動(dòng)力懸置支架動(dòng)剛度分析及輕量化方法研究

韓啟明 白玨 李卉

【摘 要】文章對(duì)動(dòng)力總成懸置支架動(dòng)剛度分析的方法進(jìn)行了研究。首先，分析了懸置支架動(dòng)剛度對(duì)懸置系統(tǒng)NVH性能的影響：懸置支架動(dòng)剛度過(guò)小，會(huì)影響懸置系統(tǒng)的隔振效果，還會(huì)引起局部共振，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的NVH性能變差。其次，通過(guò)有限元軟件建立動(dòng)力懸置支架有限元模型，并對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)剛度的分析，證明原懸置支架方案滿(mǎn)足動(dòng)剛度設(shè)計(jì)要求。最后，提出了懸置支架輕量化的思路及其方案。該方案不但動(dòng)剛度滿(mǎn)足要求，而且實(shí)現(xiàn)了一定程度的輕量化，既能保證NVH性能又能對(duì)減輕整車(chē)重量及降低成本做出貢獻(xiàn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】懸置支架；動(dòng)剛度；有限元法；NVH；汽車(chē)輕量化

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）04-0056-03

0 前言

NVH性能是整車(chē)性能的重要影響因素之一。隨著生活水平的提高，人們對(duì)汽車(chē)的要求越來(lái)越高，對(duì)NVH性能也越來(lái)越重視。動(dòng)力總成的振動(dòng)占汽車(chē)振動(dòng)的很大部分，它的振動(dòng)通過(guò)懸置橡膠及懸置支架連接到車(chē)身，因此懸置支架的性能好壞對(duì)NVH性能有著重要的影響。對(duì)懸置支架NVH特性影響比較大的是動(dòng)剛度，動(dòng)剛度是衡量物體抵御動(dòng)載荷作用變形的能力。動(dòng)剛度不足，汽車(chē)行駛過(guò)程中，懸置支架易受到與其固有頻率接近的動(dòng)載荷的作用，從而引起結(jié)構(gòu)共振，造成一系列的疲勞損壞及NVH問(wèn)題。

汽車(chē)的輕量化有助于減少油耗和降低排量，對(duì)減少能源的消耗和減輕環(huán)境污染都有重要的作用。因此，汽車(chē)輕量化是汽車(chē)的發(fā)展方向之一。

在早期設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)懸置支架進(jìn)行動(dòng)剛度分析校核，及早地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并提出改進(jìn)方案是十分必要的，同時(shí)在保證懸置支架基本性能的前提下，對(duì)懸置支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，也具有積極的降成本及減重意義。有限元法是進(jìn)行懸置支架動(dòng)剛度分析的常見(jiàn)方法，有限元法作為工程領(lǐng)域中最常見(jiàn)的數(shù)值分析方法，其基本思想是將連續(xù)體或結(jié)構(gòu)劃分為若干有限大小的元素，把連續(xù)待解區(qū)域離散化并且按照一定的方式結(jié)合在一起形成平衡方程，在劃分完之后的求解區(qū)可以繼續(xù)劃分，然后再加上邊界條件進(jìn)行求解。

1 動(dòng)剛度的相關(guān)概念

2 懸置系統(tǒng)隔振

良好的懸置系統(tǒng)能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳出來(lái)的振動(dòng)進(jìn)行有效的隔離，不好的懸置系統(tǒng)則有可能出現(xiàn)局部隔振現(xiàn)象，不但起不到隔振的目的，而且會(huì)出現(xiàn)一系列的NVH問(wèn)題。而懸置系統(tǒng)的隔振性能跟它的整體剛度具有密切的關(guān)系。懸置系統(tǒng)由主動(dòng)側(cè)支架、懸置橡膠及被動(dòng)側(cè)支架組成，它們的連接是串聯(lián)的關(guān)系，該系統(tǒng)的整體剛度可以由下式表示：

式中，Km為主動(dòng)側(cè)支架剛度；Kr為橡膠剛度；Kp為被動(dòng)側(cè)支架剛度。

懸置系統(tǒng)隔振的理想情況是系統(tǒng)剛度完全由懸置橡膠剛度確定，但從上式可以看出，當(dāng)支架剛度不夠時(shí)，影響這一效果。舉例來(lái)說(shuō)，某懸置的懸置橡膠的剛度為Kr=200 N/mm，而主、被動(dòng)側(cè)支架剛度均為400 N/mm，則系統(tǒng)整體剛度僅為100 N/mm，比橡膠剛度小了一半，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期；如果Km及Kp→∞時(shí)，K=Kr。整體剛度完全由橡膠剛度決定，這是非常理想的狀況，實(shí)際情況是達(dá)不到的。一般要求Km≥10Kr，Kp≥10Kr，則K≈Kr。此時(shí)，懸置支架能夠滿(mǎn)足懸置系統(tǒng)隔振的設(shè)計(jì)要求。

3 懸置支架模型建立及動(dòng)剛度分析

懸置支架包括主板、底板及加強(qiáng)板。懸置支架通過(guò)3顆螺栓把主板跟動(dòng)力總成側(cè)連接，而底板通過(guò)橡膠與車(chē)身側(cè)相連。加強(qiáng)板焊接在主板上起到提高支架動(dòng)剛度的作用。建模中，一般把接發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)固定，接橡膠側(cè)添加集中質(zhì)量。在底板螺栓孔處把懸置支架123456方向的自由度全部約束。而在底板附近的橡膠彈性中心點(diǎn)處施加集中質(zhì)量，同對(duì)該點(diǎn)在1～500 Hz范圍內(nèi)分別施加X(jué)、Y、Z向（參考整車(chē)坐標(biāo)系）上的單位力激勵(lì)，并測(cè)量該點(diǎn)的速度響應(yīng)，激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)為同一個(gè)點(diǎn)（如圖1所示）。

一般要求在加載激勵(lì)頻率范圍內(nèi)動(dòng)剛度大于1 000 N/mm。在hyperwork中，把速度曲線的縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為dB20的形式，并繪制出動(dòng)剛度1 000的標(biāo)準(zhǔn)線，同樣縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為dB20的形式。從前文介紹的速度導(dǎo)納與動(dòng)剛度的關(guān)系可以知道，對(duì)應(yīng)速度導(dǎo)納曲線可以表示該方向的動(dòng)剛度。通過(guò)速度導(dǎo)納曲線同動(dòng)剛度1 000去曲線的對(duì)比，若導(dǎo)納曲線與動(dòng)剛度1 000有交叉或者在其之上則說(shuō)明動(dòng)剛度不滿(mǎn)足要求；反之，則滿(mǎn)足要求。如圖2所示，圖中各方向的速度導(dǎo)納曲線都未超出動(dòng)剛度1 000曲線，說(shuō)明懸置在考察頻率段的動(dòng)剛度滿(mǎn)足要求，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步需求輕量化方案。

4 懸置支架的輕量化

4.1 懸置支架輕量化方法

在保證懸置支架動(dòng)剛度的前提下，懸置支架常見(jiàn)輕量化方法有3種。

（1）減薄結(jié)構(gòu)的厚度。減薄厚度可以節(jié)約成本和減輕重量，但是也會(huì)降低其動(dòng)剛度和強(qiáng)度，因此是有一點(diǎn)限度的。

（2）直接改變材料，選用密度低的材料。例如，把支架材料由鐵變?yōu)殍T鋁，可以大大減輕重量，但是制造成本會(huì)隨之增加。

（3）在對(duì)強(qiáng)度及動(dòng)剛度影響不大的局部，可以添加減重孔，這樣不但能起到減重的作用，而且動(dòng)剛度下降不大。

4.2 動(dòng)剛度優(yōu)化方案

在結(jié)構(gòu)變化不大的前提下，可考慮上面的“（1）” “（3）”方法實(shí)現(xiàn)懸置支架的輕量化。首先，可以適當(dāng)減薄主板和加強(qiáng)板的厚度；其次，可以計(jì)算懸置支架的模態(tài)，通過(guò)模態(tài)振型找到一階振動(dòng)較大的地方，并在此處添加減重孔（如圖2所示）。因?yàn)橐陨?種方法會(huì)不同程度地影響懸置支架動(dòng)剛度，所以減薄程度的多少及減重大小需要最后計(jì)算并通過(guò)動(dòng)剛度來(lái)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，確定主板厚度為5 mm，加強(qiáng)板厚度為4.5 mm，減重方案結(jié)構(gòu)如圖3所示。減重方案的懸置動(dòng)剛度如圖4所示，可見(jiàn)減重方案完全滿(mǎn)足動(dòng)剛度要求。減重前后質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)表1。

5 結(jié)論

本文對(duì)懸置支架動(dòng)剛度的分析方法進(jìn)行了總結(jié)介紹，提出了懸置支架輕量化的一般思路，經(jīng)過(guò)實(shí)際方案的對(duì)比分析，證明方法實(shí)用有效。

參 考 文 獻(xiàn)

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