發(fā)動(dòng)機(jī)懸置動(dòng)靜剛度試驗(yàn)分析

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（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置是汽車(chē)上連接發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)身的比較重要的零部件，其動(dòng)靜剛度性能好壞直接影響對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的衰減，乃至整車(chē)駕駛的舒適性，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)解耦過(guò)程中，每個(gè)懸置元件都被賦予了不同的動(dòng)靜剛度參數(shù)，這些參數(shù)的合理性對(duì)實(shí)現(xiàn)其在整車(chē)上的功能有著很大的影響，同時(shí)又要滿(mǎn)足其他部分的性能要求，比如懸置元件的耐久性、抗老化、拉伸強(qiáng)度等性能。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置動(dòng)靜剛度參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試非常重要，日益受到重視與關(guān)注。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置動(dòng)靜剛度參數(shù)

1.1 懸置靜剛度

懸置靜剛度（K）指力和位移曲線(xiàn)中力的變化量與位移變化量的比值，其計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)1、F2為加載力，S1、S2為在加載力的作用下的變形量。

1.2 懸置動(dòng)剛度

懸置動(dòng)剛度是在一定的預(yù)載荷、一定加載頻率以及一定動(dòng)態(tài)振幅下進(jìn)行測(cè)量的，在幅值上等于動(dòng)態(tài)力的峰一峰值與動(dòng)態(tài)位移的峰一峰值之比，或者是扭矩的峰一峰值與角度的峰一峰值之比，其計(jì)算公式為：

式中，Aload為動(dòng)態(tài)力或動(dòng)態(tài)力矩的峰一峰值，Adisp為動(dòng)態(tài)位移或動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角的峰一峰值。

經(jīng)過(guò)相當(dāng)多的試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，懸置元件的動(dòng)剛度一般都比靜剛度要大，動(dòng)剛度與靜剛度比值一般在1.2—2.5倍之間。

2 靜剛度試驗(yàn)及分析方法

2.1 靜剛度試驗(yàn)前提條件要求

1）試驗(yàn)在零件完成一周后進(jìn)行，樣件不能有橡膠點(diǎn)、毛刺等；

2）試驗(yàn)溫度根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，圖紙無(wú)要求則設(shè)定為23℃±5℃；

3）試驗(yàn)夾具的安裝盡量與實(shí)際裝車(chē)狀態(tài)相一致。

2.2 靜剛度試驗(yàn)

1）試驗(yàn)時(shí)參數(shù)的設(shè)定應(yīng)按照懸置元件設(shè)計(jì)圖紙上的要求進(jìn)行，靜剛度值誤差范圍≤20%；

2）預(yù)加載荷速度0.2mm/s，試驗(yàn)加載速度0.15mm/s（或者無(wú)限緩慢）；

3）試驗(yàn)溫度：23±5℃；

4）試驗(yàn)設(shè)備：MTS彈性體性能試驗(yàn)機(jī)；

5）設(shè)備準(zhǔn)備：儀器設(shè)備通電，打開(kāi)靜剛度試驗(yàn)軟件，先調(diào)到低壓油源，使之預(yù)熱到正常工作溫度，再將油源壓力調(diào)到高壓；

6）試驗(yàn)安裝：用合適的夾具將懸置試驗(yàn)樣件固定在試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備上；

圖1 動(dòng)靜剛度測(cè)試試驗(yàn)樣件安裝示例

7）調(diào)整好設(shè)備供油壓力；

8）根據(jù)加載范圍，以預(yù)加載荷0.2mm/s的速度對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行預(yù)加載，然后以0.15mm/s的加載速度（實(shí)際測(cè)試時(shí)可根據(jù)樣件的硬度來(lái)適當(dāng)調(diào)節(jié)加載速度）進(jìn)行加載。根據(jù)懸置元件在實(shí)車(chē)上的實(shí)際受力情況，壓縮和拉伸的方向都要加載，采集數(shù)據(jù)。

每個(gè)懸置元件靜剛度的試驗(yàn)測(cè)試一般包括兩個(gè)階段，預(yù)加載階段和加載測(cè)試階段。預(yù)加載測(cè)試階段用于對(duì)懸置進(jìn)行預(yù)加載荷的循環(huán)，加載測(cè)試階段用于靜剛度數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算。如下圖流程：

9）試驗(yàn)次數(shù)大于等于3次；

10）分別測(cè)試懸置X、Y、Z三個(gè)方向；

11)靜剛度的取值：一般根據(jù)懸置元件在實(shí)車(chē)上的受力情況，設(shè)計(jì)選取測(cè)試曲線(xiàn)中比較線(xiàn)性段的部分上選取一段，端點(diǎn)坐標(biāo)（S1，F(xiàn)2），（S2，F(xiàn)2），則試驗(yàn)樣件的靜剛度由（1）可計(jì)算得出。

圖2 測(cè)試流程圖

2.3 靜剛度試驗(yàn)分析

1）弦線(xiàn)法

弦分析法定義試驗(yàn)件測(cè)試點(diǎn)兩點(diǎn)間的剛度

圖3 弦線(xiàn)法示例

2）切線(xiàn)法

切線(xiàn)分析法定義試驗(yàn)件某一點(diǎn)的剛度

圖4 切線(xiàn)法示例

3）差值法

根據(jù)定義的力或位移的分析點(diǎn)發(fā)生的位移或力的變化，分析參數(shù)可選擇力或位移。

圖5 差值法示例

3 動(dòng)剛度試驗(yàn)及分析方法

3.1 動(dòng)剛度試驗(yàn)前提條件

1）同2.1靜剛度試驗(yàn)前提條件要求；

2）試驗(yàn)所用夾具在保持足夠的硬度下盡量輕，避免對(duì)動(dòng)剛度產(chǎn)生影響。

3.2 動(dòng)剛度試驗(yàn)

1）試驗(yàn)時(shí)參數(shù)的設(shè)定應(yīng)按照懸置元件設(shè)計(jì)圖紙上的要求進(jìn)行，動(dòng)剛度值誤差范圍≤20%或動(dòng)靜比小于設(shè)計(jì)值；

2）試驗(yàn)溫度：23±5℃；

3）試驗(yàn)設(shè)備：MTS彈性體性能試驗(yàn)機(jī)；

4）試驗(yàn)安裝：選用合適的夾具將懸置試驗(yàn)樣件固定在試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備上；

5）試驗(yàn)樣件安裝示例同靜剛度試驗(yàn)；

6）根據(jù)預(yù)加載值，以預(yù)加載荷0.2mm/s的速度對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行預(yù)加載，保持樣件自然狀態(tài) 60s，然后準(zhǔn)備進(jìn)行動(dòng)剛度的測(cè)量。

7）設(shè)定頻率和振幅：設(shè)定好動(dòng)態(tài)測(cè)試程序，設(shè)置激振頻率、振幅、預(yù)載荷等參數(shù)（一般按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)參數(shù)）；

動(dòng)態(tài)測(cè)試程序是一個(gè)很大程度上自包含式的程序，可以創(chuàng)建一個(gè)僅包含一個(gè)動(dòng)態(tài)特性描述程序的試驗(yàn)步驟，該程序流程包括：

圖6 動(dòng)態(tài)測(cè)試程序圖

8）動(dòng)剛度測(cè)試值：動(dòng)剛度的測(cè)試結(jié)果隨加載頻率的變化而變化的動(dòng)剛度。

表1 動(dòng)剛度試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 動(dòng)剛度試驗(yàn)分析

3.3.1 懸置元件動(dòng)剛度影響因素

懸置元件的動(dòng)剛度主要受三個(gè)方面條件的影響：動(dòng)態(tài)載荷的頻率、預(yù)載荷、動(dòng)態(tài)載荷的振幅。

1）頻率與動(dòng)剛度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于目前使用較多的傳統(tǒng)的橡膠懸置來(lái)說(shuō)，動(dòng)剛度隨著加載頻率的增加也增加?？梢钥闯?，預(yù)載荷、動(dòng)態(tài)振幅一定下，動(dòng)剛度隨頻率增高而變大。

圖6 動(dòng)剛度與頻率和動(dòng)態(tài)幅值的變化關(guān)系

2）動(dòng)態(tài)幅值與動(dòng)剛度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)試、分析，從圖6能夠得出，在載荷、動(dòng)態(tài)載荷頻率相同下，動(dòng)態(tài)振幅越大，動(dòng)剛度變的越??；反之，動(dòng)剛度變的越大。振幅小引起的動(dòng)剛度變化大；反之，引起的變化小。

3）預(yù)載荷不同下的動(dòng)剛度

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，各個(gè)懸置元件都應(yīng)設(shè)計(jì)選取所承受的載荷，該載荷作為動(dòng)剛度的測(cè)量時(shí)的預(yù)載荷，以此測(cè)試該條件下的動(dòng)剛度等參數(shù)。不同預(yù)載荷，懸置動(dòng)剛度測(cè)得的結(jié)果也會(huì)不同，試驗(yàn)測(cè)試分析得出，同等條件下預(yù)載荷大，動(dòng)剛度大。

圖7 動(dòng)剛度與預(yù)載荷的變化關(guān)系

3.3.2 橡膠懸置與液壓懸置動(dòng)剛度

從掃頻剛度曲線(xiàn)中可看出，橡膠懸置隨著頻率的增加而變大，出現(xiàn)高頻硬化后，剛度變的很大。液壓懸置在低頻、大振幅激勵(lì)情況時(shí)，液壓懸置內(nèi)的液體在上下室內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，能夠產(chǎn)生大阻尼效應(yīng)，消耗振動(dòng)能量；在高頻、小振幅的激勵(lì)情況時(shí)，液壓懸置內(nèi)的液體隨著解耦膜一起高速振動(dòng)，從而降低高頻時(shí)激勵(lì)時(shí)壓懸置的動(dòng)剛度，能夠避免動(dòng)態(tài)硬化，達(dá)到減振的目的。

圖8 振幅±0.05mm，掃頻動(dòng)剛度曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置動(dòng)靜剛度試驗(yàn)方法的確定以及分析，了解到懸置動(dòng)靜剛度等參數(shù)的影響因素，對(duì)設(shè)計(jì)、選用合理的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置參數(shù)有一定的意義。