汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南

1、1發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南1.1懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義及目標(biāo)簡(jiǎn)介現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)無一不是采用彈性支承安裝的，這在汽車行業(yè)稱之為“懸置”，在力學(xué)及振動(dòng)工程中則是個(gè)隔振問題。如果不用中間彈性元件而直接將發(fā)動(dòng)機(jī)剛性地固緊在汽車車架（底盤）上，則當(dāng)汽車在不平坦的路面上行駛時(shí)將導(dǎo)致機(jī)身由于車架的變形、沖擊而損壞；而當(dāng)汽車在平坦光滑的路面上行使時(shí)來白發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)將導(dǎo)致車架、車身產(chǎn)生令人厭惡的結(jié)構(gòu)噪聲。此外彈性懸置還能補(bǔ)償在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝及運(yùn)動(dòng)過程中由車架變形導(dǎo)致的相對(duì)位置的不精確。由此可知，懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)值：1）能在所有工況下承受動(dòng)、靜載荷，并使發(fā)動(dòng)機(jī)總成在所有方向上的位移處于可接受的范圍內(nèi)，不與底盤上的其它零

2、部件發(fā)生干涉；2）能充分地隔離由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)向車架及駕駛室的傳遞，降低振動(dòng)噪聲；3）能充分地隔離由于地面不平產(chǎn)生的通過懸置而傳向發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，降低振動(dòng)噪聲；4）保證發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與飛輪殼的連接彎矩不超過發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的允許值。1.2懸置系統(tǒng)的布置方式選擇每個(gè)隔振器（懸置系統(tǒng)）不論其結(jié)構(gòu)形狀如何都可以看作由三個(gè)相互垂直的彈簧組成，按照這三個(gè)彈簧的剛度軸線和參考坐標(biāo)軸線間的相對(duì)位置關(guān)系，懸置系統(tǒng)彈性支承的布置可以有常見的三種不同方式：1）平置式。這是常用的、傳統(tǒng)的布置方式，其特征是布局簡(jiǎn)單、安裝容易。在這種布置方式中，每個(gè)彈性支承的三個(gè)相互垂直的剛度軸各白對(duì)應(yīng)地平行于所選取的參考坐標(biāo)軸。2）斜置式。這

3、是一種目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中用得最多的布置方式。在這種布置方式中，每個(gè)彈性支承的三個(gè)相互垂直的剛度軸相對(duì)于參考坐標(biāo)軸的布置是：除一個(gè)軸平行于參考坐標(biāo)外，其他兩個(gè)軸分別與參考坐標(biāo)軸有一夾角。一般斜置式的彈性支承都是成對(duì)地對(duì)稱布置于垂向縱剖面的兩側(cè)，但每對(duì)之間的夾角可以不同，坐標(biāo)位置也可任意。這種布置方式的最大優(yōu)點(diǎn)是：它既有較強(qiáng)的橫向剛度，又有足夠的橫搖柔度，因此特別適用于象汽車發(fā)動(dòng)機(jī)這樣既要求有較大的橫向穩(wěn)定性，又要求有較低的橫搖固有頻率以隔離由不均勻扭矩引起的橫搖振動(dòng)。此外，它還可以通過斜置角度、布置位置以及隔振器兩個(gè)方向上的剛度比等適當(dāng)配合來達(dá)到橫向一一橫搖解耦的目的，這是平置式較難做到的。3）會(huì)

4、聚式。這種布置方式的特點(diǎn)是彈性支承的所有隔振器的主要?jiǎng)偠容S均會(huì)聚相交于同一點(diǎn)。除了有良好的穩(wěn)定性外它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以通過調(diào)節(jié)傾斜角度和布置坐標(biāo)的關(guān)系來獲得六種完全獨(dú)立的振動(dòng)模態(tài)。但是這種布置方式實(shí)施起來并不容易，且一般汽車發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有縱向激勵(lì)，斜置式完全能夠滿足隔振要求，因此應(yīng)用不多。以上三種布置方式，各有其優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，根據(jù)相關(guān)的邊界條件、整車的開發(fā)定位、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的細(xì)化目標(biāo)等設(shè)計(jì)環(huán)境而靈活選擇。1.3懸置點(diǎn)的數(shù)目及其位置選擇汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置系統(tǒng)多采用三點(diǎn)或四點(diǎn)支承。一般較老式的發(fā)動(dòng)機(jī)多在風(fēng)扇端設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)支承點(diǎn)，而在飛輪端設(shè)置兩個(gè)支承點(diǎn)；新式的則反過來，在風(fēng)扇端設(shè)置兩個(gè)支承點(diǎn)，而

5、在飛輪端則放一個(gè)或兩個(gè)。這主要是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類型（是汽油機(jī)還是柴油機(jī)），前后承載重量分配以及激振力情況而定的。三點(diǎn)支承的優(yōu)點(diǎn)是不管汽車怎樣顛簸、跳動(dòng)，它總能保證各支承點(diǎn)處在一個(gè)平面上，這就大大改善了機(jī)體的受力情況。目前有很多汽車發(fā)動(dòng)機(jī)即使是采用四點(diǎn)支承的也力求將飛輪端的那兩點(diǎn)盡量靠攏，以達(dá)到三點(diǎn)支承的效果。此外三點(diǎn)懸置系統(tǒng)，通過合理設(shè)計(jì)可以達(dá)到上下方向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的獨(dú)立解耦，從而大幅減小了耦合振動(dòng)。其中左右懸置通常接近扭轉(zhuǎn)慣性軸位置布置，特別支持上下方向的振動(dòng)解耦。右懸置通常采用效果更佳的液壓懸置，與發(fā)動(dòng)機(jī)連接布置，支持隔離發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒激勵(lì)、慣性力激勵(lì)、路面激勵(lì)。左懸置通常就采用普通的橡膠懸置，與變

6、速箱連接布置，在隔離激振的同時(shí)起到動(dòng)力總成限位的作用。后懸置通常與變速箱連接布置，承受扭矩，重點(diǎn)起到動(dòng)力總成的縱向限位。四點(diǎn)懸置系統(tǒng)，同樣可以達(dá)到上下方向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的獨(dú)立解耦，從而大幅減小了耦合振動(dòng)的要求。其中左右懸置也接近扭轉(zhuǎn)慣性軸位置布置，特別支持上下方向的振動(dòng)解耦。前后懸置主要承受由行駛工況引起的扭矩，重點(diǎn)起到動(dòng)力總成的縱向限位。相對(duì)于三點(diǎn)懸置系統(tǒng)，四點(diǎn)懸置系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)搖振和怠速工況振動(dòng)效果良好，但此種布置中前后懸置的剛度變化將引起發(fā)動(dòng)機(jī)位置變化，導(dǎo)致怠速的預(yù)載變化，其次通常需要前橫梁支撐前懸置，導(dǎo)致減振效果的下降。通常在選擇支承點(diǎn)的布置位置時(shí)除了要滿足整車布置協(xié)調(diào)、系統(tǒng)解耦條件外

7、還有兩個(gè)問題需要考慮：一是打擊中心問題。設(shè)計(jì)良好的懸置系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)即使是在惡劣的道路條件下也不會(huì)很大，且隔振器也不會(huì)遭受過大的動(dòng)載荷。但在有些發(fā)動(dòng)機(jī)中，如直列式四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)曲柄間隔為180度時(shí)存在著嚴(yán)重的二次不平衡慣性力，由它將引起機(jī)組劇烈的縱搖振動(dòng)。在這種情況下如應(yīng)用打擊中心理論將發(fā)動(dòng)機(jī)的前支承布置在激振力的作用平面內(nèi)(氣缸體的橫向中心面處)，后支承布置在打擊中心處，就可以大大減輕激振力通過后支承向車身的傳遞，有效地減小汽車振動(dòng)。后支承位置可按下式確定：L=(J+b*b*m)/(b*m)式中：J發(fā)動(dòng)機(jī)繞通過重心的橫向主慣性軸ZZ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量m發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量b發(fā)動(dòng)機(jī)前支承到重心的距離L

8、發(fā)動(dòng)機(jī)前后支承間距離二是機(jī)身一階彎曲振動(dòng)問題。現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組作為一個(gè)彈性體其一階彎曲振動(dòng)的固有頻率并不是很高的，而功率強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻段的激勵(lì)頻率卻是很豐富的，因此很有可能導(dǎo)致機(jī)身產(chǎn)生一階彎曲振動(dòng)共振。在這種情況下如能將支承點(diǎn)安置在振型曲線的節(jié)點(diǎn)處，對(duì)于減輕隔振器的附加載荷是很有利的。1.4懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻率參數(shù)和一般的動(dòng)力機(jī)械不同的是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量分布很不均勻，其最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量軸線和曲軸中心線是不平行的。兩者之間的夾角可達(dá)15度至30度。其次發(fā)動(dòng)機(jī)的各種激勵(lì)力和激勵(lì)力矩均偏離機(jī)組的重心。因此能激起的振型很多。例如不平衡的回轉(zhuǎn)質(zhì)量離心力激發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生垂向，橫向，縱搖（繞y軸），平搖（繞z

9、軸）等振動(dòng)；由不均勻的簡(jiǎn)諧扭矩能激起發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生橫搖（繞x軸），平搖等振動(dòng)。在工程實(shí)際中懸置系統(tǒng)的振動(dòng)都是按剛體模態(tài)來處理的，整臺(tái)機(jī)組在空間的運(yùn)動(dòng)具有六個(gè)白由度，即三個(gè)沿相互垂直的通過重心的軸線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和三個(gè)繞此三根軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就有六個(gè)振動(dòng)模態(tài)，相應(yīng)就有六個(gè)固有頻率。而理論分析表明，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的六個(gè)振動(dòng)模態(tài)并不是完全耦合在一起的，而是形成兩組三聯(lián)耦合振動(dòng)，即垂向-縱向-縱搖及平搖-橫向-橫搖。推薦的懸置系統(tǒng)固有頻率范圍如下：1平搖fa、橫搖fM以及平搖-橫搖耦合振動(dòng)時(shí)的fl）這兩個(gè)固有頻率是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)隔振設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵要素，特別是橫搖f（3,一般推薦值為:fa,fM或fl)v1/(

10、1.2s1.4)*1/21/2*h/2*n/60(Hz)這里h為氣缸數(shù)(對(duì)于V型發(fā)動(dòng)機(jī)則為一列的氣缸缸數(shù)),n為曲軸的怠速轉(zhuǎn)速(r.p.m),系數(shù)(1.2s1.4)是考慮到底架有限質(zhì)量的影響，當(dāng)?shù)准茉捷p巧而機(jī)器越重時(shí)取大的值,1/21/2則是為滿足隔振要求所必需的頻率比。2垂向fx、縱搖fY(以及縱向-縱搖耦合振動(dòng)時(shí)的f2)在選擇這三個(gè)固有頻率時(shí)要考慮到不要引起怠速轉(zhuǎn)數(shù)下的一次激振力共振，以及由于道路不平引起的汽車上、下過大的振動(dòng)載荷。也即是說fx不宜過小，一般可取fx,f丫(或f2)=10s15(Hz)3橫向fz由于汽車行走時(shí)左、右方向的動(dòng)載荷沒有上、下方向大，因此fz的數(shù)值可以取得比fx小

11、些，只需避開怠速轉(zhuǎn)數(shù)下的一次激振力共振即可，一般可取fz=5s10(Hz)4縱向fy這個(gè)頻率是無足輕重的，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)不存在縱向激振力。1.5懸置系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)1.5.1懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入1）動(dòng)力總成參數(shù)懸置系統(tǒng)作為動(dòng)力總成與車身的連接部分，在設(shè)計(jì)分析中，動(dòng)力總成的各項(xiàng)特性參數(shù)是懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要輸入條件，它包括：動(dòng)力總成的重量、重心位置、慣性軸的位置、各轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。2）懸置布局方式根據(jù)前面介紹的布局方式選擇以及懸置點(diǎn)的數(shù)量及位置的選擇，合理確定懸置系統(tǒng)的布置。而懸置系統(tǒng)的不同布置方式將很大程度上決定了各個(gè)具體懸置的目標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)。3）制約條件理論設(shè)計(jì)上的懸置點(diǎn)具體位置以及為達(dá)到各點(diǎn)懸置性能所需

12、的結(jié)構(gòu)、外形尺寸常常受到整車布置中的布置空間、邊界條件等的限制而需要適當(dāng)?shù)匦薷南鄳?yīng)的一些具體設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)。例如：XX車型的前倉(cāng)相對(duì)于某一款發(fā)動(dòng)機(jī)其布置空間很有限，前后方向上發(fā)動(dòng)機(jī)體與車身的靜態(tài)間隙非常小，這時(shí)候懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)的前后翻轉(zhuǎn)角必須小于實(shí)際的允許值，否則動(dòng)態(tài)的情況下就很容易發(fā)生干涉現(xiàn)象。1.5.2懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸出1）靜剛度根據(jù)動(dòng)力總成在前倉(cāng)中的總體布置姿態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)重量及重心位置參數(shù)、各懸置點(diǎn)的選擇以及各懸置基本外形的結(jié)構(gòu)尺寸就可以解析得出各懸置點(diǎn)的靜態(tài)特性即靜剛度。2）各個(gè)模態(tài)的固有頻率及分析例：由于選址在空間三維方向上都有彈性，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置各點(diǎn)位置相距較

13、遠(yuǎn)，忽略懸置的扭轉(zhuǎn)特性，把懸置簡(jiǎn)化為三向彈簧或襯套，采用ADAM成相關(guān)軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剛體的六個(gè)模態(tài)的頻率進(jìn)行相關(guān)分析，利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或內(nèi)部約定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)剛體各個(gè)模態(tài)解藕及避開相關(guān)激勵(lì)頻率。相關(guān)圖片見圖一3頻率響應(yīng)特性在模態(tài)優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成與懸置系統(tǒng)在一段頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)特性，例如懸置系統(tǒng)在5-250頻率段范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)特性，分析出懸置系統(tǒng)在各種激勵(lì)頻率下的響應(yīng)特性，為NVH|$性和懸置系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。相關(guān)圖片見圖二圖1:采用ADAM或相關(guān)軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)進(jìn)行計(jì)算圖2:某懸置系統(tǒng)在10-250hz下的頻率響應(yīng)分析1.6懸置支架設(shè)計(jì)要點(diǎn)1）振動(dòng)條件發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)通常會(huì)引起懸置支架的噪音問題，所以在支架設(shè)計(jì)時(shí)，考慮的基本要求是，在200到40