商用車四缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置剛度優(yōu)化

韋永尤 莫慶軍 方貴盛 石勝文

摘要：本文以某商用車四缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置為對(duì)象，通過分析商用車四缸發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)六自由度動(dòng)力學(xué)模型，采用能量解耦法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊剛度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，通過合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊剛度，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)向底盤和駕駛室傳遞，提高整車乘坐舒適性。

關(guān)鍵詞：商用車；四缸發(fā)動(dòng)機(jī)；懸置；隔振能力；優(yōu)化

引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的主要振動(dòng)源之一，對(duì)汽車的乘坐舒適性有很大的影響。通過合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊剛度，可以降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和駕駛室振動(dòng)，不但可以改善汽車的乘坐舒適性，還可以延長發(fā)動(dòng)機(jī)與其它零部件的使用壽命。商用車四缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于怠速轉(zhuǎn)速低、振動(dòng)大，其懸置隔振能力好壞將直接影響到產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。本文以某商用車配四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用能量解耦法對(duì)其懸置軟墊剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1. 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置隔振原理

1.1.懸置系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率計(jì)算

懸置的振動(dòng)傳遞率通常用 來度量：

（1）

則隔振率為：

式中

1.2. 懸置系統(tǒng)激振頻率和固有頻率分析

針對(duì)該車型裝配的懸置軟墊，根據(jù)式（1）可得到如圖1所示的傳遞率、隔振率與頻率比曲線：

圖1 傳遞率、隔振率與頻率比曲線

從圖1可以看出， 越大，隔振率越大，隔振效果越好。在懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于特定的發(fā)動(dòng)機(jī)，其激振頻率是無法改變的，為得到較高的隔振率，應(yīng)降低系統(tǒng)的固有頻以提高 值。在商用車懸置設(shè)計(jì)中， 值一般取2～3，這是因?yàn)?達(dá)到一定數(shù)值后，隔振率上升不明顯，另外，隨著 的提高，軟墊剛度也會(huì)降低，軟墊的變形量加大，軟墊壽命降低，整車上的零部件容易產(chǎn)生干涉，懸置系統(tǒng)也會(huì)和底盤的低頻激振力發(fā)生共振。

2. 懸置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

一般發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)固有頻率較低，遠(yuǎn)低于動(dòng)力總成的最低階彈性模態(tài)頻率，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置設(shè)計(jì)可以只考慮其剛體振動(dòng)模態(tài)；又因?yàn)橄鹉z懸置軟墊阻尼甚小可以忽略。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性可用式（2）表示：

（2）

式中 為系統(tǒng)廣義質(zhì)量矩陣； 為系統(tǒng)廣義剛度矩陣； 為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列向量， 。

在測(cè)得動(dòng)力總成的總質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性積以及各懸置各個(gè)方向的剛度以后，可求得系統(tǒng)的 和 矩陣，進(jìn)而用求特征值的方法可以求得發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的固有頻率。

3. 懸置系統(tǒng)解耦

通常發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的六個(gè)自由度方向的振動(dòng)是耦合的，這樣導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的振幅加大，振動(dòng)頻率范圍加寬。這時(shí)要想達(dá)到比較好的隔振效果，則需要使用剛度更低的懸置軟墊。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使懸置系統(tǒng)的解耦率盡可能高。傳統(tǒng)的解耦方法主要是通過巧妙結(jié)構(gòu)布置來獲得。但在實(shí)際工程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)位置受到發(fā)動(dòng)機(jī)及整車結(jié)構(gòu)布置限制，其懸置壓縮和剪切剛度比也會(huì)受到橡膠軟墊本身性能的制約等因素，這使得通過結(jié)構(gòu)布置來解耦難以實(shí)現(xiàn)。因此，通常從能量角度來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的解耦程度。

當(dāng)系統(tǒng)以第 階模態(tài)振動(dòng)時(shí)，第 個(gè)廣義坐標(biāo)分配的能量占系統(tǒng)總能量的百分比為：

（3）

根據(jù)上式可以確定系統(tǒng)和各階模態(tài)的解耦程度：當(dāng)沿著一定廣義坐標(biāo)的最大振動(dòng)能量達(dá)到100%時(shí)，系統(tǒng)在該頻率下是解耦的。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)參數(shù)輸入

4.1. 質(zhì)量參數(shù)測(cè)量

發(fā)動(dòng)機(jī)（含離合器）、變速箱的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積可直接通過三線扭擺測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得。

4.2. 懸置安裝位置測(cè)量

由于產(chǎn)品已經(jīng)定型，各懸置安裝位置及安裝角度很難調(diào)整，相關(guān)數(shù)值直接通過現(xiàn)有3D數(shù)模測(cè)量得到。

5. 固有頻率及能量解耦優(yōu)化計(jì)算

5.1. 懸置剛度優(yōu)化

原車懸置剛度可直接測(cè)試獲得，改進(jìn)前后懸置剛度見表（1）所示：

5.2. 固有頻率及解耦率優(yōu)化

通過編程優(yōu)化計(jì)算即可行到固有頻率及解耦率數(shù)據(jù)。改進(jìn)前后固有頻率及解耦率計(jì)算結(jié)果見表（2）：

該發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為650r/min，其激振頻率為21.67Hz。從上表可以算出，發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之比 由原車的1.68提高到2.12，同時(shí)提高了Z向的解耦率。

6. 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，試制了發(fā)動(dòng)機(jī)置軟墊總成并裝車驗(yàn)證，測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、司機(jī)座椅、方向盤和后視鏡各向的振動(dòng)，由于篇幅所限，圖2僅列出發(fā)動(dòng)機(jī)部分位置Z向隔振率對(duì)比曲線。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)部分懸置Z向隔振率對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隔振率都得到了很大的提升，極大提高了整車的乘坐舒適性。

7.結(jié)束語

本文對(duì)某商用車配四缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)后使發(fā)動(dòng)機(jī)隔振率在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)超過80%。改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟件通過了臺(tái)架疲勞試驗(yàn)及整車可靠性試驗(yàn)。說明采用能量解耦法優(yōu)化商用車四缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊剛度在實(shí)際工程中是有效的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂振華，馮振東，方傳流.粘性阻尼線性振動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)特征值問題的一種新的矩陣攝動(dòng)解法.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，1991，12（8）.

[2] 王天利.基于能量法解耦的汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，7（31-33）.

[3] 康展權(quán).汽車工程手冊(cè)·設(shè)計(jì)篇.北京：人民交通出版社，2001，5.