商用汽車動力總成懸置結構選型方法

歐陽卡

【摘 要】發動機是汽車的主要振動激勵源之一，對汽車NVH特性有很大的影響。汽車NVH性能是衡量汽車品質的一個綜合性能指標，是汽車精品化過程中必須解決的關鍵問題。設計合理的汽車動力總成懸置系統可以明顯地降低汽車動力總成和車體的震動。文章介紹發動機懸置隔振的影響因素和發動機的激振頻率，以及發動機懸置系統的解耦設計方法。對發動機懸置布置結構（三點懸置結構、四點平置式結構、四點“V”形結構）在成本、裝配工藝、平順性、一致性等方面進行對比，分析對比各結構的優缺點，確定發動機懸置系統結構的選型方法。

【關鍵詞】NVH；懸置隔振；admas；結構選型

【中圖分類號】U463.33 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0034-03

動力總成懸置系統作為汽車振動系統的一個重要子系統，其振動的傳遞特性對乘坐舒適性和整車NVH性能有很大的影響。汽車動力總成懸置系統是指動力總成（包括發動機和變速箱）與車架之間的彈性連接系統，該系統隔振性能的優劣直接關系到發動機激振到駕駛室的傳遞，影響整車的NVH性能。適當懸置動力總成系統懸置結構形式、軟墊參數、布置位置，可以降低發動機振動向駕駛室的傳遞，由此降低汽車整車的振動和噪音水平，改善汽車的舒適性。本文介紹發動機懸置隔振的影響因素和激振頻率，以及發動機懸置系統的解耦設計方法，然后通過東風柳州汽車有限公司實際開發的案例來論述發動機懸置結構如何選型。

1 發動機懸置系統隔振的影響因素

發動機懸置系統主要用于隔振發動機振動，我們希望發動機傳給車架及底盤的激振盡可能地小，將發動機總成（汽車動力總成）作為一個空間剛體，則可把發動機總成懸置系統簡化為一個彈性體。并且，只有當發動機的激振頻率和固有頻率大于1.414時，才有可能產生隔振效果。由于無法改變振源的激擾頻率，因此我們只能通過改變系統的固有頻率，使之避開激擾頻率而獲得隔振效果。懸置系統固有頻率主要受懸置系統的布置幾何位置、軟墊性能參數和選型結構的影響。發動機懸置系統前懸零件一般裝配于發動機缸體前端，后懸零件一般裝配于飛輪殼或者變速箱上，布置幾何位置受制于周邊系統零件的影響，可變動的范圍有限。在軟墊性能參數方面，降低發動機懸置軟墊剛度，對平順性隔振有好處，但會導致發動機的穩定性差、相對位移大。軟墊的變形量大，在振動中產生大的阻尼功使得橡膠發熱，壽命下降。因此，在匹配設計發動機懸置系統初期，合理選擇懸置的布置結構尤為重要。

2 發動機的激振頻率

如果發動機直接固定在車架上，振動和噪音將有直接傳播的途徑，而合理布置彈性隔振裝置，即可切斷振動和噪音的通路。分析發動機產生的激振力，可以幫助我們正確地布置和合理地懸置軟墊。發動機的主要激振是由氣缸體壓力變化而引起的扭轉脈動（即點火頻率）及曲軸旋轉引起的1階振動。發動機的點火頻率f=發動機轉速/（發動機缸數×沖程轉數）。例如：6缸機怠速700轉點火頻率35 Hz；4缸機700轉點火頻率23.3 Hz。

3 發動機懸置系統的解耦設計

通常，發動機懸置系統的六個自由度方向的振動是耦合的，這樣不但給計算工作帶來麻煩，而且導致發動機的振幅加大，振動頻率范圍過寬。這時要想達到比較好的隔振效果，則需要使用更軟的懸置軟墊，這將導致發動機總成與周圍零部件之間有較大的相對位移，造成與周圍零部件相碰撞，破壞整車的平順性，同時軟墊的大位移，又使軟墊的應變增大而影響其使用壽命。因此，現代汽車發動機懸置的設計都是朝著完全解耦或部分解耦的方向發展的。由于完全解耦難度較大，因此通常的做法是使幾個振動模態獲得解耦。

傳統的解耦方法主要是通過巧妙地布置結構來獲取的，基本原則是以懸置系統的中心主慣性軸為坐標系來布置支承元件，以消除慣性耦合；使橡膠懸置的彈性中心位于系統的扭矩軸上或質心處，消除彈性耦合。

從理論上講，如果懸置系統的彈性中心存在并能使之與發動機總成的質心重合[如圖1（a）所示]，則可使懸置系統在六個方向的振動完全解耦。由于受整車布置的限制，實際上這種布置形式是難以實現的。發動機的主要激勵力只有垂直方向和扭轉方向，只要在這2個方向獲得近似解耦就可以了。如果前、后懸置的平面和扭矩軸垂直，并且前、后懸置的彈性中心均落在扭矩軸線上[如圖1（b）所示]，則可使發動機在y方向的橫向振動、z方向的垂直振動和繞x軸的扭轉振動解耦。

4 發動機懸置結構選型

發動機的懸置系統多采用三點或者四點結構。一般在發動機飛輪端設置1個或者2個支撐點。在飛輪殼或者變速箱上放2個。三點懸置結構，不管汽車如何顛簸、跳動，它總能保證各支點在一個平面上，大大地改善了發動機的受力情況。同時發動機落裝便利，易于裝配。四點平置結構安裝支點近似于在一個平面上，顛簸、跳動有一定過約束，但是相對也較小。四點“V”形結構安裝支點不在同一個平面上，汽車顛簸、跳動，會存在過約束，發動機受力會變差，并且零件各方面累計公差更大，導致車輛一致性差。在隔振方面，四點平置式結構由于前懸遠離扭矩軸，隔振效果稍差于四點“V”形結構。三點懸置和前懸“V”形結構，布置盡量靠近扭矩軸，可以達到很好的隔振效果。在成本方面，由于三點懸置結構零件多，且受制于布置空間限制，零件連接距離大，導致三點懸置結構懸置系統重量較重，零件數量多，零件成本高。表1為各結構的分析對比。

懸置系統的隔振特性主要取決于發動機懸置結構形式、布置幾何位置，以及懸置軟墊的性能參數等特性。對懸置系統相關參數進行合理配置，以達到最大的減震和隔振效果。目前，動力總成懸置系統的設計方法就是通過優化計算，合理設計懸置的剛度、布置和結構形式，使整個懸置系統具有較高的振動解耦程度，減少發動機和車間的振動傳遞。

下面介紹東風柳州汽車有限公司匹配某四缸機總成懸置系統結構選型分析案例。發動機怠速為700轉/min，激振頻率為23.3 Hz。發動機懸置系統隔振計算輸入參數，包含動力總成參數、發動機懸置軟墊動靜剛度、布置幾何位置及結構。

（1）動力總成參數包含轉動慣量、重量、重心參數，需要通過轉動慣量測試儀測量獲取。動力總成包含變速箱和發動機總成，如果不好直接測量，總成參數可分別對變速箱和發動機單獨測量，然后通過admas對參數合成為總成參數。該動力參數總成總質量為743.59 kg，動力總成重心為x=276.86，y=1.76，z=117.64，轉動慣量及慣性積分別為Ixx=33.97，Iyy=147.39，Izz=137.43，Ixy=-1.16，Ixz=22.18，Iyz=-6.18。

（2）軟墊動靜剛度根據軟墊本身特性、軟墊受力及運用admas隔振計算合理選擇，可通過軟墊壓縮量不超過8 mm的原則，以及運用admas軟件在不同剛度下計算解耦以及固有頻率進行選取。動靜比需要根據軟墊廠家的制造能力制造，目前一般動靜比要求為1.4。

（3）發動機懸置布置幾何位置需要根據解耦設計原理，在滿足布置需求的前提下，彈性支點盡量靠近扭轉軸（如圖2所示）。前懸后懸彈性中心位置需要盡量靠近主扭矩軸。

（4）發動機懸置結構分別采用三點懸置結構、四點平置式結構、四點“V”形結構。前懸布置在發動機缸體前端部位，后懸布置于飛輪殼上。

獲取了上述參數后，通過admas隔振分析軟件計算，可輸出固有頻率和解耦率、軟墊受力、壓縮變形等參數。圖3所示為采用三點懸置結構，前懸剛度為x=83，y=81，z=504，后懸剛度x=575，y=125，z=287，Rx向固有頻率為9.8 Hz，預計隔振率為77.16%。

發動機懸置結構分別采用三點懸置結構、四點平置式結構、四點“V”形結構進行隔振計算。圖4為各個結構采用不同剛度，運用amdas分析軟件，計算出來的結果。預計隔振率為根據z向或者Rx向最大固有頻率換算對應的隔振率。

通過計算分析，四點“V”形結構預計隔振率為67.54%，四點平置式結構預計最大隔振率為66.63%，三點懸置結構最大隔振率為77.16%。采用三點懸置結構隔振方面最優。而且，三點懸置結構發動機落裝便利，易于裝配。三個安裝支點共面，一致性及受力方面較好。但是三點懸置結構受制于布置空間限制，零件連接距離大，導致系統重量較重，零件數量多。通過綜合分析，雖然三點懸置結構成本較高，但為使得車輛得到最佳的隔振性能，提高車間裝配人員的便利性，提高產品的一致性及車輛的可靠性，該發動機采用三點懸置結構方案。

5 結語

汽車動力總成懸置系統的結構選擇影響到整車的NVH性能、可靠性、生產的制造成本、生產裝配便利性及產品的一致性。動力總成懸置系統的結構需要在滿足可靠性、布置要求的前提下，盡量采用裝配便利、生產一致性好、隔振性能較優的結構方案。通過合理選取發動機懸置軟墊剛度，軟墊布置幾何位置盡量靠近扭轉軸等原則，通過隔振解耦計算，分析對比各方案的固有頻率及解耦率，綜合各方面因素，最終決定發動機懸置采用何種結構形式。

參 考 文 獻

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]劉濤.汽車設計[M].北京：北京大學出版社，2008.

[4]呂振華，范讓林，馮振東.汽車動力總成隔振懸置的設計思想分析[J].內燃機工程，2004（3）.

[責任編輯：鐘聲賢]