發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)剛度的研究

李正輝，張山峰，項(xiàng)興富

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

1 引言

隨著道路環(huán)境的改善及節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的日漸嚴(yán)格，使汽車向著大扭矩和輕量化發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)抖動的現(xiàn)象更加突出，嚴(yán)重影響汽車的乘坐舒適性。其中發(fā)動機(jī)與整車連接處產(chǎn)生的震動比較嚴(yán)重，因此發(fā)動機(jī)動力總成的NVH性能分析研究越來越受到重視。

汽車發(fā)動機(jī)前懸置是動力總成系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，需要滿足汽車在不同工況下的強(qiáng)度和剛度。通過深入的研究分析，發(fā)動機(jī)前懸置的剛度對發(fā)動機(jī)的NVH性能影響比較大，剛度低的懸置會導(dǎo)致車內(nèi)的噪聲、振動大。懸置如果設(shè)計(jì)得不合理，懸置支架的固有頻率低于發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍，懸置支架將會產(chǎn)生共振[1]，使得汽車內(nèi)部噪聲大，因此剛度是懸置支架的重要指標(biāo)之一。

針對懸置處的剛度[2]，可以通過仿真計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的剛度[3]，進(jìn)而優(yōu)化發(fā)動機(jī)NVH性能，同時(shí)減輕產(chǎn)品的重量，從而達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文適用于通過懸置螺栓，將發(fā)動機(jī)前懸置支架與正時(shí)罩蓋、缸體、缸蓋連接的結(jié)構(gòu)；常用的優(yōu)化方法：調(diào)整整車懸置長度、提高整車懸置強(qiáng)度、調(diào)整發(fā)動機(jī)懸置螺栓安裝點(diǎn)距離、增加發(fā)動機(jī)懸置螺栓安裝點(diǎn)的數(shù)量、提高正時(shí)罩蓋強(qiáng)度等。

2 模擬分析計(jì)算

將氣缸體、氣缸蓋、氣缸蓋罩、油底殼、變速器殼體、正時(shí)罩蓋、前懸置支架、后懸置支架數(shù)模通過螺栓裝配，輸入材料、彈性模量、密度、重量等關(guān)鍵參數(shù)，通過HyperMesh軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，用MSC.Nastran2012軟件進(jìn)行仿真計(jì)算[4]，在整車懸置末端（靠近整車連接處）施加載荷（模擬發(fā)動機(jī)受到來自整車的振動），該載荷可以在實(shí)車上進(jìn)行測量，需要選取最惡劣的工況，也可以粗略地根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值X=7G、Y=7G、Z=7G（G為發(fā)動機(jī)的質(zhì)量）來計(jì)算，算出Compliance值（動柔度），剛度（懸置末端振動幅度）=1/Comp-liance，進(jìn)而得出剛度的計(jì)算結(jié)果。

3 整車懸置強(qiáng)度的影響

整車懸置的懸臂長度、懸臂厚度、懸臂材料是整車懸置的重要參數(shù)，對懸置系統(tǒng)的剛度有一定影響。

整車懸臂長度：整車懸臂末端到懸置受發(fā)動機(jī)重力中心的距離。對同款發(fā)動機(jī)搭載不同車型的前懸置進(jìn)行仿真計(jì)算，兩款車型的整車懸臂長度相差23mm（見圖1懸置懸臂長度），懸臂短的前懸置系統(tǒng)剛度增大747N/mm，在這款懸臂的基礎(chǔ)上將長度再減少20mm，前懸置系統(tǒng)剛度增加1049N/mm 。由此可以看出整車懸置懸臂長度對剛度影響較大，減小整車懸置懸臂長度可以直接地提高懸置系統(tǒng)剛度，因此合理設(shè)計(jì)機(jī)艙空間很重要。

圖1 懸置懸臂長度

整車懸置懸臂強(qiáng)度：對某款發(fā)動機(jī)的前懸置進(jìn)行仿真計(jì)算，將整車前懸置懸臂厚度增加10mm（見圖2），同時(shí)將材料由鋁合金改為鋼制，計(jì)算前懸置系統(tǒng)剛度增加312N/mm。由此可以看出整車前懸置懸臂厚度、材料對剛度有較小的影響，雖然可以通過該方法來提高懸置系統(tǒng)剛度，但是成本增加較大，不建議采用此類方法。

圖2 懸置懸臂長度

4 前懸置支架結(jié)構(gòu)的影響

發(fā)動機(jī)前懸置支架有集成式和獨(dú)立式兩種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)差異見圖3。集成式懸置支架：將發(fā)動機(jī)前懸置支架集成在正時(shí)罩蓋上，正時(shí)罩蓋直接與整車懸置連接；獨(dú)立式懸置支架：單獨(dú)一個發(fā)動機(jī)支架用來連接整車前懸置與發(fā)動機(jī)正時(shí)罩蓋。

集成式前懸置支架安裝相對簡單，總重量較輕，前懸置支架與發(fā)動機(jī)前罩蓋是一個件，可以將前懸置處的振動導(dǎo)入到零件罩蓋上，減小發(fā)動機(jī)前懸置末端的振幅，進(jìn)而提高剛度，但是集成式前懸置支架鑄造難度較大，懸置處容易出現(xiàn)鑄造缺陷，在福特的福克斯車型上有相關(guān)應(yīng)用，市場上主要還是獨(dú)立式前懸置支架結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣。

圖3 正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)

某機(jī)型通過仿真計(jì)算，通過將獨(dú)立式懸置支架改為集成式懸置支架，懸置系統(tǒng)剛度提高610N/mm。針對本結(jié)構(gòu)調(diào)整前懸置支架的結(jié)構(gòu)對剛度有一定影響。

5 懸置螺栓的影響

正時(shí)罩蓋通常使用一圈的M6～M8小螺栓裝配壓緊密封面，在懸置附近使用2～5顆M10～M12大螺栓將懸置/罩蓋緊固在缸體/缸蓋上，我們稱這幾顆大螺栓為懸置螺栓。懸置螺栓是支撐懸置的主要受力點(diǎn)，是影響剛度的重要因素。可以通過調(diào)整懸置螺栓間距、數(shù)量及位置去提供懸置剛度。

某機(jī)型通過仿真計(jì)算，將懸置螺栓安裝點(diǎn)由2顆安裝螺栓改為3顆安裝螺栓，懸置剛度提高706N/mm；將兩顆懸置螺栓間距加長35mm，懸置剛度提高748N/mm。由此可以看出正時(shí)罩蓋懸置螺栓安裝點(diǎn)的數(shù)量、間距對剛度影響比較大，增加懸置螺栓數(shù)量、調(diào)整懸置螺栓間距可以直接提高懸置系統(tǒng)剛度，因此要合理設(shè)計(jì)懸置螺栓安裝點(diǎn)。

6 正時(shí)罩蓋的影響

正時(shí)罩蓋作為連接發(fā)動機(jī)懸置與 發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋的主要零件，正時(shí)罩蓋的剛度對懸置系統(tǒng)剛度影響比較大。通常采用拓?fù)浞治鲇?jì)算[5]罩蓋的薄弱點(diǎn)，優(yōu)化正時(shí)罩蓋加強(qiáng)筋的辦法提高正時(shí)罩蓋剛度。

某機(jī)型通過多次優(yōu)化正時(shí)罩蓋加強(qiáng)筋，在懸置受力方向增加豎筋，調(diào)整加強(qiáng)筋的角度，在拓?fù)浞治龅谋∪醯貐^(qū)加筋等措施，使懸置系統(tǒng)剛度提高824 N/mm。由此可以看出正時(shí)罩蓋強(qiáng)度對懸置系統(tǒng)的剛度影響比較大，雖然還可以繼續(xù)優(yōu)化提高，但是綜合重量、成本和工藝的考慮沒有采用。

7 結(jié)語

（1）根據(jù)本文中驗(yàn)證的結(jié)論，整車懸置長度、整車懸置強(qiáng)度、發(fā)動機(jī)前懸置支架結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)懸置螺栓安裝點(diǎn)數(shù)量、發(fā)動機(jī)懸置螺栓安裝點(diǎn)距離、正時(shí)罩蓋強(qiáng)度等都可能對發(fā)動機(jī)前懸置系統(tǒng)的剛度產(chǎn)生影響，可以通過調(diào)整上述關(guān)鍵的參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動機(jī)前端懸置系統(tǒng)的剛度。

（2）本文的研究結(jié)論，對獨(dú)立式懸置支架的設(shè)計(jì)和使用也有參考價(jià)值。