發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

趙金剛 李正華 張彥偉 王國(guó)增 朱錫慶

摘 ?要：本文基于某國(guó)產(chǎn)車三缸機(jī)懸置系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，通過(guò)前期調(diào)研分析與方案論證，合理布置懸置的安裝位置和系統(tǒng)夾角，分析懸置設(shè)計(jì)參數(shù)、剛度和模態(tài)，確保懸置系統(tǒng)具有較高振動(dòng)解耦程度，同時(shí)通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算分析確保懸置結(jié)構(gòu)可靠性，經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得滿足某車型開(kāi)發(fā)要求。

關(guān)鍵詞：三缸發(fā)動(dòng)機(jī);懸置系統(tǒng);開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.79 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2022）01-0026-09

Engine Mounting System Optimization Design And Analysis

ZHAO Jin-gang，LI Zheng-hua，ZHANG Yan-wei，WANG Guo-zeng，ZHU Xi-qing

（Haima Automobile Co.，Ltd， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： Based on development of the mounting system of a domestic tree-cylinder engine，through preliminary investigation，analysis and scheme demonstration，the mounting position and system angle are reasonably arranged，and the design parameters，stiffness and mode of the mounting are analyzed to ensure that the mounting system has a high degree of vibration decoupling，and the mounting structure is reliable through strength analysis.Through a series of optimization design， it can meet the development requirement of vehicle .

Key ?Words： Tree-Cylinder Engine; Mounting System; Development&Design

為響應(yīng)低碳低排放的要求，三缸小排量發(fā)動(dòng)機(jī)近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。而發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車上的一個(gè)主要振源，其懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接對(duì)整車的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生重要的影響[1]。由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大且慣性力矩不平衡，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)比較大，同時(shí)三缸機(jī)的激勵(lì)頻率比較低懸置系統(tǒng)解耦避頻困難。一般需要在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)上增加平衡機(jī)構(gòu)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的不平衡力和力矩。常見(jiàn)的一些三缸機(jī)平衡策略和激勵(lì)形式，見(jiàn)表1：

本文基于HMGA模塊化平臺(tái)，通過(guò)前期充分調(diào)研論證，調(diào)整懸置布置位置和布置角度，優(yōu)化懸置數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，合理設(shè)計(jì)剛度并分析模態(tài)，使得懸置系統(tǒng)具有較高的振動(dòng)解耦程度，通過(guò)進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，既提高了整車乘坐舒適性又保證了零部件可靠性，為整車后續(xù)開(kāi)發(fā)提供了保障。

1 ? ?基本參數(shù)

該車型采用橫置直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，平衡策略0%Roll，100%Yaw，懸置系統(tǒng)采用3點(diǎn)式布置方案，其中右懸置為液壓懸置[2]，可實(shí)現(xiàn)低頻大剛度大阻尼和高頻小剛度小阻尼[3]，后懸置為抗扭拉桿式，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且實(shí)用。動(dòng)力總成的質(zhì)量主要由左、右懸置承擔(dān)，扭桿式后懸置靜載時(shí)理論不承擔(dān)載荷或者承擔(dān)很小的載荷。

2 ? ?懸置布置位置的選擇

懸置最佳布置位置是通過(guò)動(dòng)力總成的扭矩軸TRA來(lái)確定的，調(diào)整懸置的位置對(duì)剛度矩陣及系統(tǒng)的解耦率影響最大，如果左右懸置各自的彈性中心落在動(dòng)力總成的扭矩軸TRA上，則系統(tǒng)夾角與其它廣義坐標(biāo)之間是解耦的。但是在工程實(shí)際中，動(dòng)力總成扭矩軸的空間位置往往難以精確確定，系統(tǒng)懸置的位置又受到整車及動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)布置的限制，以及懸置橡膠體本身性能的制約。這些因素使得系統(tǒng)左右懸置的彈性中心往往難以準(zhǔn)確地落在扭矩軸上。

本文根據(jù)動(dòng)力總成質(zhì)量慣性參數(shù)，采用Powertrain _TRA_Compute程序計(jì)算動(dòng)力總成扭矩軸TRA在空間的位置，左右懸置位置在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮車身安裝點(diǎn)的通用性及前機(jī)艙空間布局，左右懸置在X向可調(diào)整的空間非常有限，調(diào)整前坐標(biāo)如表3所示。前期經(jīng)過(guò)多輪數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)與反復(fù)論證，正如圖1所示，如果要使左懸置彈性中心落在TRA軸上，左懸置的彈性中心坐標(biāo)需要往Y+向平移15mm，X-向平移2mm時(shí)，但是當(dāng)使用第4安裝點(diǎn)（第四安裝點(diǎn)法蘭面是φ25mm，支架壁厚為5mm）時(shí)，將使圖1中的A面超出圖2中的B面，影響懸置各向限位，將使懸置不能正常工作。而當(dāng)左懸置的彈性中心坐標(biāo)往Y+向平移15mm，X-向平移13mm時(shí)，如圖2所示，雖然左右懸置彈性中心無(wú)法落在TRA軸上，但是左右懸置彈性中心連線與TRA軸的夾角在整車俯視圖（XY平面）僅有0.622°，如圖3、圖4所示。并且可使圖1中的A面不超出圖2的B面，此時(shí)左右懸置均可以正常工作。

表4為調(diào)整后懸置系統(tǒng)彈性中心位置坐標(biāo)。在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置側(cè)，X方向上與TRA距離為1mm，表明發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)比較理想;變速器懸置側(cè)，X方向上與TRA距離為11mm，滿足設(shè)計(jì)要求，且在Y方向上向發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)靠攏，減小了1階甩動(dòng)的力臂，對(duì)1階車身響應(yīng)更有利;與理論位置Z向相比，在Z方向坐標(biāo)增大，提升扭矩跨度;以上符合3點(diǎn)式懸置布置原則，也是理論上最佳布置位置。

3 ? ?懸置限位參數(shù)優(yōu)化

在懸置系統(tǒng)匹配計(jì)算中，需要預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成一些關(guān)鍵位置點(diǎn)在極限工況下的最大位移量，確定其振動(dòng)的邊界位置，如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、關(guān)車時(shí)和汽車加速、換擋、轉(zhuǎn)彎、減速、制動(dòng)等瞬間工況以及受到各種干擾力（如路面顛簸）的情況下[4]，懸置應(yīng)能有效地限制動(dòng)力總成的最大位移，以避免動(dòng)力總成與相鄰零件發(fā)生干涉或碰撞。

合理的懸置系統(tǒng)非線性剛度設(shè)計(jì)需要在良好隔振和動(dòng)力總成位移控制兩個(gè)方面取得平衡。

如表5所示，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)計(jì)算最大變形量以及經(jīng)驗(yàn)預(yù)判對(duì)懸置數(shù)據(jù)關(guān)鍵限位點(diǎn)做進(jìn)一步優(yōu)化。 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置Y向硬限位距離偏大，由原15mm縮短至10mm，其它間隙不變或微調(diào);變速箱懸置倒檔total travel由12.3mm增大到13mm，Y向線性段由4mm減小至3mm，Y向硬限位距離由13mm縮短至9mm，其它間隙不變或微調(diào);后懸置倒檔方向Total travel 由10.86mm增大到15mm以改善R檔怠速抖動(dòng)。

相對(duì)應(yīng)的懸置非線性剛度曲線，見(jiàn)圖5（以右懸置X向剛度曲線展示）：

根據(jù)系統(tǒng)固有頻率及模態(tài)解耦計(jì)算方法，對(duì)優(yōu)化后動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)狀態(tài)的固有頻率及模態(tài)解耦率進(jìn)行計(jì)算，如表6所示，各階固有頻率間隔基本都能達(dá)到1Hz以上;Z向固有頻率能夠避開(kāi)人體敏感的4-7Hz;繞曲軸的固有頻率處于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率的0.5倍之下，最高階固有頻率小于怠速激振頻率的0.707倍，Yaw方向固有頻率與一階激勵(lì)（根據(jù)平衡策略一階激勵(lì)為100%Yaw）間隔大于2.5HZ，各階能量解耦率都在90%以上，優(yōu)化后結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 ? ?懸置結(jié)構(gòu)靜剛度分析

本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求值如表7所示：

在進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能考慮橡膠生產(chǎn)工藝，根據(jù)對(duì)橡膠懸置實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)其各個(gè)方向的剛度進(jìn)行約束，確定實(shí)際零件的動(dòng)靜比，提升解耦性能，使設(shè)計(jì)剛度能夠滿足橡膠的生產(chǎn)工藝要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

4.1 ? 右懸置靜剛度計(jì)算與分析

4.2 ? 左懸置靜剛度分析

4.3 ? 后懸置靜剛度分析

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)剛度值進(jìn)行理論計(jì)算與分析，其分析結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求值，表明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理。

5 ? ?懸置結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

本文對(duì)懸置結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，縫焊及螺栓采用RBE2單元模擬，分析模型信息如下表11所示：

經(jīng)分析，計(jì)算結(jié)果如表12所示，左懸置主動(dòng)端第一階模態(tài)頻率為1247Hz，左懸置被動(dòng)端第一階模態(tài)頻率為363.7Hz，右懸置主動(dòng)端第一階模態(tài)頻率為1803Hz，右懸置被動(dòng)端第一階模態(tài)頻率為338.8Hz，均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

6 ? ?懸置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

通過(guò)建立有限元模型，對(duì)懸置支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，旨在保證設(shè)計(jì)零部件的可靠性。工況為車身側(cè)懸置支架螺栓安裝位置約束123456自由度，28工況加載，材料信息如表13所示：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)果如表14-20所示，鑄鋁6082對(duì)應(yīng)件在各個(gè)工況下的最大應(yīng)力均小于其材料屈服強(qiáng)度265MPa，最大主應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度285MPa，鑄鋁A380對(duì)應(yīng)件在各個(gè)工況下的最大應(yīng)力小于其材料屈服強(qiáng)度160MPa，最大主應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度320MPa，均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

7 ? ?驗(yàn)證結(jié)果

結(jié)合上述懸置設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)車匹配驗(yàn)證，該懸置系統(tǒng)隔振良好，怠速懸置各方向隔振能夠大于25dB，整車達(dá)到良好的NVH狀態(tài)。

怠速下懸置被動(dòng)端振動(dòng)加速度頻譜和3擋全油門工況的隔振，見(jiàn)圖11-13（以右懸置測(cè)試情況展示）。

8 ? ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文全面系統(tǒng)的分析了匹配三缸機(jī)懸置的前期數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

（1）結(jié)合整車空間布置以及懸置本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了最佳懸置系統(tǒng)彈性中心位置以及與TRA軸的最佳夾角;

（2）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)平衡策略，調(diào)整懸置系統(tǒng)的模態(tài)解耦方案，使系統(tǒng)模態(tài)遠(yuǎn)離主激勵(lì)頻率;

（3）結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和實(shí)車空間情況，合理設(shè)計(jì)設(shè)定懸置限位結(jié)構(gòu)，并針對(duì)28種工況對(duì)懸置結(jié)構(gòu)限位進(jìn)行了分析驗(yàn)證，動(dòng)力總成的工況位

移滿足設(shè)計(jì)要求同時(shí)確定了懸置限位結(jié)構(gòu)，結(jié)合供應(yīng)商的制造加工能力確定了橡膠靜動(dòng)剛度值以及動(dòng)靜比，分析結(jié)果表明懸置系統(tǒng)的固有頻率和解耦分布均能滿足設(shè)計(jì)要求;

（4）通過(guò)理論計(jì)算分析了懸置橡膠靜剛度、模態(tài)、強(qiáng)度，從分析結(jié)果上看，符合理論目標(biāo)值，表明前期設(shè)計(jì)均滿足要求;

（5）通過(guò)實(shí)車匹配驗(yàn)證，該懸置系統(tǒng)隔振良好，整車的NVH狀態(tài)良好;

（6）通過(guò)以上分析，為三缸機(jī)的懸置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了理論與數(shù)據(jù)支持，為后續(xù)車型開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Patrick E.Corcoran.etc.Hydraulic Engine Mount Characteristic.SAE Trans.840407.

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[4]季曉剛，章應(yīng)雄，唐新蓬.汽車動(dòng)力總成懸置研究的發(fā)展.汽車科技，2004，1.

專家推薦語(yǔ)

蔡文新

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

動(dòng)力總成專業(yè)總工程師 ?研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文就三缸機(jī)的懸置設(shè)計(jì)過(guò)程中懸置策略選擇，懸置布置設(shè)計(jì)及相關(guān)強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研討和實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)內(nèi)容合理，數(shù)據(jù)可靠，理論水平較高，設(shè)計(jì)的懸置產(chǎn)品經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證隔振效果很好，較好的達(dá)成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也驗(yàn)證其設(shè)計(jì)理論的準(zhǔn)確性，對(duì)懸置設(shè)計(jì)人員有很好的參考價(jià)值。