发动机悬置设计

整车技术部设计指南73发动机悬置设计5.1概述汽车的乘坐舒适性——NVH（Noise-噪声、Vibration-振动和Harshness-声振舒适性）越来越受到人们的重视和关注，因为噪声、振动和舒适性，是衡量汽车制造质量的一个综合问题，它给汽车用户的感觉是最直接和最表面的。作为汽车动力源的发动机是汽车主要的振动激励源之一，其气缸燃气压力、转速及输出转矩的周期性波动及不平衡惯性力（矩）既激起发动机动力总成本身的刚体振动和弹性振动，又激起汽车动力传动的扭转振动和弯曲振动等，从而导致十分严重的振动、噪声及结构问题，最终传递给车身，引起整车振动与噪声。汽车动力总成悬置系统是指动力总成（包括发动机、离合器及变速箱等）与车架或车身之间通过弹性悬置元件连接而成的系统，发动机动力总成的振动与路面激励力是通过弹性悬置元件传给车身，该项系统性能设计的好坏直接关系到发动机振动向车体的传递，影响整车的NVH特性。因此，最大限度的减小发动机动力总成所产生的振动及噪声向车身传递，是汽车减振和降噪的主要研究内容之一。5.2、悬置系统功能介绍5.2.1悬置总成的功用a)悬置系统的首要作用即最基本的作用是支承动力总成的动、静载荷，并使发动机动力总成在所有方向上的位移处于可接受的范围内，不与前舱内其它零部件发生干涉；b)隔离发动机动力总成的振动，最大限度地降低从发动机动力总成传递到车身/车架上的振动，能有效的降低振动及噪音；c)在汽车做紧急制动、加速或受其它外界负荷的作用下时，发动机不应有过大的位移；d)隔离由于轮胎及车身的抖动而产生的振动和噪音通过悬置系统而传向发动机动力总成，降低振动及噪音；e)悬置系统元件需有足够的使用寿命。5.3动力总成悬置系统设计方法5.3.1设计需解决的问题a)主要起支撑减振的作用，因而，悬置必须要能够支撑起动力总成，并且保证其三整车技术部设计指南74个方向的位移和绕三个轴的转角在一定的限度内；b)发动机自身振动的隔离,即不让发动机不平衡力所造成的振动过分地传向车向车身,这就要求各悬置的固有频率与各激励源的频率必须满足fifIDLE/2的条件，其中，fi为各悬置的固有频率，fIDLE为怠速时各激励源的频率。车身结构振动的降低，十分有利于降低结构的噪声辐射。c)路面的激励下发动机的晃动问题。即在低频段内，发动机固有频率与整车特性不匹配时，路面激励所造成的发动机晃动可能引起汽车乘坐舒适性问题，也可能影响到汽车的操纵舒适性。5.3.2主要设计参数的决定因素和最优化的目标a)布置空间，悬置系统的设计很大程度上受到布置空间的制约，由于轿车的前舱一般空间很有限，加上其它系统如排气系统、进气系统、冷却系统及转向系统及空调系统等都在前舱内布置，所以悬置系统首先要满足布置上的要求；b)发动机的工作模态，由于发动机的工作频率很宽，通过改变悬置元件的刚度、安装位置、安装角度以及改变悬置元件的阻尼系数，合理的匹配发动机动力总成悬置系统的各向固有频率,最大限度发挥现有悬置元件的潜能,以达到减振的目的。5.3.3满足的工作环境悬置系统的工作条件一是持续承受动力总成的重量，克服传动轴对动力总成的反作用扭矩，二是承受发动机工作时的前舱高温（约100ºC），三是承受整车启动后一定频率的来自动力总成和车轮的激励振动。5.3.4发动机动力总成设计的基本步骤a)动力总成悬置系统方案布置设计，这时，需要了解的是项目背景及与整车项目相关的一些信息，比如，整车设计的市场定位，对悬置系统的要求（包括成本投入，综合性能的目标等），前舱的边界条件及悬置系统的布置方案的选择等；因为悬置系统与动力总成的结构及特性有很大的关系，为了便于组建数据库，需在设计前期就必需了解动力总成的特性（比如，发动机的型号，变速箱的型号，动力总成（或发动机与变速箱）的重量，重心点坐标及转动惯量等；b)动力总成悬置系统零部件的概念设计，依据总布置给的边界条件及动力总成的特性及转动惯量，利用相应的理论指导（如撞击中心理论、刚度矩阵解耦法、能量解耦法等），来确定悬置系统的布置方式及悬置点的布置位置。整车技术部设计指南75c)动力总成悬置系统零部件的详细设计，依据悬置系统概念设计过程中得到的边界数模，并利用相应的软件（如ADAMS、NASTRA、NANSYS、CAE等）分析为指导，以发动机动力总成悬置系统的固有频率的合理分布为目标，详细设计悬置系统各零部件工艺数模、细化二维图纸及初步确定悬置系统各方向上的动、静刚度值，这时除了要更新《设计构想书》及《零部件清单》之外，《技术装配说明书》、DVP、DFME、专利分析等需在此阶段完成。d)发动机动力总成悬悬置系统零部件试制，按照数模（或图纸）及相关的标准在规定的时间内制造合格的工装（或手工）样件，此时需按需要装配几台准备作试验用的样机；e)动力总成悬置系统零部件验证（包括台架试验、悬置系统CAE分析及整车NVH性能试验等），通过对悬置系统进行台架、相关的性能分析及测试，检测动力总成悬置系统在各个工况下的工作特性、隔振及对噪音的衰减性能，这一般由供应商和整车厂共同进行，并对试验结果进行分析，得出进一步优化动力总成悬置系统的方案，由于发动机动力总成系统的工作频率是一个很宽的范围（一般会在10~500Hz之间），并且要求悬置系统在低频大振幅（如发动机怠速状况）提供大的阴尼特性，而在高频低幅振动激励下提供低的动刚度特性，以衰减高频噪声。可是实际上悬置系统由于受到材料（特别是橡胶悬置）的限制，很难满足动力总成各工作模态下的要求，我们的目标就是最大范围的满足动力总成常见工作模态下响应，f)动力总成悬置系统改进优化，依据台架试验数据、CAE分析的反馈信息及整车测试的结果对动力总成及悬置系统进行分析，优化悬置元件的结构及橡胶的动、静刚度，以达到满足整车NVH及相关的综合性能，此时，相关的文件（比如数模，二维图，动、静刚度曲线图都需及时更新）；g)对动力总成悬置系统再一轮的样件制作及试验验证，至到达到相关的国家标准及满意的效果为止；5.3.5设计发动机动力总成悬置系统还应注意的其它几个因素a)影响装配位置因素，因悬置元件大多为铸造件及冲压件，因其结构的不规则性，在进行悬置系统详细设计时需要考虑悬置系统的可装配性；b)修理的方便性，指在进行悬置系统详细设计时不仅要考虑悬置系统的可装配性，还要考虑悬置软垫的更换及对动力总成进行保养时的方便动力总成的拆卸和安装。5.4、悬置系统的布置5.4.1悬置系统布置的要求及依据整车技术部设计指南76要保证悬置本身在保证结构强度的前提下不与其他件干涉，要考虑到运动过程中橡胶件为弹性体，悬置位置必定会有约10~20mm左右的变动。二是要保证由悬置限制位置的动力总成不与周围车身件和发动机附件干涉，尤其注意与燃油管路，传动轴等安全件的干涉;悬置点的数目及其位置选择，汽车发动机的悬置系统多采用三点或四点支承。一般较老式的发动机多在风扇端设置一个或两个支承点，而在飞轮端设置两个支承点；新式的则反过来，在风扇端设置两个支承点，而在飞轮端则放一个或两个。这主要是根据发动机类型（是汽油机还是柴油机），前后承载重量分配以及激振力情况而定的。三点支承的优点是不管汽车怎样颠簸、跳动，它总能保证各支承点处在一个平面上，这就大大改善了机体的受力情况，目前有很多汽车发动机即使是采用四点支承的也力求将飞轮端的那两点尽量靠拢，以达到三点支承的效果。此外三点悬置系统，通过合理设计可以达到上下方向、扭转振动的独立解耦，从而大幅减小了耦合振动。其中左右悬置通常接近扭转惯性轴位置布置，特别支持上下方向的振动解耦。右悬置通常采用效果更佳的液压悬置，与发动机连接布置，支持隔离发动机燃烧激励、惯性力激励、路面激励。左悬置通常就采用普通的橡胶悬置，与变速箱连接布置，在隔离激振的同时起到动力总成限位的作用。后悬置通常与变速箱连接布置，承受扭矩，重点起到动力总成的纵向限位。四点悬置系统，同样可以达到上下方向、扭转振动的独立解耦，从而大幅减小了耦合振动的要求。其中左右悬置也接近扭转惯性轴位置布置，特别支持上下方向的振动解耦。前后悬置主要承受由行驶工况引起的扭矩，重点起到动力总成的纵向限位。相对于三点悬置系统，四点悬置系统的优点是发动机摇振和怠速工况振动效果良好，但此种布置中前后悬置的刚度变化将引起发动机位置变化，导致怠速的预载变化，其次通常需要前横梁支撑前悬置，导致减振效果的下降。通常在选择支承点的布置位置时除了要满足整车布置协调、系统解耦条件外还有两个问题需要考虑：一是打击中心问题。设计良好的悬置系统发动机本身的运动即使是在恶劣的道路条件下也不会很大，且隔振器也不会遭受过大的动载荷。但在有些发动机中，如直列式四缸发动机，当曲柄间隔为180度时存在着严重的二次不平衡惯性力，由它将引起机组剧烈的纵摇振动。在这种情况下如应用打击中心理论将发动机的前支承布置在激振力的作用平面内（气缸体的横向中心面处），后支承布置在打击中心处，就可以大大减轻激振力通过后支承向车身的传递，有效地减小汽车振动。二是机身一阶弯曲振动问题。现代汽车发动机机组作为一个弹性体其一阶弯曲振动的固有频率并不是很高的，而功率强大的发动机的高频段的激励频率却是很丰富的，因此很有可能导致机身产生一阶弯曲振动共振。在这种情况下如能将支承点安置在振型曲线的节点处，对于减轻隔振器的附加载荷是很有利的。整车技术部设计指南775.4.2发动机动力总成悬置系统布置图举例图a常见的四点悬置布置形式如图a为常见的四点悬置布置形式，前、后、左、右各一点，左、右悬置承受动力总成的绝大部分重量，并且布置在动力总成的扭矩轴附近，前、后悬置点布置在动力总成弯曲振形的节点上，可以起到限制动力总成的扭转并使悬置软垫变形量最小。动力总成悬置系统一般存在着弹性耦合和惯性耦合，各悬置点布置遵循以上原则外，还应从动力总成的模态解耦上考虑，应尽量使悬置点的弹性中心与发动机动力总成的重心重合。整车技术部设计指南78图b典型的三点悬置软垫的结构形式如图b，LHS为悬置轴线垂直布置，该结构有利于提高Y向刚度；RHS轴线水平布置，有利于提高Z向刚度，ROD为扭力杆，其只限制X方向的刚度，运动的顺从性好，避免造成车身的扭曲。单个零件的结构选择首先考虑的是在允许悬置布置的空间内灵活构思，完成结构设计，整个悬置系统就必须考虑各个方向的刚度限制，图4.2.2所示的系统由于XYZ三个方向的刚度都能得到保证，因而该系统是一个成功布置的典型范例。整车技术部设计指南5.4.3悬置与周边间隙布置举例由于前舱温度较高，要求前悬置与排气管间隙≥50mm。79整车技术部设计指南为了防止发动机侧倾影响，一般要求右悬置与皮带轮间隙≥10mm。考虑传动轴的跳动与发动机的振动，要求后悬置与传动轴间隙≥35mm。80整车技术部设计指南815.5、组成悬置元件的材料及性能要求5.5.1发动机动力总成悬置的种类a)从类型上分，有金属弹簧悬置、橡胶悬置、空气弹簧悬置和液力悬置等多种结构，在车辆个常见的是橡胶悬置和液力悬置。橡胶悬置利用橡胶材料的拉伸、压缩和剪切变形来实现能量的吸收和消耗，达到隔振的目的。对橡胶悬置的结构进行优化，可以同时调节横向、纵向及垂向的刚度值，实现全方位的隔振，但研究表明，橡胶悬置仅在低频段有较好的隔振性能，高频时容易发生驻波现象，使系统的动刚度增大，隔振效果变差。所以橡胶悬置一般是用在档次较低的车辆和大型动力机械的隔振处理中，隔振要求较高的环境中一般很少使用；液力悬置将橡胶材料的弹性吸振和液体阻尼合为一体，能有效衰减车辆伯振动，降低车内噪声，提高乘坐舒适性，并有助于改善车辆的使用安全性和操作稳定性。b)从控制方式上分，悬置元件可分为被动式、半主动控制式及主动控制式三大类。目前已经在车辆上安装使用的是两室被动液力悬置，其中两室分别为工作腔和辅助腔，有简单阻尼孔式、惯性通道式、解耦式和液柱共振式等多种结构。半主动式及主动式隔振的发动机悬置元件还处于研究阶段，还没有大批量运用于生产。c)悬置元件材料的成分，目前常用的是橡胶，金属骨架，或内部充液（一般是粘值较低的硅油、酒精或防冻液等）。5.5.2发动机动力