1、1發(fā)動機懸置系統的設計指南1.1 懸置系統的設計意義及目標簡介現代汽車發(fā)動機無一不是采用彈性支承安裝的,這在汽車行業(yè)稱之為“懸置,在力學及振開工程中那么是個隔振問題.如果不用中間彈性元件而直接將發(fā)動機剛性地固緊在汽車車架底盤上,那么當汽車在不平坦的路面上行駛時將導致機身由于車架的變形、沖擊而損壞；而當汽車在平坦光滑的路面上行使時來自發(fā)動機的振動將導致車架、車身產生令人厭惡的結構噪聲.此外彈性懸置還能補償在發(fā)動機安裝及運動過程中由車架變形導致的相對位置的不精確.由此可知,懸置系統的設計目標值：1能在所有工況下承受動、靜載荷,并使發(fā)動機總成在所有方向上的位移處于可接受的范圍內,不與底盤上的其它零部

2、件發(fā)生干預；2能充分地隔離由發(fā)動機產生的振動向車架及駕駛室的傳遞,降低振動噪聲；3能充分地隔離由于地面不平產生的通過懸置而傳向發(fā)動機的振動,降低振動噪聲；4保證發(fā)動機機體與飛輪殼的連接彎矩不超過發(fā)動機廠家的允許值1.2 懸置系統的布置方式選擇每個隔振器懸置系統不管其結構形狀如何都可以看作由三個相互垂直的彈簧組成,根據這三個彈簧的剛度軸線和參考坐標軸線間的相對位置關系,懸置系統彈性支承的布置可以有常見的三種不同方式：1平置式.這是常用的、傳統的布置方式,其特征是布局簡單、安裝容易.在這種布置方式中,每個彈性支承的三個相互垂直的剛度軸各自對應地平行于所選取的參考坐標軸.2斜置式.這是一種目前汽車發(fā)

3、動機中用得最多的布置方式.在這種布置方式中,每個彈性支承的三個相互垂直的剛度軸相對于參考坐標軸的布置是：除一個軸平行于參考坐標外,其他兩個軸分別與參考坐標軸有一夾角.一般斜置式的彈性支承都是成對地對稱布置于垂向縱剖面的兩側,但每對之間的夾角可以不同,坐標位置也可任意.這種布置方式的最大優(yōu)點是：它既有較強的橫向剛度,又有足夠的橫搖柔度,因此特別適用于象汽車發(fā)動機這樣既要求有較大的橫向穩(wěn)定性,又要求有較低的橫搖固有頻率以隔離由不均勻扭矩引起的橫搖振動.止匕外,它還可以通過斜置角度、布置位置以及隔振器兩個方向上的剛度比等適當配合來到達橫向一一橫搖解耦的目的,這是平置式較難做到的.3會聚式.這種布置方

4、式的特點是彈性支承的所有隔振器的主要剛度軸均會聚相交于同一點.除了有良好的穩(wěn)定性外它最大的優(yōu)點是可以通過調節(jié)傾斜角度和布置坐標的關系來獲得六種完全獨立的振動模態(tài).但是這種布置方式實施起來并不容易,且一般汽車發(fā)動機并沒有縱向鼓勵,斜置式完全能夠滿足隔振要求,因此應用不多.以上三種布置方式,各有其優(yōu)點,在實際設計工作中,根據相關的邊界條件、整車的開發(fā)定位、系統設計的細化目標等設計環(huán)境而靈活選擇.1.3 懸置點的數目及其位置選擇汽車發(fā)動機的懸置系統多采用三點或四點支承.一般較老式的發(fā)動機多在風扇端設置一個或兩個支承點,而在飛輪端設置兩個支承點；新式的那么反過來,在風扇端設置兩個支承點,而在飛輪端那么

5、放一個或兩個.這主要是根據發(fā)動機類型是汽油機還是柴油機,前后承載重量分配以及激振力情況而定的.三點支承的優(yōu)點是不管汽車怎樣顛簸、跳動,它總能保證各支承點處在一個平面上,這就大大改善了機體的受力情況.目前有很多汽車發(fā)動機即使是采用四點支承的也力求將飛輪端的那兩點盡量靠攏,以到達三點支承的效果.此外三點懸置系統,通過合理設計可以到達上下方向、扭轉振動的獨立解耦,從而大幅減小了耦合振動.其中左右懸置通常接近扭轉慣性軸位置布置,特別支持上下方向的振動解耦.右懸置通常采用效果更佳的液壓懸置,與發(fā)動機連接布置,支持隔離發(fā)動機燃燒鼓勵、慣性力鼓勵、路面鼓勵.左懸置通常就采用普通的橡膠懸置,與變速箱連接布置,

6、在隔離激振的同時起到動力總成限位的作用.后懸置通常與變速箱連接布置,承受扭矩,重點起到動力總成的縱向限位.四點懸置系統,同樣可以到達上下方向、扭轉振動的獨立解耦,從而大幅減小了耦合振動的要求.其中左右懸置也接近扭轉慣性軸位置布置,特別支持上下方向的振動解耦.前后懸置主要承受由行駛工況引起的扭矩,重點起到動力總成的縱向限位.相對于三點懸置系統,四點懸置系統的優(yōu)點是發(fā)動機搖振和怠速工況振動效果良好,但此種布置中前后懸置的剛度變化將引起發(fā)動機位置變化,導致怠速的預載變化,其次通常需要前橫梁支撐前懸置,導致減振效果的下降.通常在選擇支承點的布置位置時除了要滿足整車布置協調、系統解耦條件外還有兩個問題需

7、要考慮：一是打擊中央問題.設計良好的懸置系統發(fā)動機本身的運動即使是在惡劣的道路條件下也不會很大,且隔振器也不會遭受過大的動載荷.但在有些發(fā)動機中,如直列式四缸發(fā)動機,當曲柄間隔為180度時存在著嚴重的二次不平衡慣性力,由它將引起機組劇烈的縱搖振動.在這種情況下如應用打擊中央理論將發(fā)動機的前支承布置在激振力的作用平面內(氣缸體的橫向中心面處),后支承布置在打擊中央處,就可以大大減輕激振力通過后支承向車身的傳遞,有效地減小汽車振動.后支承位置可按下式確定：L=(J+b*b*m)/(b*m)式中：J發(fā)動機繞通過重心的橫向主慣性軸ZZ軸的轉動慣量m發(fā)動機的質量b發(fā)動機前支承到重心的距離L發(fā)動機前后支承

8、間距離二是機身一階彎曲振動問題.現代汽車發(fā)動機機組作為一個彈性體其一階彎曲振動的固有頻率并不是很高的,而功率強大的發(fā)動機的高頻段的鼓勵頻率卻是很豐富的,因此很有可能導致機身產生一階彎曲振動共振.在這種情況下如能將支承點安置在振型曲線的節(jié)點處,對于減輕隔振器的附加載荷是很有利的.1.4 懸置系統設計的頻率參數和一般的動力機械不同的是汽車發(fā)動機的質量分布很不均勻,其最小轉動慣量軸線和曲軸中央線是不平行的.兩者之間的夾角可達15度至30度.其次發(fā)動機的各種鼓勵力和鼓勵力矩均偏離機組的重心.因此能激起的振型很多.例如不平衡的回轉質量離心力激發(fā)發(fā)動機產生垂向,橫向,縱搖繞y軸,平搖繞z軸等振動；由不均勻

9、的簡諧扭矩能激起發(fā)動機產生橫搖繞x軸,平搖等振動.在工程實際中懸置系統的振動都是按剛體模態(tài)來處理的,整臺機組在空間的運動具有六個自由度,即三個沿相互垂直的通過重心的軸線的往復運動和三個繞此三根軸線的回轉運動,這樣就有六個振動模態(tài),相應就有六個固有頻率.而理論分析說明,汽車發(fā)動機的六個振動模態(tài)并不是完全耦合在一起的,而是形成兩組三聯耦合振動,即垂向-縱向-縱搖及平搖-橫向-橫搖.推薦的懸置系統固有頻率范圍如下：1平搖fa、橫搖f3以及平搖-橫搖耦合振動時的fl這兩個固有頻率是汽車發(fā)動機隔振設計能否成功的關鍵要素,特別是橫搖fB,一般推薦值為:fa,fB(或fl)<1/(1.2s1.4)*1

10、/21/2*h/2*n/60(Hz)這里h為氣缸數(對于V型發(fā)動機那么為一列的氣缸缸數),n為曲軸的怠速轉速(r.p.m),系數(1.2s1.4)是考慮到底架有限質量的影響,當底架越輕巧而機器越重時取大的值,1/21/2那么是為滿足隔振要求所必需的頻率比.2垂向fx、縱搖fY(以及縱向-縱搖耦合振動時的f2)在選擇這三個固有頻率時要考慮到不要引起怠速轉數下的一次激振力共振,以及由于道路不平引起的汽車上、下過大的振動載荷.也即是說fx不宜過小,一般可取fx,f丫(或f2)=10s15(Hz)3橫向fz由于汽車行走時左、右方向的動載荷沒有上、下方向大,因此fz的數值可以取得比fx小些,只需避開怠速

11、轉數下的一次激振力共振即可,一般可取fz=5s10(Hz)4縱向fy這個頻率是無足輕重的,由于發(fā)動機不存在縱向激振力.1.5 懸置系統相關設計參數1.5.1 懸置系統設計的輸入1動力總成參數懸置系統作為動力總成與車身的連接局部,在設計分析中,動力總成的各項特性參數是懸置系統設計的主要輸入條件,它包括：動力總成的重量、重心位置、慣性軸的位置、各轉動慣量等.2懸置布局方式根據前面介紹的布局方式選擇以及懸置點的數量及位置的選擇,合理確定懸置系統的布置.而懸置系統的不同布置方式將很大程度上決定了各個具體懸置的目標參數設計.3制約條件理論設計上的懸置點具體位置以及為到達各點懸置性能所需的結構、外形尺寸常

12、常受到整車布置中的布置空間、邊界條件等的限制而需要適當地修改相應的一些具體設計目標參數.例如：XX車型的前倉相對于某一款發(fā)動機具布置空間很有限,前前方向上發(fā)動機體與車身的靜態(tài)間隙非常小,這時候懸置系統的設計必須考慮到發(fā)動機動態(tài)時的前后翻轉角必須小于實際的允許值,否那么動態(tài)的情況下就很容易發(fā)生干預現象.1.5.2 懸置系統設計的輸出1靜剛度根據動力總成在前倉中的總體布置姿態(tài)、發(fā)動機重量及重心位置參數、各懸置點的選擇以及各懸置根本外形的結構尺寸就可以解析得出各懸置點的靜態(tài)特性即靜剛度.2各個模態(tài)的固有頻率及分析例：由于選址在空間三維方向上都有彈性,但是由于發(fā)動機懸置各點位置相距較遠,忽略懸置的扭轉

13、特性,把懸置簡化為三向彈簧或襯套,采用ADAM或相關軟件對發(fā)動機剛體模態(tài)進行計算,對發(fā)動機剛體的六個模態(tài)的頻率進行相關分析,利用相關標準或內部約定對發(fā)動機剛體模態(tài)進行模態(tài)優(yōu)化,盡量使發(fā)動機剛體各個模態(tài)解藕及避開相關鼓勵頻率.相關圖片見圖一3頻率響應特性在模態(tài)優(yōu)化后的發(fā)動機動力總成與懸置系統在一段頻率范圍內的頻率響應特性,例如懸置系統在5-250頻率段范圍內的頻率響應特性,分析出懸置系統在各種鼓勵頻率下的響應特性,為NVH#性和懸置系統的優(yōu)化提供依據.相關圖片見圖二t-Bin圖1:采用ADAM或相關軟件對發(fā)動機剛體模態(tài)進行計算圖2:某懸置系統在10-250hz下的頻率響應分析1.6懸置支架設計要點1振動條件發(fā)動機的振動通常會引起懸置支架的噪音問題,所以在支架設計時,考慮的根本要求是,在200到40