商用車四缸發動機懸置剛度優化

韋永尤 莫慶軍 方貴盛 石勝文

摘要：本文以某商用車四缸發動機懸置為對象，通過分析商用車四缸發動機振動特點，建立了發動機懸置系統六自由度動力學模型，采用能量解耦法對發動機懸置軟墊剛度進行優化，結果表明，通過合理選擇發動機懸置軟墊剛度，可以有效降低發動機振動向底盤和駕駛室傳遞，提高整車乘坐舒適性。

關鍵詞：商用車；四缸發動機；懸置；隔振能力；優化

引言

汽車發動機是汽車的主要振動源之一，對汽車的乘坐舒適性有很大的影響。通過合理選擇發動機懸置軟墊剛度，可以降低汽車發動機、底盤和駕駛室振動，不但可以改善汽車的乘坐舒適性，還可以延長發動機與其它零部件的使用壽命。商用車四缸發動機由于怠速轉速低、振動大，其懸置隔振能力好壞將直接影響到產品的競爭力。本文以某商用車配四缸發動機為例，采用能量解耦法對其懸置軟墊剛度進行優化設計。

1. 發動機懸置隔振原理

1.1.懸置系統振動傳遞率計算

懸置的振動傳遞率通常用 來度量：

（1）

則隔振率為：

式中

1.2. 懸置系統激振頻率和固有頻率分析

針對該車型裝配的懸置軟墊，根據式（1）可得到如圖1所示的傳遞率、隔振率與頻率比曲線：

圖1 傳遞率、隔振率與頻率比曲線

從圖1可以看出， 越大，隔振率越大，隔振效果越好。在懸置系統設計中，對于特定的發動機，其激振頻率是無法改變的，為得到較高的隔振率，應降低系統的固有頻以提高 值。在商用車懸置設計中， 值一般取2～3，這是因為 達到一定數值后，隔振率上升不明顯，另外，隨著 的提高，軟墊剛度也會降低，軟墊的變形量加大，軟墊壽命降低，整車上的零部件容易產生干涉，懸置系統也會和底盤的低頻激振力發生共振。

2. 懸置系統動力學模型

一般發動機懸置系統固有頻率較低，遠低于動力總成的最低階彈性模態頻率，發動機懸置設計可以只考慮其剛體振動模態；又因為橡膠懸置軟墊阻尼甚小可以忽略。發動機懸置系統的固有振動特性可用式（2）表示：

（2）

式中 為系統廣義質量矩陣； 為系統廣義剛度矩陣； 為系統廣義坐標列向量， 。

在測得動力總成的總質量、質心位置、轉動慣量、慣性積以及各懸置各個方向的剛度以后，可求得系統的 和 矩陣，進而用求特征值的方法可以求得發動機懸置系統的固有頻率。

3. 懸置系統解耦

通常發動機懸置系統的六個自由度方向的振動是耦合的，這樣導致發動機的振幅加大，振動頻率范圍加寬。這時要想達到比較好的隔振效果，則需要使用剛度更低的懸置軟墊。在進行發動機懸置系統設計時，應使懸置系統的解耦率盡可能高。傳統的解耦方法主要是通過巧妙結構布置來獲得。但在實際工程中，由于發動機懸置系統位置受到發動機及整車結構布置限制，其懸置壓縮和剪切剛度比也會受到橡膠軟墊本身性能的制約等因素，這使得通過結構布置來解耦難以實現。因此，通常從能量角度來評價系統的解耦程度。

當系統以第 階模態振動時，第 個廣義坐標分配的能量占系統總能量的百分比為：

（3）

根據上式可以確定系統和各階模態的解耦程度：當沿著一定廣義坐標的最大振動能量達到100%時，系統在該頻率下是解耦的。

4.發動機懸置系統參數輸入

4.1. 質量參數測量

發動機（含離合器）、變速箱的質量、質心位置、轉動慣量和慣性積可直接通過三線扭擺測試系統測得。

4.2. 懸置安裝位置測量

由于產品已經定型，各懸置安裝位置及安裝角度很難調整，相關數值直接通過現有3D數模測量得到。

5. 固有頻率及能量解耦優化計算

5.1. 懸置剛度優化

原車懸置剛度可直接測試獲得，改進前后懸置剛度見表（1）所示：

5.2. 固有頻率及解耦率優化

通過編程優化計算即可行到固有頻率及解耦率數據。改進前后固有頻率及解耦率計算結果見表（2）：

該發動機怠速轉速為650r/min，其激振頻率為21.67Hz。從上表可以算出，發動機激振頻率與系統固有頻率之比 由原車的1.68提高到2.12，同時提高了Z向的解耦率。

6. 測試結果分析

根據優化計算結果，試制了發動機置軟墊總成并裝車驗證，測試了發動機懸置支架、司機座椅、方向盤和后視鏡各向的振動，由于篇幅所限，圖2僅列出發動機部分位置Z向隔振率對比曲線。

圖2 發動機部分懸置Z向隔振率對比

根據試驗結果可以得出，發動機懸置在整個轉速范圍內隔振率都得到了很大的提升，極大提高了整車的乘坐舒適性。

7.結束語

本文對某商用車配四缸發動機懸置系統進行了優化設計，改進后使發動機隔振率在整個轉速范圍內超過80%。改進后發動機懸置軟件通過了臺架疲勞試驗及整車可靠性試驗。說明采用能量解耦法優化商用車四缸發動機懸置軟墊剛度在實際工程中是有效的。

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