汽車冷凝器-散熱器-風扇總成懸置系統的設計方法*

王 鐵，上官文瀧，劉曉昂，上官文斌

(1.沈陽理工大學汽車與交通學院，沈陽 110159；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641)

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2015028

汽車冷凝器-散熱器-風扇總成懸置系統的設計方法*

王 鐵1，上官文瀧1，劉曉昂2，上官文斌2

(1.沈陽理工大學汽車與交通學院，沈陽 110159；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641)

論述了汽車冷凝器-散熱器-風扇總成(CRFM)懸置系統的設計要求。推導出在風扇旋轉不平衡激勵下，CRFM懸置系統中各懸置支承點動反力均方根值的計算公式。基于動力總成懸置系統位移控制的設計方法，闡述了CRFM的位移控制的設計方法。最后給出了一計算實例，結果表明利用該方法設計的CRFM懸置系統，可較好地滿足CRFM懸置系統的設計要求。

汽車； 冷凝器-散熱器-風扇；懸置系統；設計方法

前言

汽車冷凝器-散熱器-風扇總成 (condenser-radiator-fan module，CRFM)由一些橡膠減振懸置元件支撐在車身或副車架上，簡稱CRFM懸置系統。隨著汽車的輕量化設計、大功率發動機的廣泛使用和冷卻風扇的轉速與不平衡量的增加，由CRFM引起的振動對汽車NVH的影響越來越大。

目前關于CRFM懸置系統的設計要求和分析方法方面的文獻較少。文獻[1]中研究了由冷卻風扇和輪胎動不平衡導致轉向盤拍頻振動問題，提出了調整風扇轉速和控制動不平衡量的解決方案；文獻[2]中采用Taguchi法辨識各種因素對CRFM振動的影響，實驗結果表明，風扇不平衡量對CRFM垂向振動的影響最大，而風扇組件間的不良配合是導致CRFM軸向振動的主要原因；文獻[3]中研究了發動機怠速、開空調時CRFM對轉向盤振動的影響。

本文中首先論述了CRFM懸置系統的設計要求。將CRFM簡化為一個剛體，各個懸置簡化為在其3個彈性主軸方向具有剛度和阻尼的彈性元件，建立了6自由度CRFM懸置系統的數學模型，推導了在風扇不平衡力激勵下，CRFM懸置系統中各懸置支承點動反力均方根值頻響特性的計算公式。基于動力總成懸置系統的設計思想與方法[4-9]，闡述了CRFM位移控制方法。最后給出一CRFM懸置系統設計實例。

1 CRFM懸置系統的設計要求

1.1 CRFM剛體模態的設計要求

基于整車的模態分布，CRFM的6階固有頻率要滿足設定的要求，并盡可能降低各懸置支承處的動反力，以達到減少車身振動的目的。

關于CRFM的剛體模態的分布，目前有兩種常見的設計理念[10]，一是CRFM的剛體模態不與發動機的怠速激振頻率和非簧載質量的Hop/Tramp頻率重合，以免引起共振；二是將CRFM懸置系統設計成一個動力吸振器，以吸收怠速時發動機的振動，或非簧載質量的Hop/Tramp振動，因此CRFM剛體模態中的一個或者幾個接近于(或等于)發動機的怠速激振頻率或非簧載質量的Hop/Tramp頻率。

圖1為某CRFM懸置系統的各支撐點動反力的均方根限值，源于國外某汽車廠的設計要求。圖中，f1是非簧載質量的Hop/Tramp頻率，f3是轉向盤的固有頻率；f2和f4分別是主、輔冷卻風扇在各自轉速下的激振頻率；fr為各懸置支承處動反力均方根值的限值曲線。由圖可見，曲線fr的峰值定在25～28Hz間(對應4缸發動機怠速工況下2階激振頻率的范圍)，說明在該車型的CRFM懸置系統設計時，將CRFM作為一個動力吸振器，以吸收發動機的怠速振動。圖1中對各懸置支撐點動反力均方根值的設計要求，間接確定了各個懸置動剛度的限值。

1.2 CRFM的運動控制要求

汽車在不同的工況下行駛時，作用在CRFM質心處的載荷是不一樣的。為了限制CRFM的運動，應對各種極限工況下CRFM的位移加以限制，以避免CRFM與發動機艙中的其它構件發生運動干涉。在國外某汽車廠的設計要求中，給出了CRFM在各方向的極限載荷工況和對應方向上總成質心的位移限值，如表1所示。

表1 各方向的載荷工況及CRFM質心的位移限值

2 CRFM懸置支承點動反力均方根值的計算

圖2為CRFM懸置系統的力學模型。CRFM簡化為6自由度的剛體，通過左上(LU)、右上(RU)、左下(LD)和右下(RD)4個橡膠懸置支撐在車身或者副車架上。懸置簡化為沿3個彈性主軸方向具有剛度和阻尼的元件[4-5]。

汽車坐標系Ov-XYZ的原點設在汽車質心上，X軸指向汽車后方，Z軸通過質心豎直向上，Y軸由右手法則確定；CRFM的質心坐標系定義為Gc-XYZ，該坐標系的坐標軸與汽車坐標系Ov-XYZ中相應的坐標軸平行，原點Gc在CRFM的質心上，CRFM質心的位移用向量X表示，X=(x,y,z,θx,θy,θz)T，其中x、y、z分別為CRFM的質心沿X、Y、Z、軸的平動位移，而θx、θy、θz則是繞X、Y、Z軸的角位移。

風扇不平衡力作用點為Ou，該激振力等效為總成質心坐標系Gc-XYZ下的力向量UF(unbalanceforce)，UF=(UFX,UFY,UFZ)T。在懸置點i處建立局部坐標系Omi-uiviwi，其中ui、vi和wi為懸置i的3個彈性主軸方向。

CRFM的運動方程為

(1)

式中：M為質量矩陣，包含CRFM的質量、轉動慣量和慣性積；RFM為n個懸置點作用在CRFM質心處的合力；EF(externalforce,EF)為由于風扇的不平衡引起，作用在總成質心處的力和力矩[5]。

冷卻風扇由于偏心質量的存在，在旋轉過程中會產生一離心力，使CRFM受迫振動。由于風扇繞電機軸線方向旋轉(該軸線方向與CRFM質心坐標系的X方向平行)，因此僅在Y方向和Z方向上有離心力的分量。作用在CRFM上點Ou處的激振力向量UF定義為

(2)

式中：me為偏心質量；re為偏心距；ω為冷卻風扇作圓周運動的角速度。

風扇不平衡力作用于總成質心處的外力EFf和外力矩EFm為

(3)

懸置i作用于CRFM質心處的反力RFi(reactionforce,RF)與反力矩RMi(reaction moment,RM)，其計算公式為

(4)

(5)

n個懸置點作用于CRFM質心處的合力為

(6)

將式(6)代入式(1)，CRFM的運動分析方程為

(7)

式中:K為懸置系統的總剛度矩陣，其計算公式為

(8)

由式(7)可知CRFM質心位移頻響特性的計算公式為

X(f)=(-ω2M+K)-1EF(f)

(9)

在求得總成位移頻響特性后，懸置i在Gc-XYZ坐標系下動反力的頻響特性可通過式(4)求得，動反力均方根值為

(10)

3 CRFM的位移控制設計

在進行CRFM懸置系統設計時，須兼顧整車的模態分布和CRFM質心的位移控制要求。為滿足不同工況載荷下CRFM懸置系統的位移控制要求，各懸置在其3個彈性主軸方向上的剛度應為非線性的。為了計算方便，可將非線性曲線用5條線性段進行擬合，如圖3所示。這種方法已在發動機懸置系統的位移控制設計中得到了廣泛應用[4]。

由于橡膠懸置的動剛度在低頻范圍內變化不大[11-12]，其動剛度取值為靜剛度(力-位移非線性曲線中線性段的剛度k3)的1.2倍。參照動力總成懸置系統固有頻率的計算方法[13]，根據確定的CRFM的剛體模態，可以設計出CRFM懸置系統中各個懸置在線性段的動剛度。由其動靜比，可以確定各懸置在線性段的靜剛度值k3。

在懸置系統的位移控制設計中，須建立CRFM質心位移的分析方程，由于剛度矩陣中各個元素的值與作用在懸置上載荷的大小有關，因此在計算總成質心位移時要用到迭代算法。通過計算，可以求出CRFM的質心位移和各懸置在其慣性主軸方向的位移。根據位移控制要求，調整圖3中非線性段的剛度值(k1、k2、k4和k5)和拐點坐標(P1、P2、P4和P5)，使CRFM的質心在各種工況下的位移均滿足設定的限值。詳細的計算過程可參考文獻[4]。

4 計算實例

4.1 CRFM懸置系統基本參數

CRFM的質量為10kg，在總成質心坐標系Gc-XYZ下的慣性參數見表2。冷卻風扇的偏心質量為8g，偏心距為1mm，總成質心、風扇不平衡力作用點以及各懸置安裝點在汽車坐標系中的位置見表3。

表2 CRFM在質心坐標系下的慣性參數 kg·m2

表3 總成質心、力作用點及各懸置安裝點在汽車坐標系中的坐標 mm

4.2 計算結果與分析

各懸置的安裝位置已由汽車主機廠提供，因此只須設計懸置的3向剛度。考慮到懸置的生產成本、元件的互換性和CRFM質量輕的特點，各懸置在設計時盡量相同。為避免懸置在w方向的預位移過大而產生疲勞問題，該方向的靜剛度宜取較大值，而其它兩個方向的靜剛度可以小一些。根據圖1給出的設計要求，將CRFM在Z方向的頻率設計在25～28Hz的范圍內，由此得到的懸置靜剛度見表4。

表4 懸置在局部坐標系下的靜剛度 N/mm

表5 CRFM在各方向的振動頻率 Hz

圖4為各懸置處動反力均方根頻響特性曲線。由圖4可見，各頻響曲線的最大峰值出現在26Hz附近(與垂直方向的振動頻率相對應)，在怠速工況下CRFM懸置系統有很好的衰減振動的能力。

由于懸置還要起到支承和限位的作用，各方向的剛度值不應過小，這就不可避免地造成懸置動反力均方根值在部分頻段略超過限值要求。但是，峰值處的最大值滿足設計要求，這是最重要的。由圖4可見，在冷卻風扇的整個激振頻率范圍內，懸置的動反力均方根值限制在一個較低的水平，基本滿足CRFM各個懸置支撐點動反力的設計要求。

根據表1所示的各載荷工況下CRFM的質心位移控制要求和文獻[4]所述的設計計算方法，對CRFM懸置系統中各懸置的非線性段剛度值和拐點坐標進行了設計。針對優化后的CRFM懸置系統，計算出各極限工況下總成的位移如表6所示。結果表明，此四點懸置系統采用同樣剛度的懸置進行布置，可以很好地控制CRFM的運動，達到各極限工況下的位移限值要求。圖5為最終設計的懸置在其彈性主軸方向的力-位移非線性特性曲線。

表6 各極限工況下CRFM質心的位移及限值 mm

5 結論

本文中提出了CRFM懸置系統的設計要求；給出了在風扇不平衡力作用下，支承點動反力均方根值和總成質心位移頻響特性的計算公式；闡述了CRFM懸置系統的位移控制設計方法；以一CRFM懸置系統(四點懸置)為設計實例，給出了CRFM剛體的各階固有頻率的計算結果，計算了在風扇不平衡力激勵下各懸置動反力均方根頻響特性曲線，根據各載荷工況下總成的質心位移控制的要求，設計了懸置在3個方向的力-位移非線性特性曲線。文中對CRFM懸置系統的設計要求和設計計算方法，可以用于CRFM懸置系統的前期設計。

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Design Methods of the Mounting System for Condenser-radiator-fan Module in a Vehicle

Wang Tie1, Shangguan Wenlong1, Liu Xiao’ang2& Shangguan Wenbin2

1.SchoolofVehicleandTraffic,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641

The design requirements for the mounting system of a condenser-radiator-fan module (CRFM) in a car are expounded and the calculation formulae for the root mean square of dynamic reaction forces in each mounting point of CRFM under the excitation of the unbalance force in cooling fan are derived.The design technique for the displacement control of CRFM mounts is discussed based on the design method of powertrain mounting system.Finally a calculation example is given with a result showing that CRFM mounting system designed with the method proposed can well meet the design requirements of CRFM mounting system.

vehicles; condenser-radiator-fan module; mounting system; design method

*廣東省汽車工程重點實驗室開放基金(20120103)資助。

原稿收到日期為2013年5月8日，修改稿收到日期為2013年7月22日。