基于NVH的汽車發動機懸置系統優化設計

周斌（西昌學院汽車與電子工程學院，西昌615013）

【設計與計算】

基于NVH的汽車發動機懸置系統優化設計

周斌
（西昌學院汽車與電子工程學院，西昌615013）

對國內某款汽車發動機的橡膠懸置進行了試驗研究，發現原型機的橡膠懸置具有較大的傳遞率，不利于能量的衰減。針對這種情況，重新設計了新的橡膠懸置，對新設計的橡膠懸置進行了三維數值分析，結果顯示新的懸置在結構和力學性能方面都較好地滿足了發動機的需求。對新設計的橡膠懸置和原懸置進行了對比試驗，試驗結果表明，新設計的懸置具有較低的傳遞率，且傳遞率隨轉速的變化較平坦，有利于提高舒適性。

發動機 橡膠懸置 傳遞率 設計 試驗

1　概述

良好的發動機懸置對降低發動機振動幅度，減少噪音，提高整車乘坐舒適性都起著重要作用［1］。目前，國內在發動機懸置系統設計方面還與國外存在較大差距，大多數企業在進行發動機懸置系統設計時，出于技術和成本的考慮，都是采用類比設計的方法，還沒有形成全面、系統的獨立自主的開發程序。因此，對懸置系統的研究具有現實意義［2］。

2　原懸置系統的試驗研究

汽車發動機的懸置系統一般采用三點式和四點式懸置系統，而由于橡膠懸置具有獨特的低成本、易維護的特性，在國內得到了廣泛的應用［3］。本文所研究的懸置就是采用三點式橡膠懸置。

2.1試驗方法

在原發動機的左、右、后三個懸置的上下位置各布置一個加速度傳感器，共6個加速度傳感器，可以測試18個振動方向。將發動機轉速按由怠速到最高轉速等分為10等分，用數據采集儀采集發動機在不同轉速工況下各懸置上、下點的垂直振動加速度信號，所得數據經計算機分析處理后得出加速度均方根值并繪制成圖表曲線。圖1為原發動機試驗的橡膠懸置，圖2為測試現場傳感器安裝位置。

在本次試驗中，各測點振動能量的大小以加速度均方根值表示，各懸置的振動能量傳遞率以懸置下方測點加速度均方根值除以懸置上方測點加速度均方根值來表示，即：振動能量傳遞率=下測點加速度均方根值/上測點加速度均方根值［5］，將各種工況下的振動傳遞率繪制成對比圖表，進行分析，得出結論［4］。

圖1　原發動機的橡膠懸置

圖2　原車發動機橡膠懸置測試現場傳感器位置

2.2試驗結果分析

在各種工況下，分別測量懸置上方和下方測點的振動信號，經計算機處理后，得出各工況下加速度頻響特性，如圖3～圖6所示。

分析上面的頻響特性圖，可以得到如下結論：

（1）在低頻范圍內，該懸置的能量衰減率較差，只能達到大約五倍的衰減，而根據國外同類先進數據表明，橡膠懸置對發動機的各類工況應達到平均十倍左右的衰減。

（2）各個工況下，該懸置對二階頻率振動的隔振效果都較差。

（3）從測試數據看，采用懸置隔振之后，在車架上測得的加速度響應仍然較大，大大影響了整車的乘坐舒適性［6］。

圖3　怠速時懸置上方加速度頻響特性

圖4　怠速時懸置下方加速度頻響特性

圖5　4 000 r/m in懸置上方加速度頻響特性

圖6　4 000 r/m in懸置下方加速度頻響特性

（4）從測試數據分析可以看出，在頻率為300 Hz左右時，加速度響應有峰值出現，估計為懸置系統出現共振所致。

3　發動機懸置系統的改進設計

3.1橡膠懸置結構設計

橡膠懸置的結構和工作原理較為簡單，它一般由金屬骨架以及硫化到金屬骨架上的橡膠組成。金屬骨架的作用主要是防止橡膠懸置發生過大的變形，以及作為懸置的連接部分，橡膠則提供內摩擦阻尼來衰減振動［4］。

針對以上分析原機橡膠懸置的不足，對橡膠懸置的結構進行了重新設計，三維數模和實物圖如圖7～圖8所示。同時，為了避免懸置系統出現共振現象，設計采用了硬度相對較低的48號硬度橡膠，可以改善整車怠速舒適性。

圖7　發動機懸置三維數模

3.2橡膠懸置的仿真計算

為模擬汽車實際運行時橡膠懸置的受力情況，對其施加相應頻率的振動力矩，采用CFD數值分析軟件Ansys對新設計的橡膠懸置進行數值分析，分析結果如圖9～圖14所示。

從仿真分析的結果可以看出，新設計的橡膠懸置的結構形狀和力學性能滿足發動機與整車匹配的要求，同時該懸置的力學性能在發動機的理想范圍之內。

圖8　新設計的橡膠懸置實物

圖9　右懸置在3 00Hz頻率正弦力作用下的響應云圖

圖10　右懸置的一階響應模態振型

圖11　右懸置一階頻率響應速度矢量圖

圖12　左懸置的受力分布云圖

圖13　左懸置一階頻率響應速度矢量圖

圖14　左懸置受單點正弦力響應云圖分布

4　改進前后發動機懸置試驗結果對比

采用相同的方法對改進后的發動機懸置在各個轉速區間內的加速度頻響特性進行測試，并換算為傳遞率曲線，并與改進前的傳遞率曲線進行對比，結果如圖15～圖17所示。

從試驗結果看出，改進設計之后，各個懸置的傳遞率都有較大程度的降低，且曲線變化較為平緩，這有利于提高整車的乘坐舒適性。

圖15　左懸置傳遞率曲線對比

圖16　右懸置傳遞率曲線對比

圖17　后懸置傳遞率曲線對比

5　結論

（1）對原機的橡膠懸置進行了試驗研究，結果顯示原橡膠懸置具有較大的傳遞率，不利于能量的衰減，對改善車輛舒適性不利。同時，發現原機在頻率為300 Hz左右時發生共振現象，會使得汽車在怠速時振動較大。

（2）針對原橡膠懸置的不足之處，重新設計了新的懸置結構，且采用了硬度較低的48號硬度橡膠。對新設計的橡膠懸置進行了三維數值模擬，結果顯示新設計的橡膠懸置結構和力學性能都較好地滿足汽車發動機的要求。

（3）對新設計的橡膠懸置進行了裝車試驗，并與原機試驗結果進行了對比。試驗結果表明，改進后的橡膠懸置較大地降低了能量傳遞率，且傳遞率隨轉速的變化較為平坦，有利于提高整車的乘坐舒適性。

［1］何渝生，魏克嚴，洪宗林.汽車振動學［M］.北京：人民交通出版社，1990.

［2］嚴濟寬.機械振動隔離技術［M］.上海：上海科學技術出版社，1986.

［3］喻惠然.發動機隔振的研究［J］.汽車技術，1992（9）：25-28.

［4］熊偉.發動機懸置隔振性能及優化研究［D］.重慶大學，2003.

［5］鄧兆祥，梁錫昌，何渝生.粘性阻尼振動系統的復模態攝動分析及應用［J］.重慶大學學報（自然科學版），1997，20（2）：1-5.

［6］AdigunaH，Tiwari M，Singh R，etal.Transient Response of aHydraulic Engine Mount［J］，Journal of Sound and Vibration，2003，268（2）：217-248.

［7］Gau S，Cotton J.Experimental Study and Modeling of Hydraulic Mountand Engine System［C］.SAE 951348.

Optimization Design ofEngine Suspension System BaseOn NVH

Zhou Bin
（School of Agricultural Sciences of Xichang College，Xichang，615013，China）

This paper study the original prototype engine rubber suspensions which has high transmission rate，notconducive to energy attenuation.In view of thissituation，redesigned of thenew rubber suspension，the new rubber suspension was studied by 3D numerical analysis，the results show，the new suspension on the structure and mechanical properties can meet the needs of the engine.The new suspension and the original suspension have been contrasted test，the results show，the new suspension has the low transmission rate，and transmission rate increaseswith the speed change relatively flat，advantage improve the comfortof the car.

engine，rubber suspensions，transm ission rate，design，test

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.001

來稿日期：2015-11-09

周斌（1981-），男，碩士，主要研究方向為內燃機新型燃料、發動機設計。