普通乘用汽車(chē)橡膠懸置系統(tǒng)布置研究

李中元

【摘 要】發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器即汽車(chē)動(dòng)力總成是車(chē)輛振動(dòng)的主要來(lái)源，合理地設(shè)計(jì)布置懸置的安裝位置可以有效地降低車(chē)輛振動(dòng)，提高汽車(chē)的乘坐舒適性。本文選取橡膠懸置系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析橡膠懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、布置個(gè)數(shù)、布置形式等參數(shù)對(duì)汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的影響，對(duì)懸置布置進(jìn)行研究與總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】橡膠懸置;懸置布置;懸置個(gè)數(shù);

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)制造開(kāi)始由數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)變不斷地適應(yīng)消費(fèi)者的需求。汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率也大幅提高，由此也產(chǎn)生了更大的噪音和振動(dòng)，汽車(chē)的舒適性對(duì)購(gòu)車(chē)者來(lái)說(shuō)就顯得尤為重要了。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，不但可以減少和阻隔振動(dòng)及噪音的傳遞，還能在一定程度上對(duì)動(dòng)力總成起到保護(hù)作用，使車(chē)輛擁有更長(zhǎng)的使用壽命，降低車(chē)主在動(dòng)力總成上的維修保養(yǎng)費(fèi)用。

1.橡膠懸置結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

橡膠懸置元件是最早應(yīng)用于汽車(chē)上的一種懸置元件，也是當(dāng)今汽車(chē)上使用最廣泛的懸置。人們將硫化橡膠塊安裝到金屬懸置支架內(nèi)就組成了橡膠懸置。當(dāng)橡膠懸置元件受到外力作用時(shí)，橡膠材料的粘彈性使橡膠材料會(huì)發(fā)生變形滯后。橡膠在受振過(guò)程中發(fā)生遲滯回彈，一部分機(jī)械能由于橡膠分子之間的內(nèi)部摩擦轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生阻尼起到減振作用。橡膠懸置是利用橡膠體的壓縮、拉伸與剪切變形來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的吸收消耗來(lái)達(dá)到隔振目的。

橡膠懸置的分類(lèi)方式有很多種，根據(jù)橡膠懸置結(jié)構(gòu)形式可以分為襯套型橡膠懸置、方形橡膠懸置以及楔形橡膠懸置。

襯套型橡膠懸置的橡膠元件安裝在內(nèi)外兩個(gè)圓筒形金屬外管和內(nèi)芯之間，橡膠元件承受壓力或剪力，或者同時(shí)承受壓力和剪力。襯套型橡膠懸置按主簧的形狀還可以分為八字形，一字形及X形，如圖1所示。為適應(yīng)不同的整車(chē)要求，每種類(lèi)型的襯套型懸置三向剛度比例不一樣。

楔形橡膠懸置的硫化橡膠元件安裝在金屬兩側(cè)，主要用于承受剪切力，常用作前置后驅(qū)車(chē)輛的變速器懸置。方形橡膠懸置被成對(duì)安裝于前置后驅(qū)車(chē)輛的V型懸置的左右懸置上。

如圖2所示我們根據(jù)承載方式的不同又可以將橡膠懸置分為剪切式、壓縮式和復(fù)合式。這三類(lèi)橡膠懸置的彈性特性及使用場(chǎng)合見(jiàn)表1。

由于橡膠懸置的動(dòng)剛度、阻尼損失角分別與頻率大致呈線(xiàn)性關(guān)系，使得懸置設(shè)計(jì)時(shí)剛度和阻尼只能同時(shí)增大或減小[1]。小剛度、阻尼的懸置不適合承受低頻沖擊，可用于高頻的隔振。大剛度、阻尼的懸置承受大于200hz的高頻沖擊時(shí)極易發(fā)生動(dòng)態(tài)硬化現(xiàn)象只適合用于低頻的隔振。

因此我們?cè)谙鹉z懸置設(shè)計(jì)時(shí)為了滿(mǎn)足承載和減振的要求，要同時(shí)考慮橡膠懸置的剛度及頻率。為了滿(mǎn)足這兩種要求可以通過(guò)設(shè)計(jì)橡膠元件的結(jié)構(gòu)或調(diào)整橡膠的性能，來(lái)改變懸置各個(gè)方向上的剛度及阻尼，使橡膠懸置具有多維空間剛度和阻尼。

2.懸置的布置個(gè)數(shù)

動(dòng)力總成的懸置元件、懸置支架、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等一起構(gòu)成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。橡膠懸置將動(dòng)力總成彈性連接在車(chē)架上，將來(lái)自地面、動(dòng)力總成的振動(dòng)有效隔離和衰減[2]。動(dòng)力總成的振動(dòng)特性會(huì)因?yàn)閼抑脗€(gè)數(shù)、懸置點(diǎn)的位置及安裝角度的不同發(fā)生很大的差異。因此對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)振動(dòng)特性發(fā)生影響的關(guān)鍵因素是懸置的布置方式。

懸置系統(tǒng)中懸置的個(gè)數(shù)多少往往取決于動(dòng)力總成振幅的大小，可以設(shè)置成三點(diǎn)、四點(diǎn)、五點(diǎn)式等。大幅度的振動(dòng)需要較少的懸置個(gè)數(shù)。振動(dòng)幅度逐漸變大的情況下懸置個(gè)數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致懸置的支撐件容易發(fā)生變形位移，使各懸置點(diǎn)之間的附加受力增大，長(zhǎng)期處在這種情況下會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器或懸置元件本身。所以懸置在起到支撐作用的條件下，其布置的數(shù)目要盡可能的少[3]。

（1）三點(diǎn)式懸置布置

三點(diǎn)式懸置具備零件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、體積小等特點(diǎn)。該布置方式的固有頻率較低、發(fā)生安裝過(guò)定位的可能性小，抵抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能力強(qiáng)。常用于中、小型轎車(chē)上。三點(diǎn)式懸置常見(jiàn)的排布形式：前部左右兩個(gè)懸置采用斜置式布置，后懸置位置由動(dòng)力總成的主慣性軸進(jìn)行布置。這種形式存在較差的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性，單個(gè)懸置承受較大載荷的缺點(diǎn)，常被用在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的小型車(chē)輛上。

（2）四點(diǎn)式懸置布置

四點(diǎn)支撐的懸置系統(tǒng)有定位穩(wěn)定可靠，抗扭轉(zhuǎn)反作用力大的優(yōu)點(diǎn)，與三點(diǎn)懸置相比，四點(diǎn)懸置優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)穩(wěn)定性好、單個(gè)懸置受載荷小，能克服動(dòng)力總成較大的扭轉(zhuǎn)反作用力。缺點(diǎn)是扭轉(zhuǎn)剛度大，低頻狀態(tài)下隔振效果比較差，懸置系統(tǒng)容易發(fā)生定位干涉，對(duì)懸置零件加工精度有較高要求。所以四點(diǎn)式懸置多用于裝有四、六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的大中型車(chē)輛。

（3）五點(diǎn)式懸置布置

五點(diǎn)式懸置布置多用于大型商用客車(chē)上，是指在典型的四點(diǎn)支承的基礎(chǔ)上，在變速器上加輔助支承[4]。由于大型車(chē)輛的動(dòng)力總成長(zhǎng)度大、質(zhì)量重，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)后端面產(chǎn)生的彎矩過(guò)大，就在四點(diǎn)式懸置的基礎(chǔ)上，在變速箱上增加一個(gè)支承點(diǎn)，形成五點(diǎn)式布置。

3.懸置的布置形式

懸置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的位置擺放也非常重要，現(xiàn)在主流方法有平置式布置、匯聚式布置以及斜置式布置等。在懸置布置時(shí)如果任意布置懸置會(huì)導(dǎo)致懸置零件間各向剛度發(fā)生互相耦合，所以汽車(chē)工程中懸置的布置形式往往都有其一定的規(guī)律性。一般情況下我們不會(huì)將懸置人為地設(shè)置成不對(duì)稱(chēng)形式。按照車(chē)輛參考坐標(biāo)系與橡膠懸置彈性元件剛度軸的相對(duì)位置關(guān)系，其布置形式可以分成三種：

（1）平置式布置

平置式布置是最傳統(tǒng)的一種布置形式，具有布局簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，方便裝配，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。如圖4（a）所示在這種布置方式中，懸置系統(tǒng)Oxyz坐標(biāo)系中x軸、y軸、z軸分別與單個(gè)懸置u、v、w三個(gè)相互垂直的剛度軸相平行。由于懸置的每個(gè)彈性主軸都與動(dòng)力總成重心的每個(gè)坐標(biāo)軸方向平行，所以沿著任一軸方向上的線(xiàn)位移在其他兩個(gè)彈性方向上不會(huì)產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，同理繞任一軸回轉(zhuǎn)的角位移也在平行于此軸的彈性方向上不產(chǎn)生恢復(fù)力。

（2）斜置式布置

斜置式是當(dāng)前在車(chē)輛上使用最多的一種布置方式，其布置形式是系統(tǒng)坐標(biāo)系的x軸平行于單個(gè)懸置彈性主軸u軸，而系統(tǒng)坐標(biāo)系中y、z軸分別與單個(gè)懸置彈性主軸v和w軸存在夾角關(guān)系。如圖4（b）所示斜置式懸置安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成剖面的兩側(cè)成對(duì)稱(chēng)布置，懸置之間的夾角和坐標(biāo)位置也可以任意布置。斜置式布置模式同時(shí)兼顧較大的橫向剛度和足夠的柔軟度可以提升減振水平，起到衰減振動(dòng)的良好效果，被廣泛地使用在汽車(chē)上。

（3）會(huì)聚式布置

會(huì)聚式布置是目前在汽車(chē)上比較少使用的一種總成布置方式。如圖5所示這種布置形式的最大特點(diǎn)是將每個(gè)彈性懸置的主剛度軸都會(huì)聚到一個(gè)點(diǎn)上。這樣懸置系統(tǒng)在獲得較大穩(wěn)定性的同時(shí)還使系統(tǒng)的傾斜角度也易于調(diào)節(jié)，系統(tǒng)振動(dòng)的變化形態(tài)也可以由懸置坐標(biāo)的建立來(lái)確定[5]。匯聚式布置在實(shí)際操作中使用較困難，容易受到空間的限制。所以在平置式和斜置式兩種布置模式能夠勝任的情況下并不為汽車(chē)主機(jī)廠所廣泛使用。

4.結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)懸置系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，橡膠懸置因其價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變形量大、維護(hù)方便且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，被汽車(chē)主機(jī)廠廣泛應(yīng)用在中低檔轎車(chē)上。本文針對(duì)橡膠懸置元件結(jié)構(gòu)類(lèi)型、布置個(gè)數(shù)、位置形式等方面進(jìn)行比較分析研究。設(shè)計(jì)懸置布置個(gè)數(shù)時(shí)，要考慮懸置的安裝方便性及車(chē)輛的支撐平衡。選擇懸置的安裝位置及形式時(shí)，要考慮是否利于懸置系統(tǒng)的彈性支撐及系統(tǒng)解耦。在汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)上述因素要進(jìn)行綜合考慮分析，通過(guò)對(duì)懸置的合理布置、參數(shù)優(yōu)化來(lái)提高車(chē)輛的減振降噪水準(zhǔn)。一個(gè)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否，往往影響懸置的工作性能，還會(huì)對(duì)車(chē)輛的乘坐舒適性及NVH性能有著很大的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡杰宏.動(dòng)力總成液壓懸置仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)

[2]沈穎剛，楊文釗，郭鵬，何振鵬，張俊紅.汽車(chē)懸置系統(tǒng)研究綜述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2015，31（06）：131-139.

[3]吳博.基于隔振理論的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)及優(yōu)化研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2017.

[4]時(shí)培成.汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)隔振分析與優(yōu)化研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[5]王昊.某微型車(chē)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2016.

（作者單位：上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）