基于有限元的發動機懸置系統傳遞力仿真分析研究

王楷焱 王靈犀 任曉雪

摘 ?要：發動機懸置系統是汽車NVH性能重要的組成零部件，懸置系統的隔振性能通過懸置傳遞力的大小可以更好地進行評價，因此懸置傳遞力的獲取，成為了能否實現該評價方法的重要環節。本文對懸置測力傳感器的布置位置進行了分析，通過有限元軟件建立了懸置元件的有限元模型，對比分析了懸置螺栓應變與懸置激勵的關系，驗證了在該位置布置傳感器的有效性。

關鍵詞：發動機懸置 ?隔振 ?懸置力 ?有限元分析

中圖分類號：U464.13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0080-03

Simulation Analysis of Transmission Force of Engine Mounting System Based on Finite Element Method

Wang Kaiyan1 ?Wang Lingxi1 ?Ren Xiaoxue2

（1.Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 110159 China;2. Liaoning Provincial College of Communications， Shenyang， Liaoning Province， 110122 ?china）

Abstract： Engine mount system is an important component of automobile NVH performance. The vibration isolation performance of engine mount system can be evaluated by the size of mount force. Therefore， the acquisition of mount force is an important part of the evaluation method. In this paper， the layout of the mounting force sensor is analyzed， and the finite element model of the mounting element is established. The effectiveness of the method is verified by analyzing the relationship between the strain of the mounting bolt and the excitation.

Key words： Engine mount system;Vibration isolation;Mounting force;Finite element analysis

隨著汽車行業的高速發展，無論是客戶還是汽車企業對整車的性能要求不斷提高，汽車NVH（Noise， vibration and Harshness）性能作為汽車高品質的代表，自然受到了更多的關注。發動機即是傳統汽車的主要動力源，也是汽車的主要振動噪聲源，因此如何有效地對發動機振動噪聲進行控制會直接影響到整車NVH性能的好壞[1]。目前，發動機振動噪聲性能的控制，主要通過發動機懸置系統隔振來實現，即發動機懸置系統隔振性能的優劣，決定了整車的NVH性能[2]。

對于發動機懸置系統隔振性能的優劣評價，普遍采用的是通過懸置加速度的方法，即測試懸前和懸后的振動加速度，然后用振動加速度的比值進行振動的衡量，這種方法的好處是方便易行，缺點是某些工況下會受到較強烈的干擾，尤其對于新能源汽車[3]。另外一種方法則是通過懸置傳遞力的大小來衡量懸置系統隔振性能，該方法的優點是測試結果受外界干擾小，評價指標穩定，但是缺點是測試比較困難[4]。本文探索了一種基于電阻應變片方法的發動機懸置力測試方法研究，為懸置傳遞力的測試提供了一個新的途徑。

1 ?測試方法分析

本文所涉及的樣車的發動機懸置系統采用四點式布置，右懸置布置在動力總成的發動機側，左懸置布置在變速器側，前懸置布置在變速器前端，后懸置布置在變速器后端，如圖1所示。左、右兩懸置主要承受發動機的垂直載荷及垂向振動，而前后兩懸置主要起到抑制動力總成的俯仰及水平運動的作用。

當動力總成工作時，發動機以及變速器產生的慣性力、慣性力矩、傾覆力及力矩等均通過懸置支架（動力總成側）—懸置元件主體—懸置支架（車身/副車架側）這一路徑傳遞到車身或副車架，因此測量動力總成傳遞給車身或副車架的力，必須考慮在該傳遞路徑中選取合適部位布置傳感器。由于懸置支架與發動機或車身的連接點一般有多個，難以在此位置布置傳感器，因此選擇將傳感器布置在懸置元件上，這樣可以避免測試結果的差異，以提高測試結果的準確性。

樣車采用的懸置元件為橡膠件，懸置元件結構主要包括懸置支架、膠體、膠芯鋼套及螺栓組成。在懸置元件的主要結構之中，懸置膠體部分由于變形量較大而且不規則，不適合布置傳感器。懸置支架由于體積較大，同時與發動機及車身連接點較多，不容易測得準確的傳遞力大小。懸置中心的螺栓是懸置力傳遞的必經途徑，而且體積較小，結構單一，容易獲取較為準確的懸置力大小，因此，選擇在連接螺栓上布置測力傳感器，如應變片或壓力傳感器，測試懸置力的大小。

2 ?懸置元件有限元分析

為了能夠驗證在螺栓上布置傳感器方案的有效性，本文在ANSYS中建立了懸置元件的有限元模型，通過在懸置支架施加載荷的方式，模擬懸置元件受力過程，驗證方案的有效性。

2.1 網格劃分

首先將懸置元件三維模型導入，進行前期處理。通過幾何清理、網格劃分、網格檢查等主要步驟[5]，將支架、膠體、螺栓、膠芯鋼套等主要部件進行網格劃分。之后將網格文件導入ANSYS中，如圖2所示。懸置有限元模型中共有38156個單元。

2.2 材料設置

模型中懸置支架、螺栓、膠芯缸套等材料均為鋼制材料。除螺栓采用45號鋼材料外（材料參數見表1），其余部分材料為結構鋼材料（材料參數見表2）。

懸置元件的膠體部分主要為橡膠材料，橡膠材料具有超彈性非線性材料，在軟件中提供了以下幾種本構特性擬合方法，包括：Neo-Hooke模型、Ogden模型和Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型等。本文根據橡膠元件結構特點，采用Mooney-Rivlin模型對橡膠材料本構特性進行擬合，具體參數值見表3。

2.3 邊界接觸定義

根據懸置元件的工作原理，需要對懸置元件總成中相互接觸的零部件進行邊界接觸的設置，包括：懸置元件主膠體和限位塊，螺栓和懸置支架交界部分、膠體與懸置支架及鋼套。

懸置主膠體和限位塊僅在極限情況下才會接觸，屬于間歇性接觸，在接觸過程中不發生相互侵入，因此通過接觸中設置的Rough方式定義。螺栓和懸置主要靠螺栓的預緊力將螺栓、墊片、懸置支架固定為一體。在懸置工作過程中，各部件間保持相對位置不變，因此通過Bonded將以上幾個部分進行約束。懸置的膠體與懸置支架鋼套之間通過硫化過程成為一個整體，邊界部分沒有相對位移，因此對于膠體與懸置支架和鋼套之間也采用Bonded進行約束。

2.4 施加載荷

根據發動機懸置元件的工作特性，在模型過程中對懸置施加位移激勵，能夠在保證模型收斂性的前提下，更有效模的對懸置受力變形進行模擬。在模型中位移載荷施加位置定義在發動機側懸置支架上，方向沿膠體主簧垂直方向（Z向）。位移激勵采用正弦波的形式，頻率與發動機怠速時2階激勵振動頻率相同[6]。由于基礎車怠速轉速為800轉/min，根據發動機激勵頻率計算公式：

式中，n—發動機轉速;i—發動機氣缸數;τ—沖程數，四缸機為2;v—發動機振動階次。

基礎車發動機為四沖程四缸機，主要激勵頻率為2階次，因此計算得到發動機怠速時主激勵頻率為26.7Hz。

2.5 懸置元件仿真分析

對模型進行仿真分析，如圖4、圖5圖所示，懸置螺栓中部應變曲線。加載曲線和應變曲線變化規律一致，均為正弦波，說明懸置螺栓應變與懸置位移變化存在較為固定的比例關系，證明可以通過測量螺栓中部應變方法分析懸置系統位移。橡膠懸置元件剛度在撞擊限位塊前基本呈線性狀態，因此可以通過測量懸置應變分析懸置系統受力。

3 ?結論

（1）通過分析確定了動力總成懸置系統測力時，傳感器布置位置為懸置螺栓中部為較為合適的位置。

（2）通過有限元軟件，建立的動力總成懸置元件模型，在模型支架上添加位移激勵，獲得了懸置螺栓中部的位移響應。結果表明，懸置螺栓的應變大小和懸置激勵成正比例關系，因此可以采用在懸置螺栓中部布置應變片的方法獲取懸置傳遞力。

參考文獻

[1] 蘇新.基于傳遞路徑分析的汽車加速行駛噪聲研究[D].長春：吉林大學，2020.

[2] 曾發林，胡楓.基于聲品質貢獻因子的發動機懸置優化[J].汽車工程，2020，42（5）：628-635，643.

[3] 高東陽.考慮幅頻特性的懸置特性分析及懸置系統隔振研究[D].合肥：合肥工業大學，2019.

[4] 楊建國，鄧小強，胡浩炬，等.基于慣性力的動力總成懸置載荷譜解算方法研究[J].農業裝備與車輛工程，2020，58（6）：70-75.

[5] 張彥斌，周宏濤，賀新峰.基于CAE技術的發動機懸置軟墊設計[J].客車技術與研究，2017，39（4）：37-39.

[6] 王田修，王晨光，楊潔丹，等.汽車發動機懸置安裝點最佳位置的優化研究[J].振動與沖擊，2019，38（10）：215-220.