發動機懸置系統優化設計與分析

趙金剛 李正華 張彥偉 王國增 朱錫慶

摘 ?要：本文基于某國產車三缸機懸置系統開發，通過前期調研分析與方案論證，合理布置懸置的安裝位置和系統夾角，分析懸置設計參數、剛度和模態，確保懸置系統具有較高振動解耦程度，同時通過強度計算分析確保懸置結構可靠性，經過一系列優化設計，使得滿足某車型開發要求。

關鍵詞：三缸發動機;懸置系統;開發設計

中圖分類號：U469.79 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2022）01-0026-09

Engine Mounting System Optimization Design And Analysis

ZHAO Jin-gang，LI Zheng-hua，ZHANG Yan-wei，WANG Guo-zeng，ZHU Xi-qing

（Haima Automobile Co.，Ltd， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： Based on development of the mounting system of a domestic tree-cylinder engine，through preliminary investigation，analysis and scheme demonstration，the mounting position and system angle are reasonably arranged，and the design parameters，stiffness and mode of the mounting are analyzed to ensure that the mounting system has a high degree of vibration decoupling，and the mounting structure is reliable through strength analysis.Through a series of optimization design， it can meet the development requirement of vehicle .

Key ?Words： Tree-Cylinder Engine; Mounting System; Development&Design

為響應低碳低排放的要求，三缸小排量發動機近年來得到廣泛應用。而發動機作為汽車上的一個主要振源，其懸置系統設計的優劣直接對整車的振動噪聲產生重要的影響[1]。由于三缸發動機轉速波動大且慣性力矩不平衡，導致發動機產生的振動比較大，同時三缸機的激勵頻率比較低懸置系統解耦避頻困難。一般需要在三缸發動機上增加平衡機構，減少發動機產生的不平衡力和力矩。常見的一些三缸機平衡策略和激勵形式，見表1：

本文基于HMGA模塊化平臺，通過前期充分調研論證，調整懸置布置位置和布置角度，優化懸置數據設計參數，合理設計剛度并分析模態，使得懸置系統具有較高的振動解耦程度，通過進一步分析結構強度以驗證設計合理性，既提高了整車乘坐舒適性又保證了零部件可靠性，為整車后續開發提供了保障。

1 ? ?基本參數

該車型采用橫置直列三缸發動機，平衡策略0%Roll，100%Yaw，懸置系統采用3點式布置方案，其中右懸置為液壓懸置[2]，可實現低頻大剛度大阻尼和高頻小剛度小阻尼[3]，后懸置為抗扭拉桿式，設計簡單且實用。動力總成的質量主要由左、右懸置承擔，扭桿式后懸置靜載時理論不承擔載荷或者承擔很小的載荷。

2 ? ?懸置布置位置的選擇

懸置最佳布置位置是通過動力總成的扭矩軸TRA來確定的，調整懸置的位置對剛度矩陣及系統的解耦率影響最大，如果左右懸置各自的彈性中心落在動力總成的扭矩軸TRA上，則系統夾角與其它廣義坐標之間是解耦的。但是在工程實際中，動力總成扭矩軸的空間位置往往難以精確確定，系統懸置的位置又受到整車及動力總成結構布置的限制，以及懸置橡膠體本身性能的制約。這些因素使得系統左右懸置的彈性中心往往難以準確地落在扭矩軸上。

本文根據動力總成質量慣性參數，采用Powertrain _TRA_Compute程序計算動力總成扭矩軸TRA在空間的位置，左右懸置位置在設計過程中，充分考慮車身安裝點的通用性及前機艙空間布局，左右懸置在X向可調整的空間非常有限，調整前坐標如表3所示。前期經過多輪數據設計與反復論證，正如圖1所示，如果要使左懸置彈性中心落在TRA軸上，左懸置的彈性中心坐標需要往Y+向平移15mm，X-向平移2mm時，但是當使用第4安裝點（第四安裝點法蘭面是φ25mm，支架壁厚為5mm）時，將使圖1中的A面超出圖2中的B面，影響懸置各向限位，將使懸置不能正常工作。而當左懸置的彈性中心坐標往Y+向平移15mm，X-向平移13mm時，如圖2所示，雖然左右懸置彈性中心無法落在TRA軸上，但是左右懸置彈性中心連線與TRA軸的夾角在整車俯視圖（XY平面）僅有0.622°，如圖3、圖4所示。并且可使圖1中的A面不超出圖2的B面，此時左右懸置均可以正常工作。

表4為調整后懸置系統彈性中心位置坐標。在發動機懸置側，X方向上與TRA距離為1mm，表明發動機側比較理想;變速器懸置側，X方向上與TRA距離為11mm，滿足設計要求，且在Y方向上向發動機側靠攏，減小了1階甩動的力臂，對1階車身響應更有利;與理論位置Z向相比，在Z方向坐標增大，提升扭矩跨度;以上符合3點式懸置布置原則，也是理論上最佳布置位置。

3 ? ?懸置限位參數優化

在懸置系統匹配計算中，需要預測發動機動力總成一些關鍵位置點在極限工況下的最大位移量，確定其振動的邊界位置，如當發動機起動、關車時和汽車加速、換擋、轉彎、減速、制動等瞬間工況以及受到各種干擾力（如路面顛簸）的情況下[4]，懸置應能有效地限制動力總成的最大位移，以避免動力總成與相鄰零件發生干涉或碰撞。

合理的懸置系統非線性剛度設計需要在良好隔振和動力總成位移控制兩個方面取得平衡。

如表5所示，在設計數據時，根據計算最大變形量以及經驗預判對懸置數據關鍵限位點做進一步優化。 發動機懸置Y向硬限位距離偏大，由原15mm縮短至10mm，其它間隙不變或微調;變速箱懸置倒檔total travel由12.3mm增大到13mm，Y向線性段由4mm減小至3mm，Y向硬限位距離由13mm縮短至9mm，其它間隙不變或微調;后懸置倒檔方向Total travel 由10.86mm增大到15mm以改善R檔怠速抖動。

相對應的懸置非線性剛度曲線，見圖5（以右懸置X向剛度曲線展示）：

根據系統固有頻率及模態解耦計算方法，對優化后動力總成懸置系統狀態的固有頻率及模態解耦率進行計算，如表6所示，各階固有頻率間隔基本都能達到1Hz以上;Z向固有頻率能夠避開人體敏感的4-7Hz;繞曲軸的固有頻率處于發動機怠速激勵頻率的0.5倍之下，最高階固有頻率小于怠速激振頻率的0.707倍，Yaw方向固有頻率與一階激勵（根據平衡策略一階激勵為100%Yaw）間隔大于2.5HZ，各階能量解耦率都在90%以上，優化后結果滿足設計要求。

4 ? ?懸置結構靜剛度分析

本文根據設計要求值如表7所示：

在進行剛度設計時，盡可能考慮橡膠生產工藝，根據對橡膠懸置實際結構的分析，對其各個方向的剛度進行約束，確定實際零件的動靜比，提升解耦性能，使設計剛度能夠滿足橡膠的生產工藝要求，達到設計目的。

4.1 ? 右懸置靜剛度計算與分析

4.2 ? 左懸置靜剛度分析

4.3 ? 后懸置靜剛度分析

通過對設計剛度值進行理論計算與分析，其分析結果均滿足設計要求值，表明設計結構合理。

5 ? ?懸置結構模態分析

本文對懸置結構模態進行計算分析，縫焊及螺栓采用RBE2單元模擬，分析模型信息如下表11所示：

經分析，計算結果如表12所示，左懸置主動端第一階模態頻率為1247Hz，左懸置被動端第一階模態頻率為363.7Hz，右懸置主動端第一階模態頻率為1803Hz，右懸置被動端第一階模態頻率為338.8Hz，均滿足設計目標要求。

6 ? ?懸置結構強度分析

通過建立有限元模型，對懸置支架進行強度分析，旨在保證設計零部件的可靠性。工況為車身側懸置支架螺栓安裝位置約束123456自由度，28工況加載，材料信息如表13所示：

經過計算，結果如表14-20所示，鑄鋁6082對應件在各個工況下的最大應力均小于其材料屈服強度265MPa，最大主應力小于其抗拉強度285MPa，鑄鋁A380對應件在各個工況下的最大應力小于其材料屈服強度160MPa，最大主應力小于其抗拉強度320MPa，均滿足設計目標要求。

7 ? ?驗證結果

結合上述懸置設計，經實車匹配驗證，該懸置系統隔振良好，怠速懸置各方向隔振能夠大于25dB，整車達到良好的NVH狀態。

怠速下懸置被動端振動加速度頻譜和3擋全油門工況的隔振，見圖11-13（以右懸置測試情況展示）。

8 ? ?結束語

綜上所述，本文全面系統的分析了匹配三缸機懸置的前期數據設計開發，對懸置系統進行實車測試驗證，得到結論如下：

（1）結合整車空間布置以及懸置本身結構特點，確定了最佳懸置系統彈性中心位置以及與TRA軸的最佳夾角;

（2）根據發動機平衡策略，調整懸置系統的模態解耦方案，使系統模態遠離主激勵頻率;

（3）結合發動機扭矩和實車空間情況，合理設計設定懸置限位結構，并針對28種工況對懸置結構限位進行了分析驗證，動力總成的工況位

移滿足設計要求同時確定了懸置限位結構，結合供應商的制造加工能力確定了橡膠靜動剛度值以及動靜比，分析結果表明懸置系統的固有頻率和解耦分布均能滿足設計要求;

（4）通過理論計算分析了懸置橡膠靜剛度、模態、強度，從分析結果上看，符合理論目標值，表明前期設計均滿足要求;

（5）通過實車匹配驗證，該懸置系統隔振良好，整車的NVH狀態良好;

（6）通過以上分析，為三缸機的懸置設計開發提供了理論與數據支持，為后續車型開發打下了基礎。

參考文獻：

[1]王利榮.呂振華.汽車動力總成液阻型橡膠隔振器的研究發展[期刊論文].汽車工程 2001（5）.

[2]Patrick E.Corcoran.etc.Hydraulic Engine Mount Characteristic.SAE Trans.840407.

[3]Yunhe Yu，Nagi G.Naganathan，Rao V.Dukkipafi.A literature review of automotive vehicle engine mounting systems[J].Mechanism and Machine Theory 36（2001）.

[4]季曉剛，章應雄，唐新蓬.汽車動力總成懸置研究的發展.汽車科技，2004，1.

專家推薦語

蔡文新

東風汽車集團有限公司技術中心

動力總成專業總工程師 ?研究員級高級工程師

本文就三缸機的懸置設計過程中懸置策略選擇，懸置布置設計及相關強度評價標準進行了研討和實際應用，設計內容合理，數據可靠，理論水平較高，設計的懸置產品經過實踐驗證隔振效果很好，較好的達成了設計目標，同時也驗證其設計理論的準確性，對懸置設計人員有很好的參考價值。