客車發動機懸置系統性能優化設計

石添華

(廈門金龍旅行車有限公司， 福建 廈門 361021)

汽車整車NVH的優化需通過各個相關系統全面提升，其中發動機懸置系統隔振是重要環節之一。因此本文重點介紹某輕型客車發動機懸置系統性能提升優化方案[1]。

1 發動機懸置系統隔振優化

通過仿真分析可知，該客車發動機原狀態懸置系統存在懸置解耦不佳、懸置支架動剛度不足[2]的情況。

1.1 懸置解耦優化

根據實車狀態把發動機及變速器動力總成安裝到試驗臺架上，進行動力學參數測試，獲得質心及轉動慣量等參數[3]：動力總成總質量為465.8 kg，質心位置在X、Y、Z方向分別為101.29 mm、9.37 mm、84.97 mm。轉動慣量為IXX=19.574 kg·m2，IYY=65.079 kg·m2，IZZ=59.287 kg·m2，IXY=1.642 kg·m2，IYZ=-0.869 kg·m2，IXZ=11.371 kg·m2。

原狀態前懸置減振墊邵氏硬度為45 HRC，X向靜剛度110 N/mm，Y向靜剛度125 N/mm，Z向靜剛度700 N/mm；后懸置減振墊邵氏硬度為40HRC，X向靜剛度48 N/mm，Y向靜剛度54 N/mm，Z向靜剛度259 N/mm；前、后懸置支架安裝角度均為55°。

該車型采用的四缸發動機怠速激勵頻率較低(23 Hz)，而其懸置系統橫向轉動頻率要求小于發動機怠速激勵頻率的一半，能量分布最高頻率要求小于發動機怠速激勵頻率的0.707倍；另外，由于路面激勵的影響(通常路面激勵集中在1～5 Hz)，發動機懸置系統的最低階剛體頻率應高于5 Hz，所以總體要求懸置系統的固有頻率在5～16.2 Hz。此外，還要約束懸置系統前六階能量分布頻率間隔大于1 Hz。

通過計算得到原懸置系統的解耦率數據見表1。其中，側傾RXX解耦率僅有46.16%，不滿足側傾RXX目標設定85%以上的要求，其余方向(除縱向X和垂向Z外)的能量解耦目標也不滿足85%[4-6]以上的設定目標。

懸置解耦優化目的是以頻率和解耦率為約束，得到最佳解耦率所對應的軟墊剛度和支架安裝角度。設定優化后的前后懸置軟墊的邵氏硬度仍為40HRC。根據以上頻率解耦率目標優化后得到的前懸置減振墊，X向靜剛度選擇71 N/mm，Y向靜剛度選擇63 N/mm，Z向靜剛度選擇400 N/mm；后懸置減振墊X向靜剛度選擇75 N/mm，Y向靜剛度選擇67 N/mm，Z向靜剛度選擇365 N/mm；前、后懸置支架安裝角度均為45°，安裝位置根據發動機預留螺栓孔位置確定。解耦仿真數據見表2，選擇綜合解耦率最高的組合，側傾RXX解耦率達到86.03%，垂向Z解耦率達到98.08%；縱向X、橫向Y、俯仰RYY和橫擺RZZ解耦率均高于我司標準80%，懸置解耦效果較好。

1.2 懸置支架動剛度優化

動力總成隔振性能的優劣不僅取決于隔振系統的阻尼和動剛度，還與懸置軟墊支架的動剛度息息相關。懸置軟墊相連的兩側各有一個支架，連接方式為車身側支架-懸置軟墊-發動機側支架，三者串聯起來組成隔振系統的總剛度。通過1.1節對發動機和懸置軟墊進行解耦優化匹配后得到支架位置和角度，然后再進一步優化支架動剛度[7-8]。理論上支架的動剛度越大越好，但實際常受限于安裝位置、空間和成本的權衡，通常選取支架受力次要方向(X向)動剛度參考值為5 000 N/mm，受力主要方向(Y向和Z向)動剛度參考值為10 000 N/mm[9]，動剛度參考值采用的是行業內部經驗值，對所有汽車發動機支架均適用。

原狀態支架結構整體動剛度不足，其中X向有較多頻率段動剛度小于參考值5 000 N/mm，Z向和Y向動剛度部分頻率段小于參考值10 000 N/mm。

通過仿真軟件進行懸置支架優化，根據支架動剛度是否滿足參考值調整支架結構，方法如下：①提高支架板件厚度；②增加斜撐和加強筋；③支架肋板增加螺栓；④優化結構。原狀態和優化后的支架結構及動剛度曲線分別如圖1和圖2所示,圖2中曲線10 000 N/mm為參考曲線。

(a) 原狀態支架動剛度曲線

通過結構優化，支架受力的主要方向動剛度曲線基本大于參考值10 000 N/mm曲線，達到優化目的。

2 實車隔振率測試

通過LMS模態測試系統測試懸置軟墊隔振前后的振動值，分析其實際隔振性能。振動X、Y、Z方向與整車的前后、左右、上下方向一致。振動值采用振動加速度表示，測量的頻率范圍為0～200 Hz。測點位置如圖3所示。

圖3 懸置測點位置

具體隔振率測試數據見表3和表4，測試工況為怠速關空調工況。懸置測點振動主要方向為Y向和Z向，與發動機往復運動的工作方式一致。動力總成側的振動加速度理想上越低越好，該發動機控制在2.72～3.79 m/s2，屬于較好水平(業內經驗值要求不大于5 m/s2)；車架側振動加速度控制在0.25～0.33 m/s2，屬于很好的水平(業內經驗值要求不大于1 m/s2)。X、Y、Z三個方向的隔振率都保持在較高水平。

表3 優化前懸置系統隔振率實車數據

表4 優化后懸置系統隔振率實車數據

通過動力總成懸置解耦優化匹配最佳的懸置軟墊剛度、通過懸置支架動剛度仿真分析優化和加強等措施提高整車的NVH性能，懸置隔振率從原狀態80%左右提升到90%左右，帶雙平衡發動機本體振動控制較好，懸置被動端支架振動屬于較好水平。通過升速試驗，在全轉速曲線懸置軟墊隔振表現較好，被動端振動無異常突變[10-12]。開關空調狀態車內座椅振動、方向盤振動主觀感受良好；后視鏡振動正常，主觀感受無晃動感。

3 結 論

根據該車型發動機及懸置系統優化方案得出如下結論：

1) 懸置系統隔振性能優化可大幅度提升整車NVH性能，隔振率達85%以上。

2) 懸置解耦和支架動剛度優化，有助于整車NVH提升。

3) 通過CAE仿真分析及測試驗證，可有效指導車輛的NVH設計。