韋永尤 莫慶軍 方貴盛 石勝文

摘要：本文以某商用車四缸發(fā)動機懸置為對象，通過分析商用車四缸發(fā)動機振動特點，建立了發(fā)動機懸置系統(tǒng)六自由度動力學(xué)模型，采用能量解耦法對發(fā)動機懸置軟墊剛度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，通過合理選擇發(fā)動機懸置軟墊剛度，可以有效降低發(fā)動機振動向底盤和駕駛室傳遞，提高整車乘坐舒適性。

關(guān)鍵詞：商用車；四缸發(fā)動機；懸置；隔振能力；優(yōu)化

引言

汽車發(fā)動機是汽車的主要振動源之一，對汽車的乘坐舒適性有很大的影響。通過合理選擇發(fā)動機懸置軟墊剛度，可以降低汽車發(fā)動機、底盤和駕駛室振動，不但可以改善汽車的乘坐舒適性，還可以延長發(fā)動機與其它零部件的使用壽命。商用車四缸發(fā)動機由于怠速轉(zhuǎn)速低、振動大，其懸置隔振能力好壞將直接影響到產(chǎn)品的競爭力。本文以某商用車配四缸發(fā)動機為例，采用能量解耦法對其懸置軟墊剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1. 發(fā)動機懸置隔振原理

1.1.懸置系統(tǒng)振動傳遞率計算

懸置的振動傳遞率通常用 來度量：

（1）

則隔振率為：

式中

1.2. 懸置系統(tǒng)激振頻率和固有頻率分析

針對該車型裝配的懸置軟墊，根據(jù)式（1）可得到如圖1所示的傳遞率、隔振率與頻率比曲線：

圖1 傳遞率、隔振率與頻率比曲線

從圖1可以看出， 越大，隔振率越大，隔振效果越好。在懸置系統(tǒng)設(shè)計中，對于特定的發(fā)動機，其激振頻率是無法改變的，為得到較高的隔振率，應(yīng)降低系統(tǒng)的固有頻以提高 值。在商用車懸置設(shè)計中， 值一般取2～3，這是因為 達(dá)到一定數(shù)值后，隔振率上升不明顯，另外，隨著 的提高，軟墊剛度也會降低，軟墊的變形量加大，軟墊壽命降低，整車上的零部件容易產(chǎn)生干涉，懸置系統(tǒng)也會和底盤的低頻激振力發(fā)生共振。

2. 懸置系統(tǒng)動力學(xué)模型

一般發(fā)動機懸置系統(tǒng)固有頻率較低，遠(yuǎn)低于動力總成的最低階彈性模態(tài)頻率，發(fā)動機懸置設(shè)計可以只考慮其剛體振動模態(tài)；又因為橡膠懸置軟墊阻尼甚小可以忽略。發(fā)動機懸置系統(tǒng)的固有振動特性可用式（2）表示：

（2）

式中 為系統(tǒng)廣義質(zhì)量矩陣； 為系統(tǒng)廣義剛度矩陣； 為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列向量， 。

在測得動力總成的總質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、慣性積以及各懸置各個方向的剛度以后，可求得系統(tǒng)的 和 矩陣，進(jìn)而用求特征值的方法可以求得發(fā)動機懸置系統(tǒng)的固有頻率。

3. 懸置系統(tǒng)解耦

通常發(fā)動機懸置系統(tǒng)的六個自由度方向的振動是耦合的，這樣導(dǎo)致發(fā)動機的振幅加大，振動頻率范圍加寬。這時要想達(dá)到比較好的隔振效果，則需要使用剛度更低的懸置軟墊。在進(jìn)行發(fā)動機懸置系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)使懸置系統(tǒng)的解耦率盡可能高。傳統(tǒng)的解耦方法主要是通過巧妙結(jié)構(gòu)布置來獲得。但在實際工程中，由于發(fā)動機懸置系統(tǒng)位置受到發(fā)動機及整車結(jié)構(gòu)布置限制，其懸置壓縮和剪切剛度比也會受到橡膠軟墊本身性能的制約等因素，這使得通過結(jié)構(gòu)布置來解耦難以實現(xiàn)。因此，通常從能量角度來評價系統(tǒng)的解耦程度。

當(dāng)系統(tǒng)以第 階模態(tài)振動時，第 個廣義坐標(biāo)分配的能量占系統(tǒng)總能量的百分比為：

（3）

根據(jù)上式可以確定系統(tǒng)和各階模態(tài)的解耦程度：當(dāng)沿著一定廣義坐標(biāo)的最大振動能量達(dá)到100%時，系統(tǒng)在該頻率下是解耦的。

4.發(fā)動機懸置系統(tǒng)參數(shù)輸入

4.1. 質(zhì)量參數(shù)測量

發(fā)動機（含離合器）、變速箱的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量和慣性積可直接通過三線扭擺測試系統(tǒng)測得。

4.2. 懸置安裝位置測量

由于產(chǎn)品已經(jīng)定型，各懸置安裝位置及安裝角度很難調(diào)整，相關(guān)數(shù)值直接通過現(xiàn)有3D數(shù)模測量得到。

5. 固有頻率及能量解耦優(yōu)化計算

5.1. 懸置剛度優(yōu)化

原車懸置剛度可直接測試獲得，改進(jìn)前后懸置剛度見表（1）所示：

5.2. 固有頻率及解耦率優(yōu)化

通過編程優(yōu)化計算即可行到固有頻率及解耦率數(shù)據(jù)。改進(jìn)前后固有頻率及解耦率計算結(jié)果見表（2）：

該發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速為650r/min，其激振頻率為21.67Hz。從上表可以算出，發(fā)動機激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之比 由原車的1.68提高到2.12，同時提高了Z向的解耦率。

6. 測試結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果，試制了發(fā)動機置軟墊總成并裝車驗證，測試了發(fā)動機懸置支架、司機座椅、方向盤和后視鏡各向的振動，由于篇幅所限，圖2僅列出發(fā)動機部分位置Z向隔振率對比曲線。

圖2 發(fā)動機部分懸置Z向隔振率對比

根據(jù)試驗結(jié)果可以得出，發(fā)動機懸置在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隔振率都得到了很大的提升，極大提高了整車的乘坐舒適性。

7.結(jié)束語

本文對某商用車配四缸發(fā)動機懸置系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)后使發(fā)動機隔振率在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)超過80%。改進(jìn)后發(fā)動機懸置軟件通過了臺架疲勞試驗及整車可靠性試驗。說明采用能量解耦法優(yōu)化商用車四缸發(fā)動機懸置軟墊剛度在實際工程中是有效的。

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