王楷焱 王靈犀 任曉雪

摘 ?要：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)是汽車NVH性能重要的組成零部件，懸置系統(tǒng)的隔振性能通過懸置傳遞力的大小可以更好地進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此懸置傳遞力的獲取，成為了能否實(shí)現(xiàn)該評(píng)價(jià)方法的重要環(huán)節(jié)。本文對(duì)懸置測(cè)力傳感器的布置位置進(jìn)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(duì)比分析了懸置螺栓應(yīng)變與懸置激勵(lì)的關(guān)系，驗(yàn)證了在該位置布置傳感器的有效性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置 ?隔振 ?懸置力 ?有限元分析

中圖分類號(hào)：U464.13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(yè)的高速發(fā)展，無論是客戶還是汽車企業(yè)對(duì)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(zhì)的代表，自然受到了更多的關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)即是傳統(tǒng)汽車的主要?jiǎng)恿υ矗彩瞧嚨闹饕駝?dòng)噪聲源，因此如何有效地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制會(huì)直接影響到整車NVH性能的好壞[1]。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲性能的控制，主要通過發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)隔振來實(shí)現(xiàn)，即發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)隔振性能的優(yōu)劣，決定了整車的NVH性能[2]。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)隔振性能的優(yōu)劣評(píng)價(jià)，普遍采用的是通過懸置加速度的方法，即測(cè)試懸前和懸后的振動(dòng)加速度，然后用振動(dòng)加速度的比值進(jìn)行振動(dòng)的衡量，這種方法的好處是方便易行，缺點(diǎn)是某些工況下會(huì)受到較強(qiáng)烈的干擾，尤其對(duì)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(tǒng)隔振性能，該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果受外界干擾小，評(píng)價(jià)指標(biāo)穩(wěn)定，但是缺點(diǎn)是測(cè)試比較困難[4]。本文探索了一種基于電阻應(yīng)變片方法的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置力測(cè)試方法研究，為懸置傳遞力的測(cè)試提供了一個(gè)新的途徑。

1 ?測(cè)試方法分析

本文所涉及的樣車的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)采用四點(diǎn)式布置，右懸置布置在動(dòng)力總成的發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)，左懸置布置在變速器側(cè)，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(fā)動(dòng)機(jī)的垂直載荷及垂向振動(dòng)，而前后兩懸置主要起到抑制動(dòng)力總成的俯仰及水平運(yùn)動(dòng)的作用。

當(dāng)動(dòng)力總成工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以及變速器產(chǎn)生的慣性力、慣性力矩、傾覆力及力矩等均通過懸置支架（動(dòng)力總成側(cè)）—懸置元件主體—懸置支架（車身/副車架側(cè)）這一路徑傳遞到車身或副車架，因此測(cè)量動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)或車身的連接點(diǎn)一般有多個(gè)，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(cè)試結(jié)果的差異，以提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

樣車采用的懸置元件為橡膠件，懸置元件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之中，懸置膠體部分由于變形量較大而且不規(guī)則，不適合布置傳感器。懸置支架由于體積較大，同時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)及車身連接點(diǎn)較多，不容易測(cè)得準(zhǔn)確的傳遞力大小。懸置中心的螺栓是懸置力傳遞的必經(jīng)途徑，而且體積較小，結(jié)構(gòu)單一，容易獲取較為準(zhǔn)確的懸置力大小，因此，選擇在連接螺栓上布置測(cè)力傳感器，如應(yīng)變片或壓力傳感器，測(cè)試懸置力的大小。

2 ?懸置元件有限元分析

為了能夠驗(yàn)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(yàn)證方案的有效性。

2.1 網(wǎng)格劃分

首先將懸置元件三維模型導(dǎo)入，進(jìn)行前期處理。通過幾何清理、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。之后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入ANSYS中，如圖2所示。懸置有限元模型中共有38156個(gè)單元。

2.2 材料設(shè)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(hào)鋼材料外（材料參數(shù)見表1），其余部分材料為結(jié)構(gòu)鋼材料（材料參數(shù)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(gòu)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(jù)橡膠元件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用Mooney-Rivlin模型對(duì)橡膠材料本構(gòu)特性進(jìn)行擬合，具體參數(shù)值見表3。

2.3 邊界接觸定義

根據(jù)懸置元件的工作原理，需要對(duì)懸置元件總成中相互接觸的零部件進(jìn)行邊界接觸的設(shè)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(huì)接觸，屬于間歇性接觸，在接觸過程中不發(fā)生相互侵入，因此通過接觸中設(shè)置的Rough方式定義。螺栓和懸置主要靠螺栓的預(yù)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(duì)位置不變，因此通過Bonded將以上幾個(gè)部分進(jìn)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(gè)整體，邊界部分沒有相對(duì)位移，因此對(duì)于膠體與懸置支架和鋼套之間也采用Bonded進(jìn)行約束。

2.4 施加載荷

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置元件的工作特性，在模型過程中對(duì)懸置施加位移激勵(lì)，能夠在保證模型收斂性的前提下，更有效模的對(duì)懸置受力變形進(jìn)行模擬。在模型中位移載荷施加位置定義在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)懸置支架上，方向沿膠體主簧垂直方向（Z向）。位移激勵(lì)采用正弦波的形式，頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)2階激勵(lì)振動(dòng)頻率相同[6]。由于基礎(chǔ)車怠速轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/min，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率計(jì)算公式：

式中，n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;i—發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù);τ—沖程數(shù)，四缸機(jī)為2;v—發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)階次。

基礎(chǔ)車發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程四缸機(jī)，主要激勵(lì)頻率為2階次，因此計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)主激勵(lì)頻率為26.7Hz。

2.5 懸置元件仿真分析

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

3 ?結(jié)論

（1）通過分析確定了動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)測(cè)力時(shí)，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(dòng)力總成懸置元件模型，在模型支架上添加位移激勵(lì)，獲得了懸置螺栓中部的位移響應(yīng)。結(jié)果表明，懸置螺栓的應(yīng)變大小和懸置激勵(lì)成正比例關(guān)系，因此可以采用在懸置螺栓中部布置應(yīng)變片的方法獲取懸置傳遞力。

參考文獻(xiàn)

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