趙金剛 李正華 張彥偉 王國增 朱錫慶

摘 ?要：本文基于某國產(chǎn)車三缸機(jī)懸置系統(tǒng)開發(fā)，通過前期調(diào)研分析與方案論證，合理布置懸置的安裝位置和系統(tǒng)夾角，分析懸置設(shè)計參數(shù)、剛度和模態(tài)，確保懸置系統(tǒng)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(jié)構(gòu)可靠性，經(jīng)過一系列優(yōu)化設(shè)計，使得滿足某車型開發(fā)要求。

關(guān)鍵詞：三缸發(fā)動機(jī);懸置系統(tǒng);開發(fā)設(shè)計

中圖分類號：U469.79 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)低碳低排放的要求，三缸小排量發(fā)動機(jī)近年來得到廣泛應(yīng)用。而發(fā)動機(jī)作為汽車上的一個主要振源，其懸置系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣直接對整車的振動噪聲產(chǎn)生重要的影響[1]。由于三缸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動大且慣性力矩不平衡，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動比較大，同時三缸機(jī)的激勵頻率比較低懸置系統(tǒng)解耦避頻困難。一般需要在三缸發(fā)動機(jī)上增加平衡機(jī)構(gòu)，減少發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的不平衡力和力矩。常見的一些三缸機(jī)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(diào)研論證，調(diào)整懸置布置位置和布置角度，優(yōu)化懸置數(shù)據(jù)設(shè)計參數(shù)，合理設(shè)計剛度并分析模態(tài)，使得懸置系統(tǒng)具有較高的振動解耦程度，通過進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)強度以驗證設(shè)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(xù)開發(fā)提供了保障。

1 ? ?基本參數(shù)

該車型采用橫置直列三缸發(fā)動機(jī)，平衡策略0%Roll，100%Yaw，懸置系統(tǒng)采用3點式布置方案，其中右懸置為液壓懸置[2]，可實現(xiàn)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(shè)計簡單且實用。動力總成的質(zhì)量主要由左、右懸置承擔(dān)，扭桿式后懸置靜載時理論不承擔(dān)載荷或者承擔(dān)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(diào)整懸置的位置對剛度矩陣及系統(tǒng)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(tǒng)夾角與其它廣義坐標(biāo)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(tǒng)懸置的位置又受到整車及動力總成結(jié)構(gòu)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(tǒng)左右懸置的彈性中心往往難以準(zhǔn)確地落在扭矩軸上。

本文根據(jù)動力總成質(zhì)量慣性參數(shù)，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(shè)計過程中，充分考慮車身安裝點的通用性及前機(jī)艙空間布局，左右懸置在X向可調(diào)整的空間非常有限，調(diào)整前坐標(biāo)如表3所示。前期經(jīng)過多輪數(shù)據(jù)設(shè)計與反復(fù)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(biāo)需要往Y+向平移15mm，X-向平移2mm時，但是當(dāng)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(dāng)左懸置的彈性中心坐標(biāo)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(diào)整后懸置系統(tǒng)彈性中心位置坐標(biāo)。在發(fā)動機(jī)懸置側(cè)，X方向上與TRA距離為1mm，表明發(fā)動機(jī)側(cè)比較理想;變速器懸置側(cè)，X方向上與TRA距離為11mm，滿足設(shè)計要求，且在Y方向上向發(fā)動機(jī)側(cè)靠攏，減小了1階甩動的力臂，對1階車身響應(yīng)更有利;與理論位置Z向相比，在Z方向坐標(biāo)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(shù)優(yōu)化

在懸置系統(tǒng)匹配計算中，需要預(yù)測發(fā)動機(jī)動力總成一些關(guān)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(dāng)發(fā)動機(jī)起動、關(guān)車時和汽車加速、換擋、轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)生干涉或碰撞。

合理的懸置系統(tǒng)非線性剛度設(shè)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(shè)計數(shù)據(jù)時，根據(jù)計算最大變形量以及經(jīng)驗預(yù)判對懸置數(shù)據(jù)關(guān)鍵限位點做進(jìn)一步優(yōu)化。 發(fā)動機(jī)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(diào);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(diào);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(yīng)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(jù)系統(tǒng)固有頻率及模態(tài)解耦計算方法，對優(yōu)化后動力總成懸置系統(tǒng)狀態(tài)的固有頻率及模態(tài)解耦率進(jìn)行計算，如表6所示，各階固有頻率間隔基本都能達(dá)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(fā)動機(jī)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(jù)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(yōu)化后結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4 ? ?懸置結(jié)構(gòu)靜剛度分析

本文根據(jù)設(shè)計要求值如表7所示：

在進(jìn)行剛度設(shè)計時，盡可能考慮橡膠生產(chǎn)工藝，根據(jù)對橡膠懸置實際結(jié)構(gòu)的分析，對其各個方向的剛度進(jìn)行約束，確定實際零件的動靜比，提升解耦性能，使設(shè)計剛度能夠滿足橡膠的生產(chǎn)工藝要求，達(dá)到設(shè)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(shè)計剛度值進(jìn)行理論計算與分析，其分析結(jié)果均滿足設(shè)計要求值，表明設(shè)計結(jié)構(gòu)合理。

5 ? ?懸置結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

本文對懸置結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)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(jīng)分析，計算結(jié)果如表12所示，左懸置主動端第一階模態(tài)頻率為1247Hz，左懸置被動端第一階模態(tài)頻率為363.7Hz，右懸置主動端第一階模態(tài)頻率為1803Hz，右懸置被動端第一階模態(tài)頻率為338.8Hz，均滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

6 ? ?懸置結(jié)構(gòu)強度分析

通過建立有限元模型，對懸置支架進(jìn)行強度分析，旨在保證設(shè)計零部件的可靠性。工況為車身側(cè)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(jīng)過計算，結(jié)果如表14-20所示，鑄鋁6082對應(yīng)件在各個工況下的最大應(yīng)力均小于其材料屈服強度265MPa，最大主應(yīng)力小于其抗拉強度285MPa，鑄鋁A380對應(yīng)件在各個工況下的最大應(yīng)力小于其材料屈服強度160MPa，最大主應(yīng)力小于其抗拉強度320MPa，均滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

7 ? ?驗證結(jié)果

結(jié)合上述懸置設(shè)計，經(jīng)實車匹配驗證，該懸置系統(tǒng)隔振良好，怠速懸置各方向隔振能夠大于25dB，整車達(dá)到良好的NVH狀態(tài)。

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(jié)束語

綜上所述，本文全面系統(tǒng)的分析了匹配三缸機(jī)懸置的前期數(shù)據(jù)設(shè)計開發(fā)，對懸置系統(tǒng)進(jìn)行實車測試驗證，得到結(jié)論如下：

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

（2）根據(jù)發(fā)動機(jī)平衡策略，調(diào)整懸置系統(tǒng)的模態(tài)解耦方案，使系統(tǒng)模態(tài)遠(yuǎn)離主激勵頻率;

（3）結(jié)合發(fā)動機(jī)扭矩和實車空間情況，合理設(shè)計設(shè)定懸置限位結(jié)構(gòu)，并針對28種工況對懸置結(jié)構(gòu)限位進(jìn)行了分析驗證，動力總成的工況位

移滿足設(shè)計要求同時確定了懸置限位結(jié)構(gòu)，結(jié)合供應(yīng)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(jié)果表明懸置系統(tǒng)的固有頻率和解耦分布均能滿足設(shè)計要求;

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

（5）通過實車匹配驗證，該懸置系統(tǒng)隔振良好，整車的NVH狀態(tài)良好;

（6）通過以上分析，為三缸機(jī)的懸置設(shè)計開發(fā)提供了理論與數(shù)據(jù)支持，為后續(xù)車型開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[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(fā)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(yīng)雄，唐新蓬.汽車動力總成懸置研究的發(fā)展.汽車科技，2004，1.

專家推薦語

蔡文新

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

動力總成專業(yè)總工程師 ?研究員級高級工程師

本文就三缸機(jī)的懸置設(shè)計過程中懸置策略選擇，懸置布置設(shè)計及相關(guān)強度評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研討和實際應(yīng)用，設(shè)計內(nèi)容合理，數(shù)據(jù)可靠，理論水平較高，設(shè)計的懸置產(chǎn)品經(jīng)過實踐驗證隔振效果很好，較好的達(dá)成了設(shè)計目標(biāo)，同時也驗證其設(shè)計理論的準(zhǔn)確性，對懸置設(shè)計人員有很好的參考價值。