高温度对悬置系统性能的影响研究①

金吉刚， 孙 达

(同济大学，上海 200092)

0 引言

动力总成悬置系统主要功能是将动力总成准确可靠地固定在车辆结构上，除此之外，悬置系统还需要提供如控制动力总成位移，隔振减噪等相关性能[1].随着增压发动机等新技术的应用，车辆的机舱温度较高，因此要求悬置系统具有足够的耐高温性能.在悬置系统的设计计算过程中，通常只定义悬置系统在常温下的动静刚度，对高温情况下的性能未做说明.本文将通过对比悬置系统在常温和高温下的动静刚度等性能，讨论温度对悬置系统性能的影响.

1 文献回顾

目前，国内对于天然橡胶与温度的关系，多停留在概念性描述.傅政在《橡胶材料性能与设计应用》中提出，温度对橡胶刚度有影响，其具体影响根据不同的橡胶成分有所不同[2].邓思文[3]在论文中提到，一般情况下，随着温度升高，橡胶强度下降，并可能发生热氧降解等化学变化;汪洋等[4]在其论文中，基于高温对橡胶刚度的影响，优化了悬置系统并取得了一定的效果.本文将基于以上理论，着重评估高温对悬置动静刚度的具体影响.

2 实验样本介绍

本实验使用的一款在研车型，搭载直列4缸自然吸气式汽油发动机，并匹配自动变速器.为适应中东等海外市场，需要对该车型进行高温性能验证.试验时，机舱内的温度场与设计状态相比，有一定变化.在此基础上，对悬置系统的相关性能进行对比验证，评估高温对于悬置系统的影响.

2.1 机舱温度场分析

由于机舱容纳了大量的零部件和系统，因此对机舱建模并且对发动机机舱进行CAE分析模拟，其分析结果如下图1所示.

图1 机舱温度场分析结果

可以看出，怠速工况下机舱内温度整体较高，大部分区域温度在100℃以上.其中，后悬置和前悬置的环境温度较高，接近橡胶的工作极限.爬坡工况下，散热元件后方温度高，超过110℃，对前悬置和左右悬置的影响很大，其余区域温度相对较低.高速工况下，散热元件后方的温度在80～90℃之间，机舱整体温度较低，悬置系统的风险较低.

2.2 悬置系统概况

本车型悬置采用四点TRA式悬置布置.经过初步测量，在明确动力总成质量特性参数后，通过Adams软件进行建模优化，模型如图2所示:

图2 Adam模型示意

优化后，悬置布点如下图所示:

图3 悬置系统布点oyz平面

图4 悬置系统布点oyz平面

经过计算后，悬置系统的动静刚度值如下表中所示.

3 试验设计

3.1 实验参数确认

悬置系统零部件测试和计算过程中，动、静刚度的测试环境温度默认为室温 (23.5℃).由于悬置系统的主要性能元件——橡胶主簧对温度变化相对敏感，且机舱温度远高于常温.因此，在明确各零部件的工作温度后，实测悬置隔振垫的动、静刚度值，并评估温度对悬置系统的性能的影响.

本实验将基于机舱温度场的CAE分析结果，选取恶劣工况下的机舱温度.其中，前悬置点环境温度定义为110℃，后悬置环境温度定义为110℃，左、右悬置温度定义为95℃.

本实验中，发动机悬置为解耦液压悬置，其主簧胶料硬度为50°;左悬置为纯胶悬置，主簧胶料硬度为55°;前悬置为纯胶悬置，主簧胶料硬度为50°;后悬置为纯胶悬置，主簧胶料硬度为56°.根据工程经验，选取0～50Hz频域段进行扫频测量，扫频间隔为1Hz;实验中，选取的振幅为±0.1mm.

3.2 实验设备

实验中，主要对悬置橡胶软垫的动、静刚度进行测试，所采用的设备为MTS三相刚度测试仪，测量频域段较宽.其主要结构参见下图:

图5 MTS测试设备

4 实验结果

4.1 动刚度测试结果

根据以上实验设定进行相关实验，测出悬置橡胶软垫的动刚度如图6所示.

图6 前悬置动刚度值

图6中，蓝色曲线为常温下前悬置动刚度的扫频结果，在发动机二阶激励频率(23Hz)下，其动刚度值为80N/mm;红色曲线为高温(110℃)下的动刚度值，在23Hz时，其动刚度值为70N/mm.

图7 后悬置动刚度值

图7中，蓝色曲线为常温下后悬置动刚度的扫频结果，在发动机二阶激励频率(23Hz)下，其动刚度值为55N/mm;红色曲线为高温(110℃)下动刚度值，在相同频率下，动刚度值为50N/mm.

图8 右悬置动刚度值

如上图8所示，在发动机二阶激励频率(23Hz)下，高温(95℃)的动刚度值为300N/mm;常温的动刚度值为345N/mm.

图9 左悬置动刚度值

图10 前悬置静刚度值

如上图9所示，在发动机二阶激励频率(23Hz)下，高温(95℃)的动刚度值为349N/mm;常温的动刚度值为444N/mm.

图11 后悬置静刚度值

图12 右悬置静刚度值

图13 左悬置静刚度值

4.2 静刚度测试结果

可以从图10～13中看出，温度变化对悬置橡胶软垫的静刚度无明显影响.

5 结论

在悬置橡胶元件的设计中，主要需考虑橡胶的动刚度和静刚度.其中，动刚度主要指在一定频率的振动输入时，悬置系统的刚度情况.该性能直接影响悬置系统分析的以及怠速隔振性能.通过以上的对动刚度的实验分析，温度对动刚度的影响主要有以下几方面:

(1)升高环境温度可以降低悬置隔振垫的动刚度值;

(2)通过图6和图7的结果比较，相同条件下，动刚度值越大的隔振垫，在温度升高后，动刚度值下降越明显;

(3)通过图8中两条曲线的对比，可以得出，对于液压悬置，高温(95℃)仅仅会改变其动刚度值的大小，对悬置本身的液压特性没有明显的影响;

(4)通过图9中(基础动刚度值较大)可以看出，随着频率的上升，高温使动刚度下降越明显.

对于悬置系统来说，静刚度在发动机停止工作，车辆静止的情况下，反应悬置系统对动力总成的支撑和定位的情况.通过图10、图11、图12和图13的结果比较，温度对橡胶静刚度的影响很小.

通过以上总结，可以得出，当发动机机舱温度较高时，由于高温对悬置动刚度有显著的影响，从而导致系统的频率域设计值存在较大偏差，并有可能与某些特有频率出现耦合导致整车振动情况恶化;由于高温对悬置的静刚度值无明显影响，因此动力总成不会因为机舱温度过高而发生错位.

本论文中，关于动刚度的实验结果，与汪洋等[4]的实验类似，具有极高的吻合度，其变化趋势也满足邓思文献[3]所引用的相关理论;对于静刚度，与邓思文等人的论文中相关理论有一定出入，可作为问题点，进行进一步研究.

基于以上的实验，在悬置系统工程设计中，需要考虑在高温对动刚度的影响，平衡系统的频率分布，避免出现共振.同时，可以大量实验，总结出动刚度高温衰减的经验公式，以满足工程设计需求.

[1]GMW14116，Specification for 261 Powertrain Mounts Body －Frame－Integral Subsystem.

[2]傅政.橡胶材料性能与设计应用[M].北京:化学工业出版社，2003:203.

[3]邓思文.超声振动对橡胶材料温度特性影响的实验研究，2009.

[4]汪洋，等.考虑高温的动力总成悬置系统优化[J].汽车工程学报，2012.