商用车四缸发动机悬置刚度优化

韦永尤 莫庆军 方贵盛 石胜文

摘要：本文以某商用车四缸发动机悬置为对象，通过分析商用车四缸发动机振动特点，建立了发动机悬置系统六自由度动力学模型，采用能量解耦法对发动机悬置软垫刚度进行优化，结果表明，通过合理选择发动机悬置软垫刚度，可以有效降低发动机振动向底盘和驾驶室传递，提高整车乘坐舒适性。

关键词：商用车；四缸发动机；悬置；隔振能力；优化

引言

汽车发动机是汽车的主要振动源之一，对汽车的乘坐舒适性有很大的影响。通过合理选择发动机悬置软垫刚度，可以降低汽车发动机、底盘和驾驶室振动，不但可以改善汽车的乘坐舒适性，还可以延长发动机与其它零部件的使用寿命。商用车四缸发动机由于怠速转速低、振动大，其悬置隔振能力好坏将直接影响到产品的竞争力。本文以某商用车配四缸发动机为例，采用能量解耦法对其悬置软垫刚度进行优化设计。

1. 发动机悬置隔振原理

1.1.悬置系统振动传递率计算

悬置的振动传递率通常用 来度量：

（1）

则隔振率为：

式中

1.2. 悬置系统激振频率和固有频率分析

针对该车型装配的悬置软垫，根据式（1）可得到如图1所示的传递率、隔振率与频率比曲线：

图1 传递率、隔振率与频率比曲线

从图1可以看出， 越大，隔振率越大，隔振效果越好。在悬置系统设计中，对于特定的发动机，其激振频率是无法改变的，为得到较高的隔振率，应降低系统的固有频以提高 值。在商用车悬置设计中， 值一般取2～3，这是因为 达到一定数值后，隔振率上升不明显，另外，随着 的提高，软垫刚度也会降低，软垫的变形量加大，软垫寿命降低，整车上的零部件容易产生干涉，悬置系统也会和底盘的低频激振力发生共振。

2. 悬置系统动力学模型

一般发动机悬置系统固有频率较低，远低于动力总成的最低阶弹性模态频率，发动机悬置设计可以只考虑其刚体振动模态；又因为橡胶悬置软垫阻尼甚小可以忽略。发动机悬置系统的固有振动特性可用式（2）表示：

（2）

式中 为系统广义质量矩阵； 为系统广义刚度矩阵； 为系统广义坐标列向量， 。

在测得动力总成的总质量、质心位置、转动惯量、惯性积以及各悬置各个方向的刚度以后，可求得系统的 和 矩阵，进而用求特征值的方法可以求得发动机悬置系统的固有频率。

3. 悬置系统解耦

通常发动机悬置系统的六个自由度方向的振动是耦合的，这样导致发动机的振幅加大，振动频率范围加宽。这时要想达到比较好的隔振效果，则需要使用刚度更低的悬置软垫。在进行发动机悬置系统设计时，应使悬置系统的解耦率尽可能高。传统的解耦方法主要是通过巧妙结构布置来获得。但在实际工程中，由于发动机悬置系统位置受到发动机及整车结构布置限制，其悬置压缩和剪切刚度比也会受到橡胶软垫本身性能的制约等因素，这使得通过结构布置来解耦难以实现。因此，通常从能量角度来评价系统的解耦程度。

当系统以第 阶模态振动时，第 个广义坐标分配的能量占系统总能量的百分比为：

（3）

根据上式可以确定系统和各阶模态的解耦程度：当沿着一定广义坐标的最大振动能量达到100%时，系统在该频率下是解耦的。

4.发动机悬置系统参数输入

4.1. 质量参数测量

发动机（含离合器）、变速箱的质量、质心位置、转动惯量和惯性积可直接通过三线扭摆测试系统测得。

4.2. 悬置安装位置测量

由于产品已经定型，各悬置安装位置及安装角度很难调整，相关数值直接通过现有3D数模测量得到。

5. 固有频率及能量解耦优化计算

5.1. 悬置刚度优化

原车悬置刚度可直接测试获得，改进前后悬置刚度见表（1）所示：

5.2. 固有频率及解耦率优化

通过编程优化计算即可行到固有频率及解耦率数据。改进前后固有频率及解耦率计算结果见表（2）：

该发动机怠速转速为650r/min，其激振频率为21.67Hz。从上表可以算出，发动机激振频率与系统固有频率之比 由原车的1.68提高到2.12，同时提高了Z向的解耦率。

6. 测试结果分析

根据优化计算结果，试制了发动机置软垫总成并装车验证，测试了发动机悬置支架、司机座椅、方向盘和后视镜各向的振动，由于篇幅所限，图2仅列出发动机部分位置Z向隔振率对比曲线。

图2 发动机部分悬置Z向隔振率对比

根据试验结果可以得出，发动机悬置在整个转速范围内隔振率都得到了很大的提升，极大提高了整车的乘坐舒适性。

7.结束语

本文对某商用车配四缸发动机悬置系统进行了优化设计，改进后使发动机隔振率在整个转速范围内超过80%。改进后发动机悬置软件通过了台架疲劳试验及整车可靠性试验。说明采用能量解耦法优化商用车四缸发动机悬置软垫刚度在实际工程中是有效的。

参考文献：

[1] 吕振华，冯振东，方传流.粘性阻尼线性振动系统的复模态特征值问题的一种新的矩阵摄动解法.应用数学和力学，1991，12（8）.

[2] 王天利.基于能量法解耦的汽车动力总成悬置系统优化[J].机械设计与制造，2007，7（31-33）.

[3] 康展权.汽车工程手册·设计篇.北京：人民交通出版社，2001，5.