基于NVH的汽车发动机悬置系统优化设计

周斌（西昌学院汽车与电子工程学院，西昌615013）

【设计与计算】

基于NVH的汽车发动机悬置系统优化设计

周斌
（西昌学院汽车与电子工程学院，西昌615013）

对国内某款汽车发动机的橡胶悬置进行了试验研究，发现原型机的橡胶悬置具有较大的传递率，不利于能量的衰减。针对这种情况，重新设计了新的橡胶悬置，对新设计的橡胶悬置进行了三维数值分析，结果显示新的悬置在结构和力学性能方面都较好地满足了发动机的需求。对新设计的橡胶悬置和原悬置进行了对比试验，试验结果表明，新设计的悬置具有较低的传递率，且传递率随转速的变化较平坦，有利于提高舒适性。

发动机 橡胶悬置 传递率 设计 试验

1　概述

良好的发动机悬置对降低发动机振动幅度，减少噪音，提高整车乘坐舒适性都起着重要作用［1］。目前，国内在发动机悬置系统设计方面还与国外存在较大差距，大多数企业在进行发动机悬置系统设计时，出于技术和成本的考虑，都是采用类比设计的方法，还没有形成全面、系统的独立自主的开发程序。因此，对悬置系统的研究具有现实意义［2］。

2　原悬置系统的试验研究

汽车发动机的悬置系统一般采用三点式和四点式悬置系统，而由于橡胶悬置具有独特的低成本、易维护的特性，在国内得到了广泛的应用［3］。本文所研究的悬置就是采用三点式橡胶悬置。

2.1试验方法

在原发动机的左、右、后三个悬置的上下位置各布置一个加速度传感器，共6个加速度传感器，可以测试18个振动方向。将发动机转速按由怠速到最高转速等分为10等分，用数据采集仪采集发动机在不同转速工况下各悬置上、下点的垂直振动加速度信号，所得数据经计算机分析处理后得出加速度均方根值并绘制成图表曲线。图1为原发动机试验的橡胶悬置，图2为测试现场传感器安装位置。

在本次试验中，各测点振动能量的大小以加速度均方根值表示，各悬置的振动能量传递率以悬置下方测点加速度均方根值除以悬置上方测点加速度均方根值来表示，即：振动能量传递率=下测点加速度均方根值/上测点加速度均方根值［5］，将各种工况下的振动传递率绘制成对比图表，进行分析，得出结论［4］。

图1　原发动机的橡胶悬置

图2　原车发动机橡胶悬置测试现场传感器位置

2.2试验结果分析

在各种工况下，分别测量悬置上方和下方测点的振动信号，经计算机处理后，得出各工况下加速度频响特性，如图3～图6所示。

分析上面的频响特性图，可以得到如下结论：

（1）在低频范围内，该悬置的能量衰减率较差，只能达到大约五倍的衰减，而根据国外同类先进数据表明，橡胶悬置对发动机的各类工况应达到平均十倍左右的衰减。

（2）各个工况下，该悬置对二阶频率振动的隔振效果都较差。

（3）从测试数据看，采用悬置隔振之后，在车架上测得的加速度响应仍然较大，大大影响了整车的乘坐舒适性［6］。

图3　怠速时悬置上方加速度频响特性

图4　怠速时悬置下方加速度频响特性

图5　4 000 r/m in悬置上方加速度频响特性

图6　4 000 r/m in悬置下方加速度频响特性

（4）从测试数据分析可以看出，在频率为300 Hz左右时，加速度响应有峰值出现，估计为悬置系统出现共振所致。

3　发动机悬置系统的改进设计

3.1橡胶悬置结构设计

橡胶悬置的结构和工作原理较为简单，它一般由金属骨架以及硫化到金属骨架上的橡胶组成。金属骨架的作用主要是防止橡胶悬置发生过大的变形，以及作为悬置的连接部分，橡胶则提供内摩擦阻尼来衰减振动［4］。

针对以上分析原机橡胶悬置的不足，对橡胶悬置的结构进行了重新设计，三维数模和实物图如图7～图8所示。同时，为了避免悬置系统出现共振现象，设计采用了硬度相对较低的48号硬度橡胶，可以改善整车怠速舒适性。

图7　发动机悬置三维数模

3.2橡胶悬置的仿真计算

为模拟汽车实际运行时橡胶悬置的受力情况，对其施加相应频率的振动力矩，采用CFD数值分析软件Ansys对新设计的橡胶悬置进行数值分析，分析结果如图9～图14所示。

从仿真分析的结果可以看出，新设计的橡胶悬置的结构形状和力学性能满足发动机与整车匹配的要求，同时该悬置的力学性能在发动机的理想范围之内。

图8　新设计的橡胶悬置实物

图9　右悬置在3 00Hz频率正弦力作用下的响应云图

图10　右悬置的一阶响应模态振型

图11　右悬置一阶频率响应速度矢量图

图12　左悬置的受力分布云图

图13　左悬置一阶频率响应速度矢量图

图14　左悬置受单点正弦力响应云图分布

4　改进前后发动机悬置试验结果对比

采用相同的方法对改进后的发动机悬置在各个转速区间内的加速度频响特性进行测试，并换算为传递率曲线，并与改进前的传递率曲线进行对比，结果如图15～图17所示。

从试验结果看出，改进设计之后，各个悬置的传递率都有较大程度的降低，且曲线变化较为平缓，这有利于提高整车的乘坐舒适性。

图15　左悬置传递率曲线对比

图16　右悬置传递率曲线对比

图17　后悬置传递率曲线对比

5　结论

（1）对原机的橡胶悬置进行了试验研究，结果显示原橡胶悬置具有较大的传递率，不利于能量的衰减，对改善车辆舒适性不利。同时，发现原机在频率为300 Hz左右时发生共振现象，会使得汽车在怠速时振动较大。

（2）针对原橡胶悬置的不足之处，重新设计了新的悬置结构，且采用了硬度较低的48号硬度橡胶。对新设计的橡胶悬置进行了三维数值模拟，结果显示新设计的橡胶悬置结构和力学性能都较好地满足汽车发动机的要求。

（3）对新设计的橡胶悬置进行了装车试验，并与原机试验结果进行了对比。试验结果表明，改进后的橡胶悬置较大地降低了能量传递率，且传递率随转速的变化较为平坦，有利于提高整车的乘坐舒适性。

［1］何渝生，魏克严，洪宗林.汽车振动学［M］.北京：人民交通出版社，1990.

［2］严济宽.机械振动隔离技术［M］.上海：上海科学技术出版社，1986.

［3］喻惠然.发动机隔振的研究［J］.汽车技术，1992（9）：25-28.

［4］熊伟.发动机悬置隔振性能及优化研究［D］.重庆大学，2003.

［5］邓兆祥，梁锡昌，何渝生.粘性阻尼振动系统的复模态摄动分析及应用［J］.重庆大学学报（自然科学版），1997，20（2）：1-5.

［6］AdigunaH，Tiwari M，Singh R，etal.Transient Response of aHydraulic Engine Mount［J］，Journal of Sound and Vibration，2003，268（2）：217-248.

［7］Gau S，Cotton J.Experimental Study and Modeling of Hydraulic Mountand Engine System［C］.SAE 951348.

Optimization Design ofEngine Suspension System BaseOn NVH

Zhou Bin
（School of Agricultural Sciences of Xichang College，Xichang，615013，China）

This paper study the original prototype engine rubber suspensions which has high transmission rate，notconducive to energy attenuation.In view of thissituation，redesigned of thenew rubber suspension，the new rubber suspension was studied by 3D numerical analysis，the results show，the new suspension on the structure and mechanical properties can meet the needs of the engine.The new suspension and the original suspension have been contrasted test，the results show，the new suspension has the low transmission rate，and transmission rate increaseswith the speed change relatively flat，advantage improve the comfortof the car.

engine，rubber suspensions，transm ission rate，design，test

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.001

来稿日期：2015-11-09

周斌（1981-），男，硕士，主要研究方向为内燃机新型燃料、发动机设计。