动力悬置支架动刚度分析及轻量化方法研究

韩启明 白珏 李卉

【摘 要】文章对动力总成悬置支架动刚度分析的方法进行了研究。首先，分析了悬置支架动刚度对悬置系统NVH性能的影响：悬置支架动刚度过小，会影响悬置系统的隔振效果，还会引起局部共振，从而使得整个系统的NVH性能变差。其次，通过有限元软件建立动力悬置支架有限元模型，并对模型进行动刚度的分析，证明原悬置支架方案满足动刚度设计要求。最后，提出了悬置支架轻量化的思路及其方案。该方案不但动刚度满足要求，而且实现了一定程度的轻量化，既能保证NVH性能又能对减轻整车重量及降低成本做出贡献，具有很好的经济意义和实用价值。

【关键词】悬置支架；动刚度；有限元法；NVH；汽车轻量化

【中图分类号】U463.33 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）04-0056-03

0 前言

NVH性能是整车性能的重要影响因素之一。随着生活水平的提高，人们对汽车的要求越来越高，对NVH性能也越来越重视。动力总成的振动占汽车振动的很大部分，它的振动通过悬置橡胶及悬置支架连接到车身，因此悬置支架的性能好坏对NVH性能有着重要的影响。对悬置支架NVH特性影响比较大的是动刚度，动刚度是衡量物体抵御动载荷作用变形的能力。动刚度不足，汽车行驶过程中，悬置支架易受到与其固有频率接近的动载荷的作用，从而引起结构共振，造成一系列的疲劳损坏及NVH问题。

汽车的轻量化有助于减少油耗和降低排量，对减少能源的消耗和减轻环境污染都有重要的作用。因此，汽车轻量化是汽车的发展方向之一。

在早期设计时对悬置支架进行动刚度分析校核，及早地发现问题，并提出改进方案是十分必要的，同时在保证悬置支架基本性能的前提下，对悬置支架进行轻量化设计，也具有积极的降成本及减重意义。有限元法是进行悬置支架动刚度分析的常见方法，有限元法作为工程领域中最常见的数值分析方法，其基本思想是将连续体或结构划分为若干有限大小的元素，把连续待解区域离散化并且按照一定的方式结合在一起形成平衡方程，在划分完之后的求解区可以继续划分，然后再加上边界条件进行求解。

1 动刚度的相关概念

2 悬置系统隔振

良好的悬置系统能对发动机传出来的振动进行有效的隔离，不好的悬置系统则有可能出现局部隔振现象，不但起不到隔振的目的，而且会出现一系列的NVH问题。而悬置系统的隔振性能跟它的整体刚度具有密切的关系。悬置系统由主动侧支架、悬置橡胶及被动侧支架组成，它们的连接是串联的关系，该系统的整体刚度可以由下式表示：

式中，Km为主动侧支架刚度；Kr为橡胶刚度；Kp为被动侧支架刚度。

悬置系统隔振的理想情况是系统刚度完全由悬置橡胶刚度确定，但从上式可以看出，当支架刚度不够时，影响这一效果。举例来说，某悬置的悬置橡胶的刚度为Kr=200 N/mm，而主、被动侧支架刚度均为400 N/mm，则系统整体刚度仅为100 N/mm，比橡胶刚度小了一半，无法达到设计预期；如果Km及Kp→∞时，K=Kr。整体刚度完全由橡胶刚度决定，这是非常理想的状况，实际情况是达不到的。一般要求Km≥10Kr，Kp≥10Kr，则K≈Kr。此时，悬置支架能够满足悬置系统隔振的设计要求。

3 悬置支架模型建立及动刚度分析

悬置支架包括主板、底板及加强板。悬置支架通过3颗螺栓把主板跟动力总成侧连接，而底板通过橡胶与车身侧相连。加强板焊接在主板上起到提高支架动刚度的作用。建模中，一般把接发动机侧固定，接橡胶侧添加集中质量。在底板螺栓孔处把悬置支架123456方向的自由度全部约束。而在底板附近的橡胶弹性中心点处施加集中质量，同对该点在1～500 Hz范围内分别施加X、Y、Z向（参考整车坐标系）上的单位力激励，并测量该点的速度响应，激励点与响应测量点为同一个点（如图1所示）。

一般要求在加载激励频率范围内动刚度大于1 000 N/mm。在hyperwork中，把速度曲线的纵坐标转化为dB20的形式，并绘制出动刚度1 000的标准线，同样纵坐标转化为dB20的形式。从前文介绍的速度导纳与动刚度的关系可以知道，对应速度导纳曲线可以表示该方向的动刚度。通过速度导纳曲线同动刚度1 000去曲线的对比，若导纳曲线与动刚度1 000有交叉或者在其之上则说明动刚度不满足要求；反之，则满足要求。如图2所示，图中各方向的速度导纳曲线都未超出动刚度1 000曲线，说明悬置在考察频率段的动刚度满足要求，可以在此基础上进一步需求轻量化方案。

4 悬置支架的轻量化

4.1 悬置支架轻量化方法

在保证悬置支架动刚度的前提下，悬置支架常见轻量化方法有3种。

（1）减薄结构的厚度。减薄厚度可以节约成本和减轻重量，但是也会降低其动刚度和强度，因此是有一点限度的。

（2）直接改变材料，选用密度低的材料。例如，把支架材料由铁变为铸铝，可以大大减轻重量，但是制造成本会随之增加。

（3）在对强度及动刚度影响不大的局部，可以添加减重孔，这样不但能起到减重的作用，而且动刚度下降不大。

4.2 动刚度优化方案

在结构变化不大的前提下，可考虑上面的“（1）” “（3）”方法实现悬置支架的轻量化。首先，可以适当减薄主板和加强板的厚度；其次，可以计算悬置支架的模态，通过模态振型找到一阶振动较大的地方，并在此处添加减重孔（如图2所示）。因为以上2种方法会不同程度地影响悬置支架动刚度，所以减薄程度的多少及减重大小需要最后计算并通过动刚度来验证。经过验证，确定主板厚度为5 mm，加强板厚度为4.5 mm，减重方案结构如图3所示。减重方案的悬置动刚度如图4所示，可见减重方案完全满足动刚度要求。减重前后质量对比见表1。

5 结论

本文对悬置支架动刚度的分析方法进行了总结介绍，提出了悬置支架轻量化的一般思路，经过实际方案的对比分析，證明方法实用有效。

参 考 文 献

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