周斌（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，西昌615013）

【設(shè)計(jì)與計(jì)算】

基于NVH的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周斌
（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，西昌615013）

對(duì)國內(nèi)某款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的橡膠懸置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)原型機(jī)的橡膠懸置具有較大的傳遞率，不利于能量的衰減。針對(duì)這種情況，重新設(shè)計(jì)了新的橡膠懸置，對(duì)新設(shè)計(jì)的橡膠懸置進(jìn)行了三維數(shù)值分析，結(jié)果顯示新的懸置在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能方面都較好地滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。對(duì)新設(shè)計(jì)的橡膠懸置和原懸置進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的懸置具有較低的傳遞率，且傳遞率隨轉(zhuǎn)速的變化較平坦，有利于提高舒適性。

發(fā)動(dòng)機(jī) 橡膠懸置 傳遞率 設(shè)計(jì) 試驗(yàn)

1　概述

良好的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)幅度，減少噪音，提高整車乘坐舒適性都起著重要作用［1］。目前，國內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面還與國外存在較大差距，大多數(shù)企業(yè)在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，出于技術(shù)和成本的考慮，都是采用類比設(shè)計(jì)的方法，還沒有形成全面、系統(tǒng)的獨(dú)立自主的開發(fā)程序。因此，對(duì)懸置系統(tǒng)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義［2］。

2　原懸置系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置系統(tǒng)一般采用三點(diǎn)式和四點(diǎn)式懸置系統(tǒng)，而由于橡膠懸置具有獨(dú)特的低成本、易維護(hù)的特性，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用［3］。本文所研究的懸置就是采用三點(diǎn)式橡膠懸置。

2.1試驗(yàn)方法

在原發(fā)動(dòng)機(jī)的左、右、后三個(gè)懸置的上下位置各布置一個(gè)加速度傳感器，共6個(gè)加速度傳感器，可以測(cè)試18個(gè)振動(dòng)方向。將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按由怠速到最高轉(zhuǎn)速等分為10等分，用數(shù)據(jù)采集儀采集發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況下各懸置上、下點(diǎn)的垂直振動(dòng)加速度信號(hào)，所得數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理后得出加速度均方根值并繪制成圖表曲線。圖1為原發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的橡膠懸置，圖2為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝位置。

在本次試驗(yàn)中，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)能量的大小以加速度均方根值表示，各懸置的振動(dòng)能量傳遞率以懸置下方測(cè)點(diǎn)加速度均方根值除以懸置上方測(cè)點(diǎn)加速度均方根值來表示，即：振動(dòng)能量傳遞率=下測(cè)點(diǎn)加速度均方根值/上測(cè)點(diǎn)加速度均方根值［5］，將各種工況下的振動(dòng)傳遞率繪制成對(duì)比圖表，進(jìn)行分析，得出結(jié)論［4］。

圖1　原發(fā)動(dòng)機(jī)的橡膠懸置

圖2　原車發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)傳感器位置

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

在各種工況下，分別測(cè)量懸置上方和下方測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，得出各工況下加速度頻響特性，如圖3～圖6所示。

分析上面的頻響特性圖，可以得到如下結(jié)論：

（1）在低頻范圍內(nèi)，該懸置的能量衰減率較差，只能達(dá)到大約五倍的衰減，而根據(jù)國外同類先進(jìn)數(shù)據(jù)表明，橡膠懸置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各類工況應(yīng)達(dá)到平均十倍左右的衰減。

（2）各個(gè)工況下，該懸置對(duì)二階頻率振動(dòng)的隔振效果都較差。

（3）從測(cè)試數(shù)據(jù)看，采用懸置隔振之后，在車架上測(cè)得的加速度響應(yīng)仍然較大，大大影響了整車的乘坐舒適性［6］。

圖3　怠速時(shí)懸置上方加速度頻響特性

圖4　怠速時(shí)懸置下方加速度頻響特性

圖5　4 000 r/m in懸置上方加速度頻響特性

圖6　4 000 r/m in懸置下方加速度頻響特性

（4）從測(cè)試數(shù)據(jù)分析可以看出，在頻率為300 Hz左右時(shí)，加速度響應(yīng)有峰值出現(xiàn)，估計(jì)為懸置系統(tǒng)出現(xiàn)共振所致。

3　發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1橡膠懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橡膠懸置的結(jié)構(gòu)和工作原理較為簡(jiǎn)單，它一般由金屬骨架以及硫化到金屬骨架上的橡膠組成。金屬骨架的作用主要是防止橡膠懸置發(fā)生過大的變形，以及作為懸置的連接部分，橡膠則提供內(nèi)摩擦阻尼來衰減振動(dòng)［4］。

針對(duì)以上分析原機(jī)橡膠懸置的不足，對(duì)橡膠懸置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，三維數(shù)模和實(shí)物圖如圖7～圖8所示。同時(shí)，為了避免懸置系統(tǒng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，設(shè)計(jì)采用了硬度相對(duì)較低的48號(hào)硬度橡膠，可以改善整車怠速舒適性。

圖7　發(fā)動(dòng)機(jī)懸置三維數(shù)模

3.2橡膠懸置的仿真計(jì)算

為模擬汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí)橡膠懸置的受力情況，對(duì)其施加相應(yīng)頻率的振動(dòng)力矩，采用CFD數(shù)值分析軟件Ansys對(duì)新設(shè)計(jì)的橡膠懸置進(jìn)行數(shù)值分析，分析結(jié)果如圖9～圖14所示。

從仿真分析的結(jié)果可以看出，新設(shè)計(jì)的橡膠懸置的結(jié)構(gòu)形狀和力學(xué)性能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)與整車匹配的要求，同時(shí)該懸置的力學(xué)性能在發(fā)動(dòng)機(jī)的理想范圍之內(nèi)。

圖8　新設(shè)計(jì)的橡膠懸置實(shí)物

圖9　右懸置在3 00Hz頻率正弦力作用下的響應(yīng)云圖

圖10　右懸置的一階響應(yīng)模態(tài)振型

圖11　右懸置一階頻率響應(yīng)速度矢量圖

圖12　左懸置的受力分布云圖

圖13　左懸置一階頻率響應(yīng)速度矢量圖

圖14　左懸置受單點(diǎn)正弦力響應(yīng)云圖分布

4　改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)懸置試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

采用相同的方法對(duì)改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的加速度頻響特性進(jìn)行測(cè)試，并換算為傳遞率曲線，并與改進(jìn)前的傳遞率曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖15～圖17所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)之后，各個(gè)懸置的傳遞率都有較大程度的降低，且曲線變化較為平緩，這有利于提高整車的乘坐舒適性。

圖15　左懸置傳遞率曲線對(duì)比

圖16　右懸置傳遞率曲線對(duì)比

圖17　后懸置傳遞率曲線對(duì)比

5　結(jié)論

（1）對(duì)原機(jī)的橡膠懸置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示原橡膠懸置具有較大的傳遞率，不利于能量的衰減，對(duì)改善車輛舒適性不利。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)原機(jī)在頻率為300 Hz左右時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象，會(huì)使得汽車在怠速時(shí)振動(dòng)較大。

（2）針對(duì)原橡膠懸置的不足之處，重新設(shè)計(jì)了新的懸置結(jié)構(gòu)，且采用了硬度較低的48號(hào)硬度橡膠。對(duì)新設(shè)計(jì)的橡膠懸置進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，結(jié)果顯示新設(shè)計(jì)的橡膠懸置結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都較好地滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

（3）對(duì)新設(shè)計(jì)的橡膠懸置進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，并與原機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的橡膠懸置較大地降低了能量傳遞率，且傳遞率隨轉(zhuǎn)速的變化較為平坦，有利于提高整車的乘坐舒適性。

［1］何渝生，魏克嚴(yán)，洪宗林.汽車振動(dòng)學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，1990.

［2］嚴(yán)濟(jì)寬.機(jī)械振動(dòng)隔離技術(shù)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986.

［3］喻惠然.發(fā)動(dòng)機(jī)隔振的研究［J］.汽車技術(shù)，1992（9）：25-28.

［4］熊偉.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置隔振性能及優(yōu)化研究［D］.重慶大學(xué)，2003.

［5］鄧兆祥，梁錫昌，何渝生.粘性阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)攝動(dòng)分析及應(yīng)用［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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

來稿日期：2015-11-09

周斌（1981-），男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)新型燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。