CA6102型发动机悬置的研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 型发动机悬置的研究 长春汽 车研究所 喻 冬然 王 长有 赵化 民 七 乞 七 七 , 七 七 吕 七 七 · , , , 七一 , 七 七 七 昌七 , 七 乞 吕 七 七 七 七 。 主 〔摘要 〕 在探索一般汽车用悬置功能和规律的基础上 , 给出了发动机悬置的一股要求和 原则 , 以及刚体模态 、 滚摆轴线 、 一阶弯曲振型 、 悬置系统的弹性中心与解祸设 计 的 关 系 。 对 型发动机的悬置进行了具体计算和分析 , 并提出了改进 。 主词 发动机一悬置 “ 振源的作用而发生振动 。 其中发动机就 巴一 一 吕 个振源 。在设计汽车时 , 合理的选择发动权的 汽车是多 自由度 的振动体 , 它受到各种 悬置 , 可以降低发动机振动的波及程度 , 减 五 、 结论 在胎体只作平移变形 其它变形 归并于胎面 的假设下 , 导出了适用于任意 载荷分布的侧偏与纵滑联合作用下的轮胎力 与力矩的一般理论表达式 。 这种理论模型表 达简捷 , 便于应用 。 在理论模型的基础上 , 提 出了联 合工况下轮胎力与力矩的半经验模型 。 这种 半经验模型的所有参数均可由单纯侧偏试验 与单纯纵滑试验中得到 , 且计算简单 , 表达较精确 , 便于在汽车转弯 、 制动与驱动 的复杂动力学模拟中应用 。 参 考 文 献 , 七 七 “ 七 ” , , , , , 。 工。 里 七 七 、 、 一 瓦 一 ‘ , , 吐 , 抬 , 屯 一 。 七 夕 一 不 入 。, 。, , 凡 七 , 郭孔辉等 轮胎试验技术的开发研究及共 在汽车性能研究中的应用前景 汽车工程 。, 七 七 。 七 七 。 七 , 酒井秀男 轮胎工学 夕 于 夕 夕 出版 , 一 一 责任编辑 洪 雨 汽 车 技 术 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 少振动引起的不良后果 。 因此在现代汽车的 设计中 , 发动机悬置的设计越来越受到关注 。 本文从悬置的一般设计原理出发 , 提 出 了若干设计准则和方法 , 并对 型发 动机的悬置进行了振动分析 。 图 给出了传递效率 , 与。 。。 的关系 曲 线 。 由图可见 , 若使刀 , 必须有 。 叭 斌万 , 这是隔振的主要依据 。 叮 , 口 。 ‘ 。 ‘图 八八已闷 二 、 悬置设计的一般要求 现代汽车上的发动机 , 是通过悬置安装 在汽车底盘上的 。 它既是弹性元件 , 又是减 振装置 。 一组设计合理的悬置不但可以减小 发动机及整车的振动 、 降低噪声 , 而且还可 以改善乘坐的舒适性 , 从而可提高零部件和 整车的寿命 。 悬置设计应满足如下要求 。 支承作用 悬置是一个支承元件 。 它必须能承受发 动机总成的质量 , 使其不致产生过大 的静位 移而影响正常工作 。 从隔振的角度考虑 , 要求悬置的刚度越 低越好 从支承需要考虑 , 要求悬置 的刚度 越高越好 。 因此 , 悬置应具有适宜的刚度 。 限位作用 发动机在受到各种干扰力 如制动 、 加 速或其它动载荷 作用 的情况下 , 悬置应能 有效地 限制其最大位移 , 以避免发生与相邻 件的碰撞与干涉 , 确保发动机能正常工作 。 隔振作用 悬置是底盘与发动机之间的连接件 , 它 应具有良好的隔振作用 。 既要降低 或隔离 来 自发动机的振动和冲击 , 也要降低 或隔 离 来 自路面的振动和冲击 。 因此 , 悬置应 具有防振隔振的作用 。 隔振效果一般采用隔 振传递率 叩来表示 , 其表达式为 悬置与发动机组成的质量一刚度振杯系 统的振动频率 , 通常属于低频振动范围 。 此 时可将发动机视为刚体 , 其刚体模态频率应 小于与汽车怠 垂拍当的频率的训丁 倍 , 如 能小到 则更好 。 悬置的解撰设计 系统振动的偶合 , 不但给计算工作带来 麻烦 , 而且使系统动态特征恶化 , 有时难以 控制 。 现代汽车发动机悬置的设计都是侧着 完全解藕成郊分舫把的方向发展 的 。 由于完 全解荆难度较大 , 厄此通常的作法是 反几宁 振功模态获得解刹 。 如果能使忽 置系统的弹性中心与发称机 总成的质心重合 , 弹性主轴与愤 性 主 轴 重 合 , 就可获得完全解祸设计。 如果能使发动 机前后悬置平面与滚摆轴线垂直 , 并使其弹 性中心落在滚摆轴线上 , 某些模态就可以获 得解祸 见图 。 , 一 〔 一 竺 〕 “ 山 二 亡卫 式中 乙—阻尼比“ —激振频率。 , —系统 的固有频率 谁谁卜迄迄迄迄迄迄迄迄 ‘‘‘‘‘‘‘唇沦一一 滚摆轴线长 州 、 后 悬置 俞悬置 图 年 第 期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 如果发动机前后悬置在垂直方向上的刚 度用下式表示 参见图 助 , 引 厂 、 片全一刃前而 卜卜一共二洲 匕 尸、叫 — 一 沙 了汀一 肛一 ⋯ ’万‘ 置 前一后一一一前 一后 式中 前 —前悬置刚度后 —后悬置刚度前 —前悬置沿曲轴中心方向 到 质心的距离 后 —后悬置沿曲轴中心方 向 到 质心的距离 则发动机绕其横轴的转动与上下平动振动之 间可获得解祸 。 图 厂 而使发动机总成一阶弯曲频率变低 。 如果将 发动机看成是一个弹性体 , 其悬置布置在振 动较小的一阶弯曲振型节点附近是较为合理 白勺。 万 一 雨前悬置 冬 前 后‘后悬置 图 悬置的完全与不完全解祸设计是一个较 为复杂的问题 , 它涉及到悬置 的 刚 度 、 位 置 、 形状和角度等诸因素 , 在具体设计中应 具体分析解决 。 打击中心理论 应用打击中心理论选择前后悬置位置 。 当发动机总成可视为刚体的时候 , 前后悬置 应处于互为打击中心的位置上 见图 , 这 样可使前悬置在一旦受到干扰或冲击时 , 后 悬置的响应为零 , 反之亦然 。 打击中心应满足下式 。前 。二 一 令 式中 , —发动机对亨轴的惯性矩 —发动机总成质量应用一阶纵向弯曲振型 主要用于前后悬置位置的选择 。 现代汽 车由于高速而使激振频率增高 由于轻量化 三 、 发动机悬置系统的刚 体 模 态 的频率和振型计算 发动机悬置系统物理模型和坐标的 建立 发动机一悬置系统产生的模态频率一般 在 以下 , 远比总成作为弹性体最低模 态频率低得多 , 因此发动机一悬置系统只存 在刚体模态 。 在这个频段上 , 可将发动机简 化为刚体 。 设有一个定坐标系 。一 , , 轴 与曲轴 中心平行 , 其正方向指向发动机前方 梦轴 垂直于由六缸中心线组成的平面 , 其正方向 指向发动机左方 由发动机后部向前看 轴垂直于 夕平面 , 其正方向向上 。 坐标原 点。为静止时发动机总成的质心 。 再 以 为 坐标原点建立动坐标系 一 , 犷 产 。 这个 动 坐标系的原点随质心运动 , 它在定坐标系中 的坐标为 。 、 。 、 。 , 三个动坐标轴的方 向 始终与定坐标轴保持平行 见图 。 由于发动机总成在台架上作微幅振动 , 因此 、 。 、 夕。 、 。是微小的 , 由此可认为 了 犷“‘ 与 ”一 , 重合 在下述的研究中均在 。一 坐标系中进行 。 又由于刚体转动的角 位移 、 势 、 劝是微小的 , 因此可近似地将转 动惯量和惯性积看成是常量 。 一 一 汽 车 技 术 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 甄 表 悬置系统弹性恢复系数 位位 移移 劣劣 名名 才 幼阳夕 别 。 , 人 恢复力 、‘ 、 , 天 、。 兀 。 。。 八 轴轴轴一冲 ‘ 岸 图 恢复力矩 乙 运动方程 发动机一悬置系统 冈巧体 的运动方程 , 〔 〕夕 〔 〕 弋巾 —系统的广义位移 —系统的广义加速度尸 —冈体受到的外力 、 外力矩 列 向量 〔 〕—对称的质量矩阵 , 乙 无尹’ 一 , 兄 占 。 双尹’ 无尹’ 喜 少’ 丢一 无尹’ 。 。 ⋯ 〔脚 〕二 ⋯ 阴 ·乙饥 ⋯ ‘ ’ 。 无三少’ 乡 无户’ 丢一 沦。 , , 无尹 忘 无穿’ 忌一 少’ , 。乙﹄ 、声、于夕‘广咨、,布 二 一 二 , 一 。 一 二 一 , 一 , 一 二 一 , 发动机的质量 “ 乙﹄明 比 乙 几 、 , 、 —发动机总成的惯性 矩二 , 、 二 二 、 , —发动机总成的惯 性积〔 〕—刚度矩阵 。。二 乙 罗’ 、夕﹄ 曰,人︺ 弓 洲 还八 尤 、 、 , 。 。 此 幻 “ “ 。 。。 ‘、 二 乙 无 挤’ , 一 沦夕’。 , 。 二 乙 积舒’。 , 一 积岁’。 悬置系统的弹性恢复系 数 , 其 值见表 公、 如取四点悬置 , 则有 , , ⋯, 。 乙 无少’ 。 一 无尹’ 。 二 年 第 期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 弹性中心存在并与刚体的质心相重合 , 那么 完全解祸设计就可实现 , 因此弹性中心和弹 性主轴的确定是十分重要的 。 五 、 对 八 型发动机悬置的分 折 悬置的形状 型发动机的前后悬置的形状及 尺寸见图 、 。 兽二 阵二立二只 图 答 冈叮度值 型发动机的刚度值见表 型发动机 的打击 中心 由图 和式 仁 可计算出 酬 发动机总成的打击中心为 前 后 二 其函数关系见图 。 如果保持前悬置位置不变 , 则与其相应 表 型发动机的刚度值 刚度 前悬置 后悬置 二 。 邹 至 尤 取 讨 皿 二 招 亏 口 后 。 型发动机总成一阶弯曲振 型 由台架试验结果可知 , 其节点与质心的 距离见图 前节点 距质心的水平距离 后节点 距质心的水平距离 如果考虑到 型发动机总成的刚 度较低 , 一阶弯曲频率较低的情况 , 将前尼 一 悬 ‘毛万卜﹄ ︺八心汉月欣已任摇 图 的打击中心为 后 。 如果前后悬置按打击中心布置 , 则 型汽车现有发动机后悬置的位置应向 发 动机后部移动 。 如果保持后悬置位置 不变 , 则与其相应的打击中心为 自‘ 即现在的前悬置应往前移动 。 曰连 一 万一 乃 一 鱿 图 年 第 期 — © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 置安排在节点 、 附近 , 是会有很好的效 果的 。 滚摆轴线的计算 如果倾覆力矩是发动机主要 的 外 激 振 力 , 将前后悬置布置在滚 摆 轴 线 上 见图 , 则可得到若千振厂 模态的解祸 。 但由此 引起悬置的恢复力矩却很低 , 这是不利 的 。 因此通常将悬置倾斜 , 使其弹性中心落在滚 摆轴线上 目前国外的先进载货汽车的悬置 设计已大都采用倾斜设计方法 。这样设计的 好处是 在曲轴旋转力矩作用下 , 发动机只 沿滚摆轴线旋转而不产生垂直方 向 上 的 平 动。 舀舀 、、一 ‘, 皿皿皿 ,, 一厂 了 图 万 、向不、 厂 、迄 匕二才 滚摆袖线 一 乙一 , 忆侧里生主抽 图 型发动机滚摆轴线 计 算 结 果 为 滚摆轴线与 二轴的夹角夕 “ , 入轴 与曲轴中心线的夹角月二 。 。 。 。 悬置系统的弹性中心 型发动机的两个后悬置基本上 与六缸中心线所在平面对称 , 因此可将三点 悬置简化成两点悬置 。 其主刚度为 。 工“ 。 护 经过计算得到的 型发动机三点 悬置的弹性中心 的位置见图 所示 。 了 隔振性能 由于发动机输出的扭矩呈周期性脉动 , 对于直列式发动机来说 , 它 的频率可按下式 计算 —气缸数 — 一 曲轴转数 , —发动抓冲程数对于 型发动机来说 州 , 怠速时的转数 , 这时输出的 激振频率 。 按隔振的要求 , 型发动机总成刚体模态最高频率应小于 侧万 , 即 , 而台架激振试验测量 时 , 绕 夕轴转动的频率为 , 上下平 动频率为 和 , 绕 轴转动 的频率为 , 大多在隔振频率之上 。 六 、 型发动机悬置改进意 见 心 一 ” 式中 —扭矩变动频率 , 悬置的改进方案 在已投人大量生产的 型发动机 上进行悬置改进 , 要受到很多条件的限制 。 为此 , 将 型柴油机悬置进行了改制 , 并 移 植 到 型发动机上作为改进方 案 。 如果将 型发动机前后悬置简称 “ 前旧 ”、 “ 后旧 ,, 把改制后的 。型发 动机悬置简称为 “ 前新 ”、 言新” , 经过排列 组合后 , 共得到四种组配方案 , 即 前 新 后 新 、 前新后旧 、 前旧后新和前旧后旧四个方 案 。 改进方案中的悬置布置与试验结果 图 所示为 “ 前新后新 ” 一组悬置的布 置情况 。 对四种改进方案分别进行了台架试验 。 一 一 汽 车 技 术 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 、、 · 砚砚砚 四四四四四四四四四 日日日斗一 ,, 【【【 ‘‘ 过 质心垂线 、 尸 茄 。 冷 ‘‘ 图 从试验结果来看 , “前旧后新 ”、 “前新后 归 ”、 “ 前新后新 ” 三组的结果均 比 “ 前 旧后 泪 ” 这一组的结果好 , 其中 “ 前新后新 ” 这 一组的刚体模态频率为 绕夕 轴转动频率为 , 上下平动 频率为 。 绕 轴转动频率为 。 上述结果 , 基本满足了隔振的要求 。 对改进方案的改进 以上改进方案为非优化方案 。 如果 根据滚摆轴线设计原理将悬置略 转 一 个 角 度 , 便可实现滚摆轴线设计方案 。 该方案经 计算后 , 其有关参数见图 。 图 后悬置下式 飞轮壳下支座 飞轮壳上支座 飞轮壳 车架横梁 后急置上式 上式下支架 元宝梁 下式下支架 个支角 , 将其改为结构更为紧凑的下支座多 将悬置下支架由车架纵梁挪至元宝梁上 。 这个改进方案的优点是 ①容易控制发 动机总成的振动 ②飞轮壳的结构紧凑 、 受 力状态合理 、 便于制造 ③悬置的主要支承 力由剪切变为正压 , 提高了使用寿命 ④车 架强度有了提高 ⑤悬置易于更换 ⑥降低 了成本 、 便于实现 。 滚摆轴线 甚份 图 后 · 悬置的 “ 角偏小 。 如果能结 合飞轮壳统一设计 , 改进的效果会更好 。 设 想的方案见图 所示 。 改制部分包括 去掉飞轮 壳上支座的两 七 、 程序的研制 本课题研制了 “ ” 和 “ ” 程 序 。 “ ” 程序可对三点悬置或四 点 息 置的发动机总成进行刚体模态计算 。 “ ” 程序专供刚体惯性主轴和主转动 惯 量 的 计 算 。 、、 结束语 发动机悬置设计是个比较复杂的问 题 , 涉及的因素很多 。 其设计的优劣对整车 的动态特性会产生重要的影响 。 本研究成果 表明 , 深人开展对有关悬置方面的研究是有 意义的 。 本文介绍的虽然是针对 型 发动机开展研究的成果 , 但它对一般汽车悬 置的设计 、 计算 、 试验也是有指导意义的‘ 责任编辑 靳 兵 年 第 期