汽车动力总成悬置系统的整车布置研究

汽车动力总成悬置系统的整车布置研究

张宪全

东风柳州汽车有限公司    广西柳州市    545000

摘要：动力总成是车辆的动力来源，在工作过程中会产生不平衡力和力矩以及路面的不平度是造成汽车振动的主要振动源。动力总成悬置要保证两个基本功能，一是有效地承载动力总成，保证在各种工况下都能够可靠的工作；二是能够对各种振动进行有效的消减，最大程度的提高乘员舒适性。

关键词：汽车动力总成；悬置系统；整车布置

引言

现代汽车的发展方向是乘坐舒适、高速和操纵稳定，这样，进一步解决发动机引起的振动和噪音问题，成功地选择发动机悬置系统，就成为现代汽车设计的一个重要课题。

一套良好的发动机悬置系统能充分地减小发动机引起的噪音、冲击和振动，延长零件的使用寿命，减小汽车的停车维修时间。不仅能使整车性能得到多方面的改进，更重要的是能提高工作人员和乘客在车内工作或乘坐时的安全性和舒适性。

1动力总成悬置系统的基本原理

动力总成悬置系统主要是由刚性支架和弹性支承装置两部分组成，承担着发动机、变速器、离合器的重量，抑制发动机本身的激振力向底盘与车身传递，防止底盘与车身在发动机工作时遭受强烈的振动与噪声，改善乘客的舒适性，阻止由不平地面引起的振动向发动机传递，提高零件的使用可靠性与耐久性，限制发动机过大的振动，以避免发动机振动过大引起相联部件的损坏。悬置系统性能通常用传递率β来衡量，也就是把来自发动机的振动通过悬置系统传递到车架的数量。当β＞1时，表示悬置系统正在增加来自发动机的振动，其自振频率接近于发动机的固有频率，从而产生共振。当β＜1时，表示悬置系统正在减少来自发动机的振动，起到了隔振作用。

所以设计悬置时，首先要考虑发动机的固有频率，避开共振点。动力总成悬置应该具有良好的隔振作用，一方面，它要阻止作为振源的发动机向车架传递振动力，这类形式称为主动隔振；另一方面，悬置必须阻止路面不平激励等传给发动机的振动和冲击，并使动力总成作为动力吸振器来衰减车架的振动能量，这种隔振形式称作被动隔振。因此悬置具有双向隔振的特性。发动机的振动主要来源于两处，一是由气缸内点火燃烧，曲轴输出脉冲扭矩引起的激扰；二是由发动机往复运动的活塞和连杆等造成的惯性力不平衡的垂直振动。发动机在怠速和额定功率时是共振的易发区，所以在设计时都要考虑。

发动机悬置系统的最基本的功能是[1]：1、固定并支承汽车动力总成；2、承受动力总成内部因发动机旋转和平移质量产生的往复惯性力及力矩；3、承受汽车行驶过程中作用于动力总成上的一切动态力 4、隔离由于发动机激励而引起的车架或车身的振动；5、隔离由于路面不平度以及车轮所受路面冲击而引起的车身振动向动力总成的传递

2悬置的匹配设计

2.1动力总成悬置的布置形式

动力总成悬置的安装方式有三点式、四点式、五点式。三点悬置与车架的顺从性最好，因为三点决定一平面，不受车架变形的影响，车架变形对软垫影响小，而且固有频率低，不容易发生共振，抗扭转振动的效果好。四点式用在轻型车、中重型车，四点式悬置稳定性好，能克服较大的转矩反作用力，所以是最常见的布置形式。动力总成一般是将发动机和变速器连接在一起，重量和长度较大。为了避免发动机后端面和飞轮壳结合面处产生过大的弯矩，或者发动机产生俯仰振动，很多车在变速器上增加了一个辅助支撑点，就由四点式变成五点式，五点式用在重型车上。由于该支点距动力总成质心最远，又是过定位点，因此辅助支撑刚度不能太大，以免因车架变形而损坏变速器或悬置支架。有的车型变速器重量小，基本不用再增加第五支点。为了保证动力总成与车桥之间的传动轴在一个合理的旋转角度，通常将动力总成在车辆上的安装设计一个倾角，比方说动力总成轴线中心与车架上平面有0-3度夹角。

2.2悬置的固有频率

对于一个好的悬置系统来说，一般推荐当发动机怠速转动时，传递率不大于0.4，对于橡胶材料，其相对阻尼系数为0.1，当传递率为0.4时，悬置系统激振频率比为2。也就是说发动机怠速为600r/min时，点火频率为30Hz时，发动机悬置系统的自振频率应该低于15Hz。

2.3悬置的受力分析

要设计各点悬置刚性零件和弹性零件，必须知道其受力状况，所以首先要进行悬置点的受力分析。按照发动机、变速器、离合器的重量和质心位置，同时考虑空调压缩机、转向油泵等附件的重量，对整个动力总成重量进行力学叠加，可以计算出动力总成悬置受力情况：

变速箱尾部有安装支撑时，飞轮壳承受的静态弯矩简易算法如下：

We:发动机湿重kg

Wt:变速箱湿重kg

R1:前端支承的反作用力kg

R2:飞轮壳支承的反作用力kg

R3:变速箱支承的反作用力kg

M1:飞轮壳承受的弯矩

对前端支承处取矩：

R2*L3+R3*L5-We*L1-Wt*L4=0

R2= (We*L1+Wt*L4- R3*L5)/L3

R1=We+Wt-R2-R3

对飞轮壳后端面取矩：

M1=R2*L6+R3*L8-Wt*L7

2.4悬置的零件设计

悬置的零件包含刚性部分和弹性部分。刚性部分主要作用是支撑动力总成，需要保证在各种工况下不发生明显变形，更不能出现断裂。不同车型对悬置的强度要求也不一样，比如自卸车主要是在工地、矿区行驶，路面状况较差，要求悬置的强度和刚度都大一些；物流运输牵引车主要在良好公路运行，路面条件好，颠簸幅度小，所以对悬置的强度和刚度要求低一些。弹性部分主要起减震作用，要求具有一定的刚度和弹性。车辆行驶过程中，动力总成会在前后、上下、左右等各个方向产生一定的位移，其中以上下方向位移量最大，通常达到10-20mm。我们在设计时主要计算上下方向的位移。弹性零件的技术指标主要体现在其三个方向的刚度值，以Z方向为主。在设计该刚度值时，一般要考虑车辆的行驶工况。考虑不同发动机，会根据自身的频率给出推荐刚度值，避免发生共振，影响车辆的舒适性。

还需对发动机悬置支架进行CAE有限元分析，以初步判断零件的强度是否满足设计要求的，同时根据安全系数大小，继续调整优化设计，保证可靠性前提下取得轻量化效果。

3结束语

在动力总成悬置设计过程中，应该首先进行理论计算，再进行试验验证，以理论计算为指导，以试验验证为基准，最终要用实践来检验，需要循环改进，以达到最佳效果，使得悬置系统符合使用要求。

参考文献：

[1]梁天也,史文库,唐明祥.发动机悬置系统的研究综述.噪声与振动控制,2007-2