纵置发动机悬置系统布置与计算

半扇窗 2022-07-23 发布于湖北

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摘要：纵置动力总成布置通常考虑弹性中心理论，其主要目的是为了使扭转方向与平动方向运动相互独立，以实现悬置系统更好的解耦性能。由于纵置的左右悬置一般对称布置，roll向与Z向耦合振动相互抵消忽略，这个可能存在一定局限性。本文通过对悬置系统耦合刚度的研究，综合考虑各向耦合力的解耦，对悬置布置提出一些改进措施。

引言

悬置系统是动力总成振动传递路径过程中最重要的减振件之一，直接影响动力总成振动传递及车内的舒适性。悬置系统解耦率的好坏对悬置系统设计开发起关键指导作用。对于纵置悬置系统而言，前期布置解耦直接影响后续的解耦优化，当前通常要求扭矩轴和弹性轴重合以达到布置上的解耦。实际上，由于布置边界、零件制造等因素的影响，完全重合不太可能，这种情况下，所谓的悬置系统的弹性轴位置，相对扭矩轴在理论范围内到底高一点好，还是低一点好，这是值得深思的问题。

1 概述

对横置发动机，悬置布置过程中，基本没有安装角度的影响，只需要对悬置布置的位置进行控制就可以平衡悬置系统弹性轴/点与动力总成扭矩轴的关系，因此悬置前期布置过程中，对悬置的位置有着严格的定义要求。纵置发动机，悬置系统弹性轴/点由安装位置、安装角度、橡胶压减比决定，因此与横置存在很大的差异性，同样的控制范围，纵置悬置布置过程中的传统弹性轴高于扭矩轴好，还是低于扭矩轴好？为进一步明确布置上的解耦，我们不妨从纵置悬置系统的弹性轴定义开始分析。

2 弹性中心理论

对于纵置两边对称布置的悬置，悬置点受到Y向位移时，悬置受力情况如下：

其中：Kw为垂向刚度（橡胶压缩方向），Kv为切向刚度，θ指悬置安装角度（如图1受力示意图）。

悬置整车方向受力情况如下：

Y向受到位移后，扭矩方向受力情况如下：

综上可得：

图1 前悬置受力示意

对于前悬置而言，总存在一个点，使roll（绕X）方向存在扭矩时，Y向位移为零。即roll向与Y向耦合刚度Kyrx为零，该点即为弹性中心点。

根据定义，Kyrx为零时，弹性中心点其实仅限于Y向与roll向的耦合刚度的定义，进一步简化得：

其中，l为压剪比kw/kv，Z/Y为高宽比。悬置高宽比与压剪比、安装角度关系如图2所示。

图2 弹性中心点与悬置参数关系

如图2所示，Y向与roll向弹性点与悬置布置规律如下：

①当压减比越高，其弹性点越高；

②当安装角度处于23°左右，其弹性点时最高的，随后，随安装角度增大而变小。

通常，纵置悬置系统弹性轴主要按roll向与Y向弹性点进行考量。

3 关于roll向与Z向的耦合刚度

弹性中心点主要针对刚体解耦，对于Z向与roll向的耦合刚度，按对称布置，合成值为零，其实质是针对缸体质心。对于单个悬置而言，绕曲轴方向的扭矩传递到车身的Z向位移不可忽略。

3.1 roll向与Z向耦合刚度与悬置参数关系

同理推导，悬置roll向与Z向耦合刚度公式：

根据公式（6），很容易求得关于roll向与Z向耦合刚度的中心点与悬置参数关系，结果如图3所示。

图3 roll和Z向耦合刚度中心点与悬置参数关系

根据图3所示，roll向与Z向弹性点与悬置布置规律如下：

①当压剪比越小，roll向与Z向弹性点越低；这个与前面所述的roll向与Y向弹性点相反。

②角度越小，弹性点越高。对于roll向与Y向弹性点，角度到23°左右时弹性点最高。

因此，这两种弹性点对于悬置的压减比和角度布置是有一定的区别。这样，我们很容易可以验证两者对于整车的实际影响。

3.2 纵置布置点验证

某商用车柴油车开发项目（纵置车型），前悬置安装角度为30°，根据前述计算，roll与Z（图4虚线）向及roll向与Y向弹性解耦点（图4实线）均在扭矩轴上方（如图4所示），变更压剪比，由1.5逐渐提升到7，roll与Z向的弹性点往下降低，roll与Y向的弹性点往上升高，两者趋势相反。为了验证趋势，本方案将压剪比提高，roll与Z向弹性解耦点离扭矩轴更近，roll与Y向弹性解耦点离扭矩轴更远。

悬置刚度对比参数如表1，由于整体布置包括角度没变，仅涉及前悬置刚度比调整，计算模态基本相当。具体变化参数如表1。

表1 前悬置参数优化

图4 某项目弹性点布置情况

将不同压剪比的方案在同一辆车上进行单一因素验证，验证结果见图5，扭矩轴偏向roll与Z向弹性点时，Z向振动由0.087m/s2降低到0.074m/s2。即垂向振动随roll向与Z向弹性中心布置优化而有较大的改善。

图5 某项目弹性点优化前后对比

当然，Y向与roll向的弹性点对点火侧倾有着较大的影响，在文献[6]上有过论述，此处更改压减比幅度相对较小，点火抖动影响不大。因此，在roll向与Y向弹性点布置范围内，可以适当的靠近roll向与Z向弹性点。对于纵置悬置系统布置而言，我们常见的纵置液压悬置，在布置上由于要考虑疲劳性能，不得不采用平置布置，即牺牲Y向与roll向的弹性点，布置上无法完全解耦，这类车型布置往往会在发动机启动瞬间有点轻微晃动，但由于roll向与Z向布置原因，车辆在原地怠速工况也不一定差。