汽车冷凝器_散热器_风扇总成悬置系统的设计方法_王铁_上官文泷_刘晓昂_上官文斌

［ Abstract］ The design requirements for the mounting system of a condenserradiatorfan module （ CＲFM） in a car are expounded and the calculation formulae for the root mean square of dynamic reaction forces in each mounting point of CＲFM under the excitation of the unbalance force in cooling fan are derived． The design technique for the displacement control of CＲFM mounts is discussed based on the design method of powertrain mounting system． Finally a calculation example is given with a result showing that CＲFM mounting system designed with the method proposed can well meet the design requirements of CＲFM mounting system． Keywords： vehicles； condenserradiatorfan module； mounting system； design method 调整风扇转速和控制动不平衡量的解决方案； 文献 ［ 2］ 中采用 Taguchi 法辨识各种因素对 CＲFM 振动 的影响， 实验结果表明， 风扇不平衡量对 CＲFM 垂向 振动的影响最大， 而风扇组件间的不良配合是导致 CＲFM 轴向振动的主要原因； 文献［ 3］ 中研究了发动 机怠速、 开空调时 CＲFM 对转向盘振动的影响。 本文中首先论述了 CＲFM 悬置系统的设计要 求。将 CＲFM 简化为一个刚体， 各个悬置简化为在 其 3 个弹性主轴方向具有刚度和阻尼的弹性元件， 建立了 6 自由度 CＲFM 悬置系统的数学模型， 推导 CＲFM 悬置系统中各悬 了在风扇不平衡力激励下， 置支承点动反力均方根值频响特性的计算公式 。 基
［10 ］
重合， 以免引起共振； 二是将 CＲFM 悬置系统设计成 一个动力吸振器， 以吸收怠速时发动机的振动， 或非 簧载质量的 Hop / Tramp 振动， 因此 CＲFM 刚体模态 （ 中的一个或者几个接近于 或等于 ） 发动机的怠速 激振频率或非簧载质量的 Hop / Tramp 频率。 图 1 为某 CＲFM 悬置系统的各支撑点动反力的 均方根限值， 源于国外某汽车厂的设计要求。 图中， f1 是非簧载质量的 Hop / Tramp 频率， f3 是转向盘的 固有频率； f2 和 f4 分别是主、 辅冷却风扇在各自转速 下的激振频率； f r 为各悬置支承处动反力均方根值 的限值曲线。 由 图 可 见， 曲 线 f r 的 峰 值 定 在 25 ～ 28Hz 间（ 对应 4 缸发动机怠速工况下 2 阶激振频率 的范围） ， 说明在该车型的 CＲFM 悬置系统设计时， 将 CＲFM 作为一个动力吸振器， 以吸收发动机的怠 速振动。图 1 中对各悬置支撑点动反力均方根值的 设计要求， 间接确定了各个悬置动刚度的限值 。
［4 ］
{ } { }
EF f = EF m UF r u UF
～
（ 3）

式中： r u 为风扇不平衡力作用点位置矢量 r u 的斜对 8］ 。r u = x u i + 称矩阵（ 3 × 3 ） ， 其定义可参考文献［ y u 和 z u 为力作用点 O u 在总成质 yu j + zu k ， 其中 x u 、 心坐标系 G c － XYZ 下的坐标。 悬置 i 作用于 CＲFM 质心处的反力 ＲF i （ reaction force， ＲF） 与反力矩 ＲM i （ reaction moment， ＲM） ， 其计算公式为
（ 8）
由式（ 7 ） 可知 CＲFM 质心位移频响特性的计算 公式为 X（ f） = （ － ω2 M + K）
－1
EF（ f）
（ 9）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在求得总成位移频响特性后， 悬置 i 在 G c － XYZ 动 坐标系下动反力的频响特性可通过式 （ 4 ） 求得， 反力均方根值为 ＲF rmsi = （ ＲF xi 槡
T X = （ x， y， z， 的位移用向量 X 表示， θx ， θy ， θz ） ， 其中 x、
Y、 Z、 y、 z 分别为 CＲFM 的质心沿 X、 轴的平动位移， 而 Y、 Z 轴的角位移。 θy 、 θz 则是绕 X、 θx 、
图1 每一个悬置动反力的均方根限值
风扇不平衡力作用点为 O u ， 该激振力等效为总 成质心坐标系 G c － XYZ 下的力向量 UF （ unbalance force） ， UF = （ UF X ， UF Y ， UF Z ） T 。 在悬置点 i 处建立 v i 和 w i 为悬置 i 的 局部坐标系 O mi － u i v i w i ， 其中 u i 、 3 个弹性主轴方向。
2． 华南理工大学机械与汽车工程学院， 广州 510641 ）
［ 摘要］ 论述了汽车冷凝器 － 散热器 － 风扇总成（ CＲFM） 悬置系统的设计要求。推导出在风扇旋转不平衡激 CＲFM 悬置系统中各悬置支承点动反力均方根值的计算公式 。基于动力总成悬置系统位移控制的设计方法， 励下， 阐述了 CＲFM 的位移控制的设计方法 。最后给出了一计算实例， 结果表明利用该方法设计的 CＲFM 悬置系统， 可较 好地满足 CＲFM 悬置系统的设计要求 。
1． 2
CＲFM 的运动控制要求
汽车在不同的工况下行驶时， 作用在 CＲFM 质 心处的载荷是不一样的。 为了限制 CＲFM 的运动，
2015 （ Vol． 37 ） No． 2
王铁， 等： 汽车冷凝器 － 散热器 － 风扇总成悬置系统的设计方法
· 157 ·
CＲFM 的运动方程为
· ·
式中： K 为悬置系统的总刚度矩阵， 其计算公式为 （ 1） － Ai ki AT Ai ki AT i i ri ∑ ∑ i =1 i =1 K = n ～ n ～ ～ T T T T － ∑ r i Ai ki Ai ∑ r i Ai ki Ai r i
1 ． School of Vehicle and Traffic，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159 ； 2 ． School of Mechanical and Automotive Engineering ，South China University of Technology，Guangzhou 510641
～ i =1 i =1 n n
MX = ＲFM + EF
式中： M 为质量矩阵， 包含 CＲFM 的质量、 转动惯量 和惯性积； ＲFM 为 n 个悬置点作用在 CＲFM 质心处 EF ） 为由于风扇的不平 的合力； EF （ external force， ［5 ］ 衡引起， 作用在总成质心处的力和力矩 。 在旋转过程中 冷却风扇由于偏心质量的存在， ， CＲFM 会产生一离心力 使 受迫振动。 由于风扇绕 电机轴线方向旋转 （ 该轴线方向与 CＲFM 质心坐标 系的 X 方向平行 ） ， 因此仅在 Y 方向和 Z 方向上有 离心力的分量。 作用在 CＲFM 上点 O u 处的激振力 向量 UF 定义为 UF =
应对各种极限工况下 CＲFM 的位移加以限制， 以避 免 CＲFM 与发动机舱中的其它构件发生运动干涉。 在国外某汽车厂的设计要求中， 给出了 CＲFM 在各 方向的极限载荷工况和对应方向上总成质心的位移 限值， 如表 1 所示。 表1
方向 X Y Z
1
1． 1
CＲFM 悬置系统的设计要求
CＲFM 刚体模态的设计要求
前言
汽车冷凝器 － 散热器 － 风扇总成 （ condenserradiatorfan module， CＲFM ） 由一些橡胶减振悬置元 件支撑在车身或副车架上， 简称 CＲFM 悬置系统。 随着汽车的轻量化设计、 大功率发动机的广泛使用 和冷却风扇的转速与不平衡量的增加， 由 CＲFM 引 起的振动对汽车 NVH 的影响越来越大。 目前关于 CＲFM 悬置系统的设计要求和分析方 1］ 法方面的文献较少。 文献［ 中研究了由冷却风扇 和轮胎动不平衡导致转向盘拍频振动问题， 提出了
2
CＲFM 悬置支承点动反力均方根值 的计算
图 2 为 CＲFM 悬置系统的力学模型。 CＲFM 简 通过左上 （ LU ） 、 右上 （ ＲU ） 、 化为 6 自由度的刚体， 左下（ LD） 和右下 （ ＲD ） 4 个橡胶悬置支撑在车身或 者副车架上。悬置简化为沿 3 个弹性主轴方向具有 刚度和阻尼的元件
各方向的载荷工况及 CＲFM 质心的位移限值
载荷 定义 纵向加速度工况 横向加速度工况 垂向加速度工况 作用于质心的加速度 / g ± 7． 1 ± 5． 9 ± 11． 7 位移限值 / mm ±5 ±3 ± 4． 5
CＲFM 的 6 阶固有频率 基于整车的模态分布， 要满足设定的要求， 并尽可能降低各悬置支承处的 动反力， 以达到减少车身振动的目的。 关于 CＲFM 的刚体模态的分布， 目前有两种常 见的设计理念 ， 一是 CＲFM 的刚体模态不与发动 机的怠速激振频率和非簧载质量的 Hop / Tramp 频率
2 2 + ＲF2 yi + ＲF zi ） / 3
{
0 m e r e ω2 cosωt m e r e ω2 sinωt