汽车发动机悬置系统的设计指南

1 发动机悬置系统的设计指南

1.1 悬置系统的设计意义及目标简介

现代汽车发动机无一不是采用弹性支承安装的，这在汽车行业称之为“悬置”，在力学及振动工程中则是个隔振问题。如果不用中间弹性元件而直接将发动机刚性地固紧在汽车车架（底盘）上，则当汽车在不平坦的路面上行驶时将导致机身由于车架的变形、冲击而损坏；而当汽车在平坦光滑的路面上行使时来自发动机的振动将导致车架、车身产生令人厌恶的结构噪声。此外弹性悬置还能补偿在发动机安装及运动过程中由车架变形导致的相对位置的不精确。

由此可知，悬置系统的设计目标值：

1) 能在所有工况下承受动、静载荷，并使发动机总成在所有方向上的位移处于可接受的范围内，不与底盘上的其它零部件发生干涉；

2) 能充分地隔离由发动机产生的振动向车架及驾驶室的传递，降低振动噪声；

3) 能充分地隔离由于地面不平产生的通过悬置而传向发动机的振动，降低振动噪声；

4) 保证发动机机体与飞轮壳的连接弯矩不超过发动机厂家的允许值。

1.2 悬置系统的布置方式选择

每个隔振器（悬置系统）不论其结构形状如何都可以看作由三个相互垂直的弹簧组成，按照这三个弹簧的刚度轴线和参考坐标轴线间的相对位置关系，悬置系统弹性支承的布置可以有常见的三种不同方式：

1) 平置式。这是常用的、传统的布置方式，其特征是布局简单、安装容易。在这种布置方式中，每个弹性支承的三个相互垂直的刚度轴各自对应地平行于所选取的参考坐标轴。

2) 斜置式。这是一种目前汽车发动机中用得最多的布置方式。在这种布置方式中，每个弹性支承的三个相互垂直的刚度轴相对于参考坐标轴的布置是：除一个轴平行于参考坐标外，其他两个轴分别与参考坐标轴有一夹角。一般斜置式的弹性支承都是成对地对称布置于垂向纵剖面的两侧，但每对之间的夹角可以不同，坐标位置也可任意。这种布置方式的最大优点是：它既有较强的横向刚度，又有足够的横摇柔度，因此特别适用于象汽车发动机这样既要求有较大的横向稳定性，又要求有较低的横摇固有频率以隔离由不均匀扭矩引起的横摇振动。此外，它还可以通过斜置角度、布置位置以及隔振器两个方向上的刚度比等适当配合来达到横向——横摇解耦的目的，这是平置式较难做到的。

3) 会聚式。这种布置方式的特点是弹性支承的所有隔振器的主要刚度轴均会聚相交于同一点。除了有良好的稳定性外它最大的优点是可以通过调节倾斜角度和布置坐标的关系来获得六种完全独立的

振动模态。但是这种布置方式实施起来并不容易，且一般汽车发动机并没有纵向激励，斜置式完全能够满足隔振要求，因此应用不多。

以上三种布置方式，各有其优点，在实际设计工作中，根据相关的边界条件、整车的开发定位、系统设计的细化目标等设计环境而灵活选择。

1.3 悬置点的数目及其位置选择

汽车发动机的悬置系统多采用三点或四点支承。一般较老式的发动机多在风扇端设置一个或两个支承点，而在飞轮端设置两个支承点；新式的则反过来，在风扇端设置两个支承点，而在飞轮端则放一个或两个。这主要是根据发动机类型（是汽油机还是柴油机），前后承载重量分配以及激振力情况而定的。三点支承的优点是不管汽车怎样颠簸、跳动，它总能保证各支承点处在一个平面上，这就大大改善了机体的受力情况。目前有很多汽车发动机即使是采用四点支承的也力求将飞轮端的那两点尽量靠拢，以达到三点支承的效果。

此外三点悬置系统，通过合理设计可以达到上下方向、扭转振动的独立解耦，从而大幅减小了耦合振动。其中左右悬置通常接近扭转惯性轴位置布置，特别支持上下方向的振动解耦。右悬置通常采用效果更佳的液压悬置，与发动机连接布置，支持隔离发动机燃烧激励、惯性力激励、路面激励。左悬置通常就采用普通的橡胶悬置，与变速箱连接布置，在隔离激振的同时起到动力总成限位的作用。后悬置通常与变速箱连接布置，承受扭矩，重点起到动力总成的纵向限位。

四点悬置系统，同样可以达到上下方向、扭转振动的独立解耦，从而大幅减小了耦合振动的要求。其中左右悬置也接近扭转惯性轴位置布置，特别支持上下方向的振动解耦。前后悬置主要承受由行驶工况引起的扭矩，重点起到动力总成的纵向限位。相对于三点悬置系统，四点悬置系统的优点是发动机摇振和怠速工况振动效果良好，但此种布置中前后悬置的刚度变化将引起发动机位置变化，导致怠速的预载变化，其次通常需要前横梁支撑前悬置，导致减振效果的下降。

通常在选择支承点的布置位置时除了要满足整车布置协调、系统解耦条件外还有两个问题需要考虑：一是打击中心问题。设计良好的悬置系统发动机本身的运动即使是在恶劣的道路条件下也不会很大，且隔振器也不会遭受过大的动载荷。但在有些发动机中，如直列式四缸发动机，当曲柄间隔为180度时存在着严重的二次不平衡惯性力，由它将引起机组剧烈的纵摇振动。在这种情况下如应用打击中心理论将发动机的前支承布置在激振力的作用平面内（气缸体的横向中心面处），后支承布置在打击中心处，就可以大大减轻激振力通过后支承向车身的传递，有效地减小汽车振动。后支承位置可按下式确定：L=（J+b*b*m）/（b*m）

式中：J——发动机绕通过重心的横向主惯性轴ZZ轴的转动惯量m——发动机的质量

b——发动机前支承到重心的距离

L——发动机前后支承间距离

二是机身一阶弯曲振动问题。现代汽车发动机机组作为一个弹性

体其一阶弯曲振动的固有频率并不是很高的，而功率强大的发动机的高频段的激励频率却是很丰富的，因此很有可能导致机身产生一阶弯曲振动共振。在这种情况下如能将支承点安置在振型曲线的节点处，对于减轻隔振器的附加载荷是很有利的。

1.4 悬置系统设计的频率参数

和一般的动力机械不同的是汽车发动机的质量分布很不均匀，其最小转动惯量轴线和曲轴中心线是不平行的。两者之间的夹角可达15度至30度。其次发动机的各种激励力和激励力矩均偏离机组的重心。因此能激起的振型很多。例如不平衡的回转质量离心力激发发动机产生垂向，横向，纵摇（绕y轴），平摇（绕z轴）等振动；由不均匀的简谐扭矩能激起发动机产生横摇（绕x轴），平摇等振动。

在工程实际中悬置系统的振动都是按刚体模态来处理的，整台机组在空间的运动具有六个自由度，即三个沿相互垂直的通过重心的轴线的往复运动和三个绕此三根轴线的回转运动，这样就有六个振动模态，相应就有六个固有频率。而理论分析表明，汽车发动机的六个振动模态并不是完全耦合在一起的，而是形成两组三联耦合振动，即垂向-纵向-纵摇及平摇-横向-横摇。

推荐的悬置系统固有频率范围如下：

1 平摇fа、横摇fβ（以及平摇-横摇耦合振动时的f1）

这两个固有频率是汽车发动机隔振设计能否成功的关键要素，特别是横摇fβ，一般推荐值为：