内燃机整机振动及隔离

内燃机整机振动及隔离

第一节 悬置软垫简介

动力总成是通过悬置软垫安装在汽车底盘上的，它承受着动力总成的质量，在受各种干扰力(如制动、加速等)作用的情况下，悬置软垫应能有效地限制其最大位移，以避免发生与邻近件的干涉，同时，它应具有良好的隔振作用，既要降低来自发动机的振动与冲击，也要降低来自路面的振动与冲击。总的来说，悬置软垫具有三大功能：支承、限位、隔振。　

悬置软垫的弹性元件大多用天然橡胶或氯丁橡胶制成，天然橡胶要比其它合成橡胶疲劳寿命高，但氯丁橡胶对各种使用环境的兼容性好。此外，只有在遇到特别不利的场合，如工作环境温度过高，受油的污染严重等情况下，才应考虑使用腈橡胶、异丁橡胶和硅橡胶。　

橡胶悬置的结构型式可做成压缩型、剪切型和复合型，如图3-1示，一般来说，压缩型的结构最为简单，复合型的结构制作复杂，成本较高，但其各向间的刚度可以任意确定。

移，态。成的质心，因此动力总成的垂直静负荷主要由后悬置承担，而前悬置主要承受扭

转负荷，因此一般后悬置的垂直刚度较大。

二十世纪八十年代开始，美国、日本等国

家的一些高级汽车、轿车上开始采用具有液力

阻尼的橡胶悬置，结构如图3-3示。柔性橡胶

悬置内有两个单独的油腔，并有一个可控制阻

尼的节流孔，油腔中封有一定粘性的液体，发

动机怠速旋转时，发动机振幅不大，液体可以

通过一阀门自由来回流动，汽车行驶中，如发

动机被激发产生大振幅的晃动，此时外界压力

把阀门关闭，迫使液体经节流孔流入低压油

腔，液流阻尼增加，从而抑制了发动机的大振

幅运动。这样，发动机在怠速和行驶中都很平

稳。

图3-3 液压悬置

第二节 整机振动的运动分析

一、 自由振动模态分析

研究内燃机整机振动的目

的是为了了解它的振动规律和

大小；考察悬置软垫或隔振器的

性能；研究环境对内燃机振动的

影响。 动力总成通常安装在隔

振装置（悬置软垫）上，即使是

刚性安装的动力总成，其支架、

地脚螺栓、乃至基础本身等都不

是绝对刚性，而具有一定的弹

性。因此在分析动力总成整机振

动时，通常将其简化为六自由度

的刚体运动模型，如图3-4示。

在对动力总成的质量、质心位置

及转动惯量、悬置主刚度已测定的基础上，可导出悬置系统的惯量阵与刚度阵，建立系统六自由度整机自由振动微分方程：

图3-4 整机振动模型

K 与悬置的安装坐标及角度、三个方向的弹性主刚度有关。

0..

M K Q Q +=x xy xz xy y yz xz yz z m m m M J J J J J J J J J ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥−−⎢⎥−−⎢⎥⎣⎦

用求解广义特征值的矩阵迭代法求解式便可得到动力总成悬置系统的六个固有目前已有大量的软件用于计算复杂的多自由

对直列发动机来说，它的扰动频率可按下式计算：

刚体模态频率（f 1～f 6）及相应的振型。度振动微分方程。

由于发动机输出的扭矩呈周期脉冲， 260f Nn C

= HZ

C-----发动机冲程数

式中：f ----扭矩扰动频率 N-----气缸数

n-----曲轴转速 （r/min）

对确定的发动机，怠速时转速为n （ r/min），按上式计算输出的扭矩扰动频率为

f ，按隔振要求，动力总成的刚体模态最高频率（f 1～f 6

）应小于2

f ，才能确保动力坐标及角度或弹性主刚度，使其满足要求。

二、 悬置系统的结构布置

击中心理论置悬置

（如图3-5示）

，可使

2、 悬置的解耦布置

当弹性支承的刚体在一个自由度上的自由振动独立于另一个自由度的自由振动时，我们说这两个自由度的振动是相互解耦的，发动机悬置的六个自由度实际是互为耦合的，耦合的作用使发动机的振动互相激励而加大，振动频率范围加宽。

(,,,,,)T

y x z Q x y z θθθ=..............(,,,,,)T

y x z Q x y z θθθ=总成的悬置系统不会在发动机的转速范围内引起共振。否则，则应调整悬置软垫的安装1、 按撞布如果把前、后悬置根据撞击中心理论布置在共轭点上前、后悬置的冲击不致相互影响，从而达到良好的隔振效果。图3-5 打击中心理论

a)当前、后悬置的弹性中心与发动机总成质心重合时（如图3-6示），可以使悬置系统在6个方向的振动完全解耦，

线上，如下图示，则可以使发动机在Y 方向的横向振动与Z 方向的垂直3、

按一阶弯曲振型布置

对较大型的内燃机，悬置软垫应布置在动力总成弯曲振动的结点，（如图3-8示作用下，它将出现类似直梁的弯曲

振动图3-6 6自由度完全解耦

b）实际上完全解耦在悬置设计上是难以实现的，因为发动机的主要激励力只有垂直方向及扭转方向，只要在这两个方向获得近似解耦就可以了。

如果前、后悬置的平面与扭矩轴垂直，并且前、后悬置的弹性中心均落在扭矩轴振动、绕X 轴的扭转振动三个自由度完全解耦。（如图3-7示）。

。因为动力总成为非绝对刚体，在高频力图3-7 3自由度完全解耦

）

。将悬置软垫应布置在动力总成弯曲振动的结点，既可以避免将发动机的弯

图3-8 一阶弯曲振型

曲振动，因为在结点处的弯曲振动响应为零。通常只考虑一阶弯曲振动模态。

三、动传给车架，也可以防止道路不平坦情况下通过车架而激起发动机的弯曲振 强迫振动分析

整机强迫振动微分方程如下：

式中 31()(cos sin )ix ix x iy iy y iz iz z i x imx imx y imy imy z imz imz a b F a b F a b F F t iwt m a b m a b m a b =⎧⎫⎧⎫⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪==+⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭⎩⎭∑iwt

它是作用在整机上的广义激振力列阵，对内燃机来说，它主要包括往复惯性力、离心惯性力及倾覆力矩。这些力及力矩在内燃机的设计和制造过程中经过了计算和平衡。因此，在整机振动计算中，激振力列阵的各项应根据设计的剩余不件

第三节 动力总成悬置系统基本参数的测取

要对动力总成进行自由振动及强迫振动分析必需获得过质心位置的转动惯量、悬置软垫的三向主刚度值，下面将介绍这些物理参数的测试及计算方法。

一、 质心位置的获取

质心位置可以

通过计算而获得，但是对于象发

动机这样复杂无规则的物体，计

算起来就相当麻烦，而且由于发

动机有大部分零部件是铸造件，

制造才能心位置。同时，发动机

在运转过程中，油、水在不断的

流动，容量也在不断心位 下面以某一半带油水的发动机为例子，说明该测试方法的

原理。

平衡力和力矩及制造过程中允许的加工误差综合确定，一般考虑到三阶。

对于复杂的多自由度强迫振动，可以通过振型叠加法求解，都有专用的软()

..

M K F t Q Q +=应用。

从上面的分析中可知，

动力总成的质心位置、规则物体的上也会与图纸存在误差，因

此采用计算方法是不符合实际

也是不可取的。因此只能通过测

试与计算机分析相结合的方法，

快捷简易且准确的获取发

动机的质变化，

其质置也随着变化，

一般考虑发动机的质心通常是半带油、水的

状态。

图3-10 在三维模型中做AB 、CD 交线，得交点M