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= HZC-----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2f ，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。

(,,,,,)Ty x z Q x y z θθθ=..............(,,,,,)Ty 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图3-9 质心测试原理1、 测试原理和方法发动机质心位置采用“悬线体的自由悬线延长线必定通过物求出质心法”原理测定。

“悬线法”是利用“任一连续物体质心” 这一原理，使用经纬仪进行测量从而位置的一种方法。

测发动机吊起来，并在吊勾处垂直悬挂一细绳，如图1所示，然后使用两台互成90°成水平，并将镜头上的竖直坐标线对准悬吊细绳垂直部分的中点M 就是质心位置。

2、 （如图3-10示）。

用测试与计算机三维模型分析相结合的方法来测试发动机的质心位置，避免了用量具、磅秤等测量工具的测量及计算误差，该方法具有较高精度，不仅可以用来测量发动机的质心位置还可以用来测试如变速箱、离合器、缓速器等零部件乃至整车的质心位置。

二、 转动惯量的获取在对动力总成进行振动分析时，首先要测定下面质量矩阵M 中的各个参数。

测量时，首先用起吊锁链将被为使细绳垂直可在吊勾处悬挂一个吊锤，左右的经纬仪，将其调部，向下延长交于被测发动机表面的A、B 点（A 为进点，B 为出点），在发动机表面做出A、B 两点的记号。

同理，改变悬吊方位，可以找到另外两点C 和D 两点并做记号。

AB 与CD 的交求出质心位置通过上述测试方法获取A、B、C、D 进点和出点记号后（如图2、图3所示），然后以记号点附近的某零件为参照物，精确量出记号点相对参照零件的具体位置，最后在Unigraphs （或Pro/E）三维发动机模型中找到A、B、C、D 这4个点，并做AB、CD 连线，得到交点M（如图3-9所示），然后利用UG 分析功能，快捷求出质心M 相对曲轴中心线及机体后端面等各参考基准的具体距离，x xy xz xy y yz xz yzz m m m M J J J J J J J J J ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥−−⎢⎥−−⎢⎥⎣⎦其中的参数，包括动力总成的质量，绕过质心的三个轴的转动惯量及惯性积，质量M 可以通过磅秤测出既简便又准确，而转动惯量及惯性积的测量则比较困难，通常的试验方法有三线扭摆法和复摆法，其原理都是通过测试往复振动物体的振动周期，再进行反算得出转动惯量及惯性积。

随着计算机技术的飞速发展，各种功能强大的分析软件均可通过三维模型直接计算分析得出精确的结果，其前提条件是各零件的三维模型必须准确。

常用的软件有Unigraphs、Pro/E。

在此不再详细介绍。

三、 悬置软垫的三向主刚度值测试在对动力总成进行振动分析时，同样要确定刚度矩阵K 中的各个参数，其中悬置软垫的相对质心位置的安装位置、角度可以通过布置计算得出，而悬置软垫的三向主刚度值则需要通过试验测定。

测试时将试件用专用夹具固定在试验台上，采用万能拉压试验机对试件进行缓慢1mm/min，变20%，试验结束绘S 15%误差。

测量位移、范围内的综合均方根值，求出在发动机加速度最大综合均方根值时的振动烈度等级，并一、加速度传感器通过粘接或磁座安装在相应位置，传感器的输出信号通过屏蔽加载及卸载，变形速度不超过形范围不超过橡胶厚度的出加载及卸载的迟滞回线，根据迟滞回线可算出静刚度值，如图3-11所示。

对于阻尼较小的橡胶悬置软垫，可以忽略阻尼不计，加载及卸载的曲线基本重合。

K = 2P / 2X图3-11 迟滞回线 由于悬置软垫的安装位置、角度在整车布置时已经确定下来了，那么影响刚度矩阵K 的主要因素就是悬置软垫的三向主刚度值，这些值的变化将会改变整机的振动模态，因此不仅在设计阶段要确定悬置软垫的三向主刚度值，在生产检验上也应该采取有效的控制措施。

由于橡胶悬置软垫的生产是粗加工，在设计、生产、检验上一般允许刚度值有第四节 整机振动测试方法发动机的整机振动测试根据GB 7184《中小功率柴油机振动测量方法》进行。