悬置设计

发动机悬置系统的初步设计（一）

1 发动机悬置系统的功用及激振力分析

发动机悬置系统（以下简称悬置系统）应该具备:

①隔振功能;

②支承限位功能;

③降噪等功能。

发动机总成本身是一个内在的振动源, 同时又受到来自外部的各种振动干扰, 使其处于复杂的振动状态, 引起周围零件的损坏和乘坐的不舒适等。其中:

燃烧激振频率, 是由发动机气缸内混合气燃烧, 曲轴输出脉冲扭矩, 导致发动机上反作用力矩的波动, 从而使发动机产生周期性的扭转振动, 其振动频率实际上就是发动机的发火频率,计算公式为[2] :

其中: f1——点火干扰频率, Hz; n——发动机转速, r/min; i——发动机气缸数; —发动机的冲程系数（2 或4）。

惯性力激振频率, 是由发动机不平衡的旋转质量和往复运动的质量所引起的惯性激振力和激振力矩的频率。它与发动机的缸数无关, 但惯性力的不平衡量与发动机缸数和结构特征有着密切关系。计算公式为[2]:

其中: f2——惯性力激振频率, Hz; n——发动机转速, r /min; Q——比例系

数（一级不平衡惯性力或力矩Q=1、二级不平衡惯性力或力矩Q=2）

选用的直列四缸发动机（见图3）, 其主要激振力为低速区段的二阶扭矩波动和高速区段的二阶惯性力, 表达式为（1-3）[3]:

式中, γ为总成布置倾斜角（通常指布置后曲轴与水平面的夹角）; m 为单缸活塞及往复运动部分质量; r 为曲柄半径; λ为曲柄半径与连杆长度之比（λ=r

/L）; ω为发动机曲轴角速度（ω=2πn /60）; Me0 为发动机输出扭矩平均值; A 为2、3 缸中心线至动力总成重心的纵向X 距离。

2 发动机悬置系统支承点位置的最佳设计

在确定悬置系统支承点位置时, 应该考虑到低速（怠速）和高速时的不同要求。发动机总成在低速运转时, 其自身的弹性振动影响较小, 将其看成刚体, 按照刚体运动理论进行研究; 高速时自身弹性振动影响较大, 必须通过试验得到其弹性振动形态, 选择振幅最小的位置, 即将悬置系统支承点布置在弹性振动的节点位置上。

在实际设计过程时, 首先以较低频率为对象, 从刚体的振动理论出发进行研究, 然后以高频率为对象, 通过试验振动分析确定支承点最合适的位置。当激振频率较低时, 接近悬置系统的固有频率, 有可能发生共振, 此时应该尽量避免各阶振动的耦合, 至少要保证变位行程大或角变位大的主振动, 例如由激振力和力矩引起的垂直方向的振动和侧倾方向的转动独立而不耦合。

以皮卡车为例, 其发动机总成在作自由扭转振动时, 是以主惯性轴作为扭转中心轴线, 在实际运行中, 受到来自曲轴的扭转外力矩, 而主惯性轴与曲轴之间有一个夹角!, 故发动机总成在作扭转振动时实际环绕的曲线是扭矩轴（如图1所示）,

它与主惯性轴之间存在一个夹角, 角的大小可按式（1-4）计算[1]:

其中, Ix 和Iz 分别为发动机总成对X 轴及Z轴的转动惯量。

悬置系统布置时, 要尽量使悬置软垫的弹性中心落在扭矩轴线上, 这样隔振效果最佳。通常将前悬置尽量布置在发动机总成一阶弯曲模态的一个节点上, 以减小振动传递, 将后悬置布置在与前悬置互为撞击中心的共轭点上[1]。

现在皮卡车采用的是发动机前置、纵置, 四点布置方式, 前悬置是V 型40°布置, 后悬置是平置。由于空间条件的限制, 未能满足撞击中心理论布置, 故要对悬置支承点的位置进行优化。

3 发动机悬置系统支承点刚度的最优选

取悬置系统的刚度选取要从两个方面进行考虑, 一是如何确定悬置之间的相对和绝对刚度值; 一是如何选择各刚度的方向。刚度的相对值和悬置系统支承点的布置有关, 一旦位置被确定了, 也就确定了悬置系统的弹性主轴或者弹性中心, 在详细了解发动机总成的各个参数（重心、质量、惯性主轴、惯性矩）后, 就可以确定悬置系统各阶固有频率和固有振动模式; 从隔振角度讲, 刚度的绝对值要求应尽可能低, 但是要避免由此产生的发动机总成与周围零件之间相对位移变大而产生的振动干涉; 除了怠速工况、车辆在急转弯时的离心力、急刹车时的冲击力及行驶时操

纵离合器的轴向推力等作用下, 将使发动机总成产生不同方向的位移、加速度, 故在悬置系统设计时, 要正确选择悬置软垫各方向的刚度。

前后悬置软垫的刚度要根据承载量及到重心0 的距离合理匹配, 达到垂直及俯仰方向上的解耦, 有约束方程, 式（1-5）[1]:

其中, KFV、KRV 分别为前后悬置的刚度,LF、LR 分别为前后悬置离动力总成重心的纵向距离（如图2 所示）。

悬置软垫的材料应尽量选用天然橡胶, 其压剪比在3~8 之间, 故有约束方程, 式（1-6）[2]:

其中, kp、ks 分别为悬置软垫的压缩刚度和剪切刚度。

该皮卡车由于结构布置的限制, 不能完全满足上述约束条件, 故要对存在主要激振力和力矩方向的刚度加以限制, 建立不同的约束条件和目标函数, 对悬置系统进行优化, 从而使悬置系统的各阶固有频率控制在激振频率的1 / 2 ! 倍以下, 得到合理的配置, 达到有效隔振的目的。

发动机悬置系统的设计

悬置系统

发动机本身是一个内在的振动源，同时也受到来自外部的各种振动干扰。引起零部件的损坏和乘坐的不舒适等。所以设置悬置系统，把发动机传递到支承系统的振动减小到最低限度。成功地控制振动，主要取决于悬置系统的结构型式、几何位置及悬置软垫的结构、刚度和阻尼等特性。确定—个合理的悬置系统是一件相当复杂的工作，它要满足—系列静态及动态的性能要求，同时又受到各种条件的约束，这些大大增加了设计的难度。一般来讲对发动机悬置系统有如下要求。①能在所有工况下承受动、静载荷，并使发功机总成在所有方向上的位移处于可接受的范围内，不与底盘上的其他零部件发生干涉。同时在发动机大修前，不出现零部件损坏。

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能充分地隔离由于路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面弯矩不超过发动机厂家的允许值。

悬置系统的激振源

作用于发动机悬置系统的激振源主要如下：

①发动机起动及熄火停转时的摇动；

②怠速运转时的抖动；

③发动机高速运转时的振动；

④路面冲击所引起的车体振动；

⑤大转矩时的摇动；

⑥汽车起步或变速时转矩变化所引起的冲击；

⑦过大错位所引起的干涉和破损。

作用在发动机悬置上的振动频率十分广泛。按着振动频率可以把振动分为高频振动和低频振动。频率低于30Hz的低频振动源如下：

①发动机低速运转时的转矩波动；

②在发动机低速运转时由于惯性力及其力偶使动力总成产生的振功；

③轮胎旋转时由于轮胎动平衡不好使车身产生的振动；

④路面不平使车身产生的振动；

⑤由于传动系的联轴器工作不佳产生附加力偶和推力，使动力装置产生的振动。频率高于30Hz的高频振动源如下：

①在发动机高速运转时，由于惯性力及其力偶使动力总成产生的振动；

②变速时产生的振动；

③燃烧压力脉动使机体产生的振动；

④发动机配气机构产生的振动；

⑤曲轴的弯曲振动和扭振；

⑥动力总成的弯曲振动和扭振；