发动机右悬置支架的优化

图 ７ 优化前频谱分析图
图 ８ 优化后频谱分析图
用优化 前 、后 的 技 术 方 案 进 行 比 较 ， 证 明 嗡 鸣 声 在 所 有 转 速 范 围 内没有明显劣化， 通过对悬置系统进行设计优化， 不仅能够改善某个 特定转速下的 ＮＶＨ 特性， 而且对整个转速范围的 ＮＶＨ 品质和噪音水 平都明显改善。完全达到预期的目标。
１．引言 汽车噪声是环境污染的主要来源之一，汽车噪声的大小是衡量汽 车质量水平重要指标，因此，汽车噪声的控制也是世界汽车工业的一个 重要课题。汽车的噪声源有多种，有些是被动产生的，有些是主动发生 的 。 其 成 因 主 要 为 以 下 的 振 动 源 和 声 源：发 动 机 燃 烧 和 惯 性 力 引 起 的 振动通过发动机悬置和副车驾传到车身上，引起车身结构振动，并进一 步向车内辐射中频噪声；伴随发动机运行产生的排气噪声、进气噪 声 、
５．结论 ５．１ 悬置系统的设计对整车的 ＮＶＨ 特性有着重要的影响； 通过改
善和增加悬置系统金属结构件的刚度， 提高子系统的固有频率， 进行 优化设计； 能明显改善和提升整车的 ＮＶＨ 性能。
５．２ 通 过 ＣＡＥ 分 析 预 测 ， 并 与 试 验 结 果 进 行 对 比 分 析 ， 找 出 某 种 相关性； 能够快速界定问题的范围， 大大缩短开发周期， 减少试验次数 和费用。
图 ４ 是 ＣＡＥ 分 析 模 型 ， 从 图 中 也 可 以 看 出 ： 发 动 机 前 端 （ 整 车 右 側） 悬置系统金属结构件的刚度可能对整车 ＮＶＨ 的贡献比较大， 较为 敏感。
图 ６ 实验系统组成框图
４．２ 试验原理 通过调整油门来改变和控制发动机转速， 由压电式 加速度传感器拾取各测试点振动信号， 然后输出到数据采集与频谱分 析系统进行处理。
ＫＬ— — — 悬 置 元 件 的 刚 度 ； ＫＶ— — — 车 身 或 车 架 边 支 架 的 刚 度 。 如果这两个支架都非常硬， 刚度趋向于无穷大， 即 ＫＥ→∞，ＫＶ→∞， 那么就有 Ｋ≈ＫＬ， 即悬置系统的刚度就是悬置元件的刚度。可是， 当支 架的刚度比较低时， 情况就不一样了， 系统实际的刚度会比期望的刚 度低， 这样就达不到设计的隔振效果。此外支架刚度不足还会导致局 部结构的共振， 甚至将结构噪声传递到车厢内。 为了达到良好的隔振效果， 支架的刚度必须要比悬置元件的刚度 大到一定程度。通常遵循两个标准， 一个标准是支架刚度应该是悬置 元件刚度的 ６－ １０ 倍， 另一个标准是支架的最低频率应该在 ５００Ｈｚ 以 上。 ２．悬置系统安装方式简述 动力总成前置前驱动汽 车 （ 简 称 ＦＦ 式 汽 车 ） 结 构 紧 凑 ， 空 间 利 用 率高， 高速行驶时具有良好的平顺性和安全性， 在中、低档轿车中得到 了广泛应用。在 ＦＦ 式汽车中驱动反力矩直接作用在动力总成悬置上， 故动力总成悬置除支承动力总成质量、扭短波动、往复惯性力外， 还应 支承驱动反力矩作用（考虑到差速器变速 比 ， 驱 动 反 力 矩 是 动 力 总 成 输出力矩的 ３—４ 倍以上）， 因此， 为限制动力总成的振幅， 悬置应 具 有 较高刚度， 但这与采用低刚度悬置以隔离发动机中高速运转时的振 动、噪声的要求相矛盾。为克服这一矛盾， 应在悬置系统中采取相应措 施。 本文研究的某款前置前驱轿车， 发动机前端右悬置处靠近发动机 侧的支架连接点与曲轴中心线位置偏离较大， 形成较大的弯矩（ 见图 １） ， 与国际上相类似机型存在很大的不同。（ 见图 ２） 图 ３ 显示了驾驶舱内部噪音瀑布图， 从图上可以看出， 当发动机 的 ２ 阶激励突然增加时， 驾驶舱内嗡鸣声增加特别明显。嗡鸣声通常
【关键词】发动机； 悬置支架； 刚度； 优化 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｉｒｓｔ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｍａｄｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｅｉｇｈｔ ｓｔｅｐｓ ｏｆ ｍｏｄａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ｔｈｕｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｆｒｏｍ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｐｕｒｐｏｓｅ． Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ａ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｆｏｒ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ】ｅｎｇｉｎｅ； ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ； ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
６ 阶 ３８１２．９ ２２６７．１ ５０１２．１ ３３８２．６ ４２３３．４ ３６７７．９ ２１５７．９ １７１６．８
７ 阶 ４９１５．７ ２５３３．６ ６１４２．８ ４４８９．２ ５１７０．２ ３９１８．８ ２３６４．６ １８３９．７
８ 阶 ５３８１．３ ３４７８．４ ６８１０．２ ５１０５．３ ５８６６．７ ４１７３．３ ２４４７．８ ２３５８．９
３ 阶 ２０７７．５ １１１３．１ ２６２９．６ １５２８．５ ２９４１ ２４２４．５ １０４５．２ ５５６
４ 阶 ２３６８．１ １３２３．９ ３２４４ １８２４．７ ３５１１．８ ２７５７．７ １３６５．６ ７４１
５ 阶 ３１３７．９ １６３７．７ ４６２８．８ ２３２２．９ ３５９６．９ ２８９３．９ １８０９．９ ９５２．４
图 ５ 右悬置支架四阶约束模态振型 通过优化前后的数据对比可以看出： 优化后系统连接件的固有频 率较优化前增加两倍以上， 大大超过发动机的激励频率。连接件的刚 度和系统的稳定性明显提高。 ４．试验验证 为了更进一步地说明问题， 我们通过试验来进行验证。 ４．１ 测试系统组成 试验中采用声级计测量噪 声， 压 电 加 速 度 传 感器测量振动， 利用数据采集与分析系统进行数据采集与频谱分析，
支架
前悬支架
后悬支架
左悬支架
右悬支架
状态 自由 约束 自由 约束 自由 约束 自由 约束
１ 阶 １１１０．３ ５３８ １０８９．６ ５５８．７ １９０８．８ ９７８．９２ ４６３ １８７
２ 阶 １２３４．６ ８１５．８５ １７４７．１ １１５９．１ ２０８４．４ １７８４．７ ９２８．７ ３２５．９
悬置元件两边各有一个支架， 一个与动力总成相连， 另一个与车 身或者车架相连。支架— ——悬置元件— ——支架组成了系统， 是振动传 递的通道。支架有一定的刚度， 就好象是一个硬弹簧。悬置系统的刚度 不仅是悬置元件的刚度， 而且还取决于支架的刚度。这三者串联起来 的总刚度过才是悬置系统的刚度。
系统的总刚度可用下面的式子计算： １＝１ ＋１ ＋１ Ｋ ＫＥ ＫＬ ＫＶ 式中 ＫＥ— ——动力总成支架的刚度；
风 扇 噪 声 、结 构 噪 声 等 由 空 气 通 过 车 身 的 孔 、洞 、缝 隙 传 至 车 内 或 通 过 车 身 板 壁 透 声 至 车 内；由 传 动 系 质 量 不 平 衡 及 齿 轮 啮 合 产 生 的 振 动 传 到 车 身，引 起 车 身 振 动，并 进 而 辐 射 中 频 噪 声 至 车 内 ；机 械 运 转 发 出 的 噪声由空气传播至车内等。其中， 悬置系统设计的优劣直接关系到发 动机振动向车体的传递， 影响整车乘坐舒适性。
是由结构共振引起的， 或是在进气、排气腔引起的差的声学效果。在这 篇文章中， 我们关注的是由发动机的 ２ 阶振动引起的悬置系统的弯曲 响应。
图 １ 右悬置支架在动力总成上的安装位置
图 ２ 国际上类似机型悬置安装示意图
图 ３ 驾驶舱内部噪音瀑布图
３．悬置支架的模态分析
为了满足计算精度要求， 在有限元建模过程中对前悬置支架采用 二维 ４ 节点壳单元， 其它三个悬置支架采用三维 １０ 节点实体单元， 网 格在 ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 中生成。然后用 ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ 软件计算各支架前八 阶固有频率。表 １ 为各支架有限元模型的单元节点组成。
５．３ 发动机前端的悬置系统金属结构件的优化结果已经用于批量 生产， 这些零件已经被安装在自顶向下的正向建模的未来的轿车生产 中 。科
● 【参 考 文 献 】
［ １］ 李叶．轻型客车车内噪声声源的实验研究．公路与汽运， ２００３．２． ［ ２］ 刘广璞．黄晋英等．某军用柴油机噪声测试与分析．华北工学院测试技术学报， ２０００．３． ［ ３］ 艾松树．周照耀等．特种车辆发动机支架模态分析．现代制造工程 ２００４．１０． ［ ４］ 刘斌．桥壳的有限元分析及结构优化．上海汽车 ２００４．８． ［ ５］ 刘铁力． 王立辉等． 汽车车轮的强度分析及优化设计． 河北工业大学学报 ２００２．１０．
试验时对声级计测量的噪声信号与压电加速度传感器测量的振动信 号进行多路同时采集，其试验系统组成框图如图 ６ 所示。
表 ３ 优化前后右悬置支架固有频率对比
ห้องสมุดไป่ตู้
阶次
优化前约束模态
优化后约束模态
增加的幅度
１
１８７
４９５．３
２６５％
２
３２５．９
１１２６．３
３４６％
３
５５６
２２１７．３
３９９％
４
７４１
２４５０．５
作者简介： 吴红， 女， １９６７ 年 １１ 月出生， 安徽芜湖人， 合肥工业大学 ２００３ 级 工程硕士。
［ 责任编辑： 翟成梁］
１０３
表 １ 有限元模型的单元数和节点数
悬置支架
单元数
节点数
前
４８２７４
８４３４５
后
３６９８２
６４８３０
左
７４７５２
１３０６９５
右
７３８０６
１２８１２５
１０２
科技信息
○机械与电子○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 ２５ 期
表 ２ 各支架固有（ 共振） 频率
４．３ 试验结果与分析 图 ７ 和图 ８ 是优化前、后在发动机前端（ 整 车右侧） 悬置系统金属结构件处测试到的频谱对比分析图， 优化前在 １８７ 赫 兹 处 出 现 明 显 的 结 构 共 振 ， 与 模 态 分 析 的 结 果 相 符 ， 优 化 后 在 ２００ 赫兹以内结构共振消失。
图 ４ 组合支架模态分析 下面是从众多的技术方案中， 筛选出的优化方案。发动机前端（ 整 车右側） 悬置系统金属结构件的前四阶的固有频率和固有振型如下：
３３１％
从表 ２ 可 以 看 出 ， 前 悬 支 架 、左 悬 支 架 和 后 悬 支 架 的 固 有 频 率 都 很 高 ， 自 由 状 态 下 ， 一 阶 共 振 频 率 分 别 达 到 １１１０．３Ｈｚ、１９０８．８Ｈｚ、 １０８９．６Ｈｚ； 约束状态下分别达到 ５３８Ｈｚ、９７８．９２Ｈｚ 和 ５５８．７Ｈｚ。因此， 这 三个支架的刚度较大， 已满足减振要求。自由状态下， 右悬支架的前三 阶共振频率分别为 ４６３Ｈｚ ９２８．７Ｈｚ １０４５．２Ｈｚ； 约束状 态 下 ， 前 三 阶 共 振频率分别为 １８７Ｈｚ、３２５．９Ｈｚ 和 ５５６Ｈｚ， 可 见 右 悬 置 支 架 的 约 束 模 态 在发动机工作范围内。因此， 右悬置非常薄弱， 需要改进， 提高右悬置 支架的刚度值。
科技信息
○机械与电子○
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２００８ 年 第 ２５ 期
发动机右悬置支架的优化
吴 红 １ 钱道新 ２ （ １．芜湖职业技术学院 安徽 芜湖 ２４１０００； ２．奇瑞汽车有限公司 安徽 芜湖 ２４１０００）
【摘 要】本文首先对悬置系统的安装方式进行阐述， 分析其不足。利用有限元分析软件 ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲ ＡＮ 对发动机各悬置支架进行有限 元分析计算， 得出各支架的前 ８ 阶模态参数， 对右悬置支架刚度进行了优化， 从而有效地降低了车内噪声， 达到了预期的目的。并通过实车进行 了试验验证。