懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要素

動(dòng)力總成是汽車的重要振源之一，它對乘坐舒適性有重要影響。合理選擇動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，可明顯降低動(dòng)力總成和車身的振動(dòng)，減少動(dòng)力總成經(jīng)懸置傳遞給車架的力以及由此激發(fā)的車身鈑金件和底盤相關(guān)零部件的振動(dòng)噪聲，因而可明顯提高汽車的耐久性和乘坐舒適性。降低動(dòng)力總車和車架之間的振動(dòng)傳遞主要有兩項(xiàng)措施:第一是改進(jìn)現(xiàn)有動(dòng)力總成懸置的結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)生最佳隔振特性，例如采用液壓懸置等；第二是改進(jìn)懸置系統(tǒng)的配置方案。改進(jìn)現(xiàn)有動(dòng)力總成懸置的結(jié)構(gòu)，要受到生產(chǎn)工藝、成本、可靠性和安裝條件的制約，實(shí)施的難度較大。而改進(jìn)懸置系統(tǒng)的配置方案，則可以在現(xiàn)有一懸置的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化分析，正確選擇各懸置的位置參數(shù)和性能參數(shù)，合理匹配動(dòng)力總成懸置徐彤的各項(xiàng)固有頻率，最大限度地發(fā)揮已有選址的潛能，該措施是達(dá)到最優(yōu)減振目的的捷徑。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指:在已經(jīng)確定動(dòng)力總成基本參數(shù)及有關(guān)整車基本參數(shù)的前提下，正確設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的剛度和阻力系數(shù)，懸置的數(shù)量及相對動(dòng)力總成質(zhì)心的坐標(biāo)位置和布置型式，各懸置的具體結(jié)構(gòu)形式，合理設(shè)置動(dòng)力總成各階模態(tài)參數(shù)，最大限度的減少由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)向車體的傳遞，提高懸置系統(tǒng)的工作可靠性，改善整車舒適性。1.動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求發(fā)動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)內(nèi)在的振源，同時(shí)受到來自外部的各種干擾，引起零部件的損壞和乘坐不舒適性。一個(gè)良好的懸置系統(tǒng)一檔能充分減小由于發(fā)動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)噪聲，延長零件的使用壽命。懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，主要取決于懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式、幾何位置以及選址的結(jié)構(gòu)、剛度、阻尼等特性。確定一個(gè)合理的懸置系統(tǒng)是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，它需要滿足一系列靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性要求，同時(shí)又受到各種條件的約束。1.1靜特性要求動(dòng)力總成懸置的靜特性要求即基本要求是：固定并支承動(dòng)力總成；支承動(dòng)力總成的內(nèi)部作用力（例如發(fā)動(dòng)機(jī)的往復(fù)慣性力、輸出扭矩等）和尾部作用力（汽車其他部分對動(dòng)力總成的作用力）；最大限度地雙向隔離動(dòng)力總成與車體之間的振動(dòng)；保證汽車生產(chǎn)和裝配過程中工藝要求。一般的，動(dòng)力總成是由三個(gè)或四個(gè)懸置支承在車架上，整個(gè)動(dòng)力總成的重量由懸置承受，因此懸置要有足夠的剛度，應(yīng)該與各自布置方式所承受的靜、動(dòng)載荷成比例，并使動(dòng)力總成在所有方向上處于可接受的范圍內(nèi)，不與底盤上的其他零部件發(fā)生干涉，確保發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作。從隔振角度來說，要求懸置的剛度越小越好；從支承的角度來說，要求懸置的剛度越高越好，因此，懸置應(yīng)具有適宜的剛度。

懸置元件的三向剛度是各向異性的’一般情況下Kz/Kx郁z/Ky。橡膠承受的載荷是靠變形來承受的，橡膠的變形通常用其本身厚度的相當(dāng)值來限制，一般要求是:靜態(tài)載荷下＜壓縮變形＜15%靜態(tài)載荷下＜壓縮變形＜15%剪切變形V25%動(dòng)態(tài)載荷下＜f壓縮變形＜5%

、剪切變形＜8%由于懸置元件承受載荷的幅值以及變化頻率都很大，所以懸置元件的剛度應(yīng)該是非線性的(即隨其承受的重量而變化)。設(shè)懸置的垂向剛度為七，則Kz=A尸式中：A——比例系數(shù)，W——承受的載荷。由振動(dòng)理論，垂向振動(dòng)固有頻率f為：Zyk罕=偵綜上所述，設(shè)計(jì)各點(diǎn)懸置的主要原則是：各懸置點(diǎn)的剛度與其承受的重量成正比，誤差應(yīng)小于10?20%。1.2動(dòng)特性要求發(fā)動(dòng)機(jī)本身的激勵(lì)以及路面的激勵(lì)都要經(jīng)過懸置元件來傳遞，所以對懸置系統(tǒng)的第二個(gè)要求為隔振要求，能充分隔離由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)向車架、駕駛室的傳遞以及由路面不平產(chǎn)生的通過懸置而傳向發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)，降低振動(dòng)和噪聲。隔振效果一般采用隔振傳遞率n來表示，其表達(dá)式為：1+(2^—)23n= n 1[1-(—)2]2+(2*—)2— —式中：&——阻尼比①——激振頻率①n——系統(tǒng)固有頻率當(dāng)n〉i時(shí)，表明懸置系統(tǒng)正在增加來自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，這是因?yàn)閼抑孟到y(tǒng)的剛體模態(tài)(固有)頻率接近于發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率，從而產(chǎn)生共振，也就能增加振動(dòng)能量的輸入。當(dāng)n＜i時(shí)，表明懸置系統(tǒng)削減了自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，起到了隔振作用，若是隔振傳遞率n＜1，必須有—^2，這也就是隔振的主要依據(jù)。懸置與發(fā)動(dòng)機(jī)組成的質(zhì)量一剛度振動(dòng)系統(tǒng)的固①n有頻率，通常屬于低頻振動(dòng)范圍，所以可將發(fā)動(dòng)機(jī)視為剛體，其剛體模態(tài)（固有）頻率應(yīng)小于與汽車怠速相當(dāng)?shù)念l率的'疽倍，如能小到1/3則更好。1.2.1對懸置元件本身動(dòng)特性的要求因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的頻率范圍很寬，所以要求懸置元件應(yīng)在寬頻帶（約為10~500Hz）上具有減振降噪的作用。動(dòng)力總成懸置的理想動(dòng)特性是：懸置具有低頻大阻尼、高剛度特性，以衰減汽車起動(dòng)、制動(dòng)、換擋以及急加速、減速等過程中，因發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng)引起的大幅度振動(dòng)；懸置應(yīng)當(dāng)在7~12Hz范圍內(nèi)有較大的阻尼，以迅速衰減因路面、輪胎激勵(lì)引起的動(dòng)力總成低頻振動(dòng)；懸置在25Hz附近應(yīng)當(dāng)具有較低的動(dòng)剛度，以衰減怠速時(shí)的振動(dòng)；懸置應(yīng)具有高頻小阻尼、低動(dòng)剛度特性，以降低振動(dòng)傳遞率，提高降噪效果?？傊?，懸置理想的動(dòng)特性為：懸置元件在低頻大幅激勵(lì)范圍內(nèi)能提供大的阻尼特性，在高頻低幅范圍內(nèi)能提供低的動(dòng)剛度特性，以衰減高頻噪聲。因此，在設(shè)計(jì)懸置元件時(shí)，要從選擇材料、金屬骨架形狀等方面來著手，但實(shí)際上橡膠材料的內(nèi)部阻尼的潛力很有限，而如果純粹靠選擇大阻尼材料橡膠來實(shí)現(xiàn)隔振效果，往往會因?yàn)槠湓诠ぷ髦杏凶枘岙a(chǎn)生的熱量使橡膠剛度降低，反而使隔振效果變壞。1.2.2對懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要考慮隔振效果，又要考慮懸置元件的壽命，還要考慮懸置系統(tǒng)和整車各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，包括各懸置點(diǎn)的布置形式和相對質(zhì)心的位置坐標(biāo)。（一）動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)軸、撞擊中心理論及主慣性矩的求法為了說明扭矩軸的定義，在動(dòng)力總成上建立兩個(gè)坐標(biāo)系，如圖所示，圖1.1中，OXYZ為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸坐標(biāo)系，O為動(dòng)力總成的質(zhì)心，X軸平行與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸

方向指向發(fā)動(dòng)機(jī)前端，z軸垂直于曲軸向上，Y軸按右手定則確定；0X1Y1Z1，為慣性坐標(biāo)系，X1、Y1、Z1為主慣性軸，且Y1與Y重合。當(dāng)一個(gè)擾動(dòng)力（力矩）作用于動(dòng)力總成主慣性軸上時(shí)，則動(dòng)力總成沿次主慣性軸平動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)）。通常情況下，作用于發(fā)動(dòng)機(jī)上的外力為繞曲軸的扭矩，而曲軸上和主慣性軸一般是不重合的。因此，在此外力矩的作用下，動(dòng)力總成并不沿任何一根主慣性軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而是繞著某一特殊軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此軸即為扭矩軸，如圖中OX0，OX0Y0Z0為扭矩軸坐標(biāo)系，且Y0與Y1、Y重合。由扭矩軸定義，可以推出它在動(dòng)力總成坐標(biāo)系OXYZ中的方向余弦為式中:I.（i=1式中:I.（i=1，2，3）動(dòng)力總成的主慣性矩;氣、P.、七——第i個(gè)主慣性軸在動(dòng)力總成坐標(biāo)系中的方向角。動(dòng)力總成在OXYZ坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I、/、/和慣性積I、/、/由試驗(yàn)得XYZ yzxzxy到，按如下方法可以求出主慣性矩I.（i=1，2,3）及主慣性矩在動(dòng)力總成坐標(biāo)系中的方向余弦。構(gòu)造轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I、I、I和慣性積I、/、/的二階張量;XYZ yzxzxy\ST]=flyfTqT*hJ并求解該張量的特征值及對應(yīng)的特征向量，即為主慣性矩I.（i=1，2,3）和對應(yīng)的主慣性軸的方向余弦。美國很早就在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置是應(yīng)用撞擊中心理論，并取得了一定功效，原理是：在找到動(dòng)力總成扭矩軸后，應(yīng)傾斜布置前后懸置元件使其前后彈性中心的連線盡量平行靠進(jìn)扭矩軸。（二）懸置系統(tǒng)的解耦布置當(dāng)彈性支承的剛體在一個(gè)自由度上自由振動(dòng)獨(dú)立于另一個(gè)自由度上自由振動(dòng)時(shí)，我們稱這兩個(gè)自由度的振動(dòng)是解耦的。通常動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的六個(gè)自由度方向的振動(dòng)是耦合的，這將導(dǎo)致動(dòng)力總成的振幅增大，振動(dòng)頻率范圍過寬。要想實(shí)現(xiàn)理想的隔振效果，則需要使用更軟的懸置軟墊，這將導(dǎo)致動(dòng)力總成與周圍零部件之間有建大的相對位移，造成與周圍零部件相碰撞發(fā)生干涉，破壞整車的平順性，同時(shí)由于軟墊的大位移，又使軟墊內(nèi)的應(yīng)變增大而影響其使用壽命。另外，由于各自由度振動(dòng)如果互為耦合，則很難對產(chǎn)生共振的自由度上的頻率進(jìn)行個(gè)別改進(jìn)而不影響其他自由度上的隔振性能。所以，在設(shè)計(jì)懸置系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量采用解耦布置。下圖所示的懸置是由橡膠制成的，它有三個(gè)正交的軸I、11、III。如果作用力沿這些軸單獨(dú)作用，則懸置所產(chǎn)生的位移與力的方向一致，并且不發(fā)生任何轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的軸就是懸置系統(tǒng)的彈性主軸。三軸線的交點(diǎn)就是懸置的彈性中心。nr懸置的彈性主軸和彈性中心示意圖作用于被支承物體上的一個(gè)任意方向的外力，如果通過彈性支撐系統(tǒng)的彈性中心，則被支撐體只會發(fā)生平動(dòng)，而不會發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。反之，被支承物體在產(chǎn)生平動(dòng)時(shí)，還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即兩自由度上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)耦合。如果一個(gè)外力矩繞彈性主軸作用于被支承物體上，則被支撐體只會發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會發(fā)生平動(dòng)。反之被支承物體在產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，還會產(chǎn)生平動(dòng)，同樣在兩自由度上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)耦合。如果力平行于彈性主軸并通過彈性中心，懸置只產(chǎn)生平移而不產(chǎn)生角位移。彈性主剛度就是指在彈性主軸方向上的剛度值，通常用K-%Km表示。形狀簡單的懸置很容易根據(jù)它們的對稱性求得其彈性主軸和彈性中心，而對于復(fù)雜的就很難求得，甚至不一定存在，要具體情況具體分析。由數(shù)個(gè)懸置組成的系統(tǒng)也存在彈性主軸和彈性中心。從理論上講，當(dāng)前后懸置的彈性中心和動(dòng)力總成質(zhì)心完全重合時(shí)（圖1.3），則可使懸置系統(tǒng)在六個(gè)方向的振動(dòng)完全解耦，但是由于受到整車布置空間等各種條件的限制，完全解耦很難實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，各自由度的解耦意義并非完全等同，例如來自發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力主要是垂直方向和繞曲軸旋轉(zhuǎn)方向，所以只要在這兩個(gè)方向上的振動(dòng)解耦即可，如采用V型對稱布置的支承形式。圖1.3六自由度解耦布置方案如果前后懸置的平面和扭轉(zhuǎn)軸垂直，并且前后懸置的彈性中心均落在扭矩軸線上（圖1.4），則可使動(dòng)力總成在Y軸方向的橫向振動(dòng)、Z軸方向的垂直振動(dòng)和繞X軸方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)完全解耦。此時(shí)，前后懸置的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足下式：但=止&匹迦性式中：a,b——分別為前后懸置點(diǎn)至質(zhì)心的z，y坐標(biāo)；——懸置元件彈性主軸與z軸夾角；Kp，Kq——分別為懸置的Z軸、Y軸兩個(gè)方向的主剛度。圖1.4懸置系統(tǒng)解耦布置方案如果前后懸置在垂直方向的剛度滿足下式：二KrL則可使動(dòng)力總成在Y軸方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、Z軸方向的垂直振動(dòng)完全解耦。上式中：K牛=2儂護(hù)近國+匕co礦凡）；Kzr=2（K,2sin?角+Kq2cos-%）；Lf、Lr——分別為前、后懸置點(diǎn)至動(dòng)力總成質(zhì)心的x坐標(biāo)。在確定前后懸置的位置時(shí)，考慮到動(dòng)力總成在高頻下的彈性彎曲振動(dòng)，為了減小懸置元件的變形，應(yīng)使懸置點(diǎn)布置在動(dòng)力總成彎曲振型的節(jié)點(diǎn)上（圖1.5）。當(dāng)前懸置的位置Lp確定后，可用撞擊中心理論來確定后懸置的位置，即后懸置應(yīng)盡可能布置在前懸置的共軛點(diǎn)上，這樣可以使前后懸置的沖擊不相互影響，從而達(dá)到良好的隔振效果。應(yīng)用撞擊中心理論，前后懸置的位置關(guān)系為：Lf?Lr=12/m式中：12——?jiǎng)恿偝蓪軸的主慣性矩；m——?jiǎng)恿偝傻馁|(zhì)量。圖1.5動(dòng)力總成彎曲振型簡圖1.3動(dòng)力總成在整車上的安裝位置當(dāng)把動(dòng)力總成橫置于車架上時(shí)，還要考慮車架的一階彎曲振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，否則會加大動(dòng)力總成在怠速時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)整車車身彎曲振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位于后懸置之后時(shí)會使振動(dòng)減小，位于前后懸置之間時(shí)將導(dǎo)致振動(dòng)加強(qiáng)，如圖1.6所示：圖1.6動(dòng)力總成在整車上的布置1.4發(fā)動(dòng)機(jī)各階固有頻率的合理范圍1） 發(fā)動(dòng)機(jī)的滾動(dòng)模態(tài)頻率f皈四缸發(fā)動(dòng)機(jī)在低頻工況下以二階扭矩激勵(lì)為主（激勵(lì)頻率為匕），為了使振動(dòng)傳遞率小于1，應(yīng)使fvf>點(diǎn)，一般為、=2.5?4.5，f應(yīng)盡量低于怠速下的激勵(lì)頻率，"Qv "Qv但應(yīng)高于整車側(cè)傾固有頻率，不能和整車其他子系統(tǒng)（如駕駛室）的側(cè)傾固有頻率。2） 發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直模態(tài)頻率fz無論低速還是高速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)垂向固有頻率fz與發(fā)動(dòng)機(jī)二階垂向慣性力的激勵(lì)頻率f2之間應(yīng)滿足f2'?f>2，一般為ff=2.5?4.5，fz還應(yīng)高于前輪垂向振動(dòng)固有頻率，避開整車一階彎曲固有頻率，遠(yuǎn)離駕駛室的垂向振動(dòng)固有頻率。3） 發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰模態(tài)頻率ffi訪發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰固有頻率九與發(fā)動(dòng)機(jī)二階垂向慣性力矩的激勵(lì)頻率f3之間也應(yīng)滿足，Mf＞、；2，一般為f3f=2.5~4.5?！癳y "ey4） 發(fā)動(dòng)機(jī)橫向振動(dòng)模態(tài)頻率fyfy與橫向激勵(lì)力頻率了4之間也應(yīng)該滿足ff＞任，一般為f=2.5?4.5。5） 發(fā)動(dòng)機(jī)繞Z軸的振動(dòng)模態(tài)頻率Aez發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于離心力的作用會產(chǎn)生繞Z軸的激勵(lì)力矩，同時(shí)fy橫向激勵(lì)的存在也會繞Z軸方向的激勵(lì)力，所以fe與繞Z軸方向的激勵(lì)力（力矩）的頻率f5之間應(yīng)滿足^5/f＞\:2，一般為Of—2.5~4.5。6） 發(fā)動(dòng)機(jī)縱向振動(dòng)模態(tài)頻率fx一般發(fā)動(dòng)機(jī)沿曲軸方向的激勵(lì)很小，但是考慮到懸置元件在制造過程中K*和Ky差別不大，并且有限制加速和制動(dòng)時(shí)前后竄動(dòng)量的作用，所以fx應(yīng)設(shè)計(jì)在6~20Hz范圍內(nèi)。（二）系統(tǒng)固有頻率的配置固有頻率的配置是以系統(tǒng)固有頻率的合理分布為目標(biāo)，一懸置參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化方法。