发动机悬置系统刚度的研究

2021-05-17李正辉张山峰项兴富

汽车实用技术 2021年8期

李正辉，张山峰，项兴富

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336）

1 引言

随着道路环境的改善及节能减排标准的日渐严格，使汽车向着大扭矩和轻量化发展，进而导致发动机抖动的现象更加突出，严重影响汽车的乘坐舒适性。其中发动机与整车连接处产生的震动比较严重，因此发动机动力总成的NVH性能分析研究越来越受到重视。

汽车发动机前悬置是动力总成系统的关键零件，需要满足汽车在不同工况下的强度和刚度。通过深入的研究分析，发动机前悬置的刚度对发动机的NVH性能影响比较大，刚度低的悬置会导致车内的噪声、振动大。悬置如果设计得不合理，悬置支架的固有频率低于发动机工作转速范围，悬置支架将会产生共振[1]，使得汽车内部噪声大，因此刚度是悬置支架的重要指标之一。

针对悬置处的刚度[2]，可以通过仿真计算优化结构，提高发动机悬置系统的刚度[3]，进而优化发动机NVH性能，同时减轻产品的重量，从而达到最优化设计。

本文适用于通过悬置螺栓，将发动机前悬置支架与正时罩盖、缸体、缸盖连接的结构；常用的优化方法：调整整车悬置长度、提高整车悬置强度、调整发动机悬置螺栓安装点距离、增加发动机悬置螺栓安装点的数量、提高正时罩盖强度等。

2 模拟分析计算

将气缸体、气缸盖、气缸盖罩、油底壳、变速器壳体、正时罩盖、前悬置支架、后悬置支架数模通过螺栓装配，输入材料、弹性模量、密度、重量等关键参数，通过HyperMesh软件对数据进行前处理，用MSC.Nastran2012软件进行仿真计算[4]，在整车悬置末端（靠近整车连接处）施加载荷（模拟发动机受到来自整车的振动），该载荷可以在实车上进行测量，需要选取最恶劣的工况，也可以粗略地根据经验值X=7G、Y=7G、Z=7G（G为发动机的质量）来计算，算出Compliance值（动柔度），刚度（悬置末端振动幅度）=1/Comp-liance，进而得出刚度的计算结果。

3 整车悬置强度的影响

整车悬置的悬臂长度、悬臂厚度、悬臂材料是整车悬置的重要参数，对悬置系统的刚度有一定影响。

整车悬臂长度：整车悬臂末端到悬置受发动机重力中心的距离。对同款发动机搭载不同车型的前悬置进行仿真计算，两款车型的整车悬臂长度相差23mm（见图1悬置悬臂长度），悬臂短的前悬置系统刚度增大747N/mm，在这款悬臂的基础上将长度再减少20mm，前悬置系统刚度增加1049N/mm 。由此可以看出整车悬置悬臂长度对刚度影响较大，减小整车悬置悬臂长度可以直接地提高悬置系统刚度，因此合理设计机舱空间很重要。

图1 悬置悬臂长度

整车悬置悬臂强度：对某款发动机的前悬置进行仿真计算，将整车前悬置悬臂厚度增加10mm（见图2），同时将材料由铝合金改为钢制，计算前悬置系统刚度增加312N/mm。由此可以看出整车前悬置悬臂厚度、材料对刚度有较小的影响，虽然可以通过该方法来提高悬置系统刚度，但是成本增加较大，不建议采用此类方法。

图2 悬置悬臂长度

4 前悬置支架结构的影响

发动机前悬置支架有集成式和独立式两种结构，结构差异见图3。集成式悬置支架：将发动机前悬置支架集成在正时罩盖上，正时罩盖直接与整车悬置连接；独立式悬置支架：单独一个发动机支架用来连接整车前悬置与发动机正时罩盖。

集成式前悬置支架安装相对简单，总重量较轻，前悬置支架与发动机前罩盖是一个件，可以将前悬置处的振动导入到零件罩盖上，减小发动机前悬置末端的振幅，进而提高刚度，但是集成式前悬置支架铸造难度较大，悬置处容易出现铸造缺陷，在福特的福克斯车型上有相关应用，市场上主要还是独立式前悬置支架结构应用较广。

图3 正时罩盖结构

某机型通过仿真计算，通过将独立式悬置支架改为集成式悬置支架，悬置系统刚度提高610N/mm。针对本结构调整前悬置支架的结构对刚度有一定影响。

5 悬置螺栓的影响

正时罩盖通常使用一圈的M6～M8小螺栓装配压紧密封面，在悬置附近使用2～5颗M10～M12大螺栓将悬置/罩盖紧固在缸体/缸盖上，我们称这几颗大螺栓为悬置螺栓。悬置螺栓是支撑悬置的主要受力点，是影响刚度的重要因素。可以通过调整悬置螺栓间距、数量及位置去提供悬置刚度。

某机型通过仿真计算，将悬置螺栓安装点由2颗安装螺栓改为3颗安装螺栓，悬置刚度提高706N/mm；将两颗悬置螺栓间距加长35mm，悬置刚度提高748N/mm。由此可以看出正时罩盖悬置螺栓安装点的数量、间距对刚度影响比较大，增加悬置螺栓数量、调整悬置螺栓间距可以直接提高悬置系统刚度，因此要合理设计悬置螺栓安装点。