客车发动机悬置系统性能优化设计

石添华

(厦门金龙旅行车有限公司， 福建 厦门 361021)

汽车整车NVH的优化需通过各个相关系统全面提升，其中发动机悬置系统隔振是重要环节之一。因此本文重点介绍某轻型客车发动机悬置系统性能提升优化方案[1]。

1 发动机悬置系统隔振优化

通过仿真分析可知，该客车发动机原状态悬置系统存在悬置解耦不佳、悬置支架动刚度不足[2]的情况。

1.1 悬置解耦优化

根据实车状态把发动机及变速器动力总成安装到试验台架上，进行动力学参数测试，获得质心及转动惯量等参数[3]：动力总成总质量为465.8 kg，质心位置在X、Y、Z方向分别为101.29 mm、9.37 mm、84.97 mm。转动惯量为IXX=19.574 kg·m2，IYY=65.079 kg·m2，IZZ=59.287 kg·m2，IXY=1.642 kg·m2，IYZ=-0.869 kg·m2，IXZ=11.371 kg·m2。

原状态前悬置减振垫邵氏硬度为45 HRC，X向静刚度110 N/mm，Y向静刚度125 N/mm，Z向静刚度700 N/mm；后悬置减振垫邵氏硬度为40HRC，X向静刚度48 N/mm，Y向静刚度54 N/mm，Z向静刚度259 N/mm；前、后悬置支架安装角度均为55°。

该车型采用的四缸发动机怠速激励频率较低(23 Hz)，而其悬置系统横向转动频率要求小于发动机怠速激励频率的一半，能量分布最高频率要求小于发动机怠速激励频率的0.707倍；另外，由于路面激励的影响(通常路面激励集中在1～5 Hz)，发动机悬置系统的最低阶刚体频率应高于5 Hz，所以总体要求悬置系统的固有频率在5～16.2 Hz。此外，还要约束悬置系统前六阶能量分布频率间隔大于1 Hz。

通过计算得到原悬置系统的解耦率数据见表1。其中，侧倾RXX解耦率仅有46.16%，不满足侧倾RXX目标设定85%以上的要求，其余方向(除纵向X和垂向Z外)的能量解耦目标也不满足85%[4-6]以上的设定目标。

悬置解耦优化目的是以频率和解耦率为约束，得到最佳解耦率所对应的软垫刚度和支架安装角度。设定优化后的前后悬置软垫的邵氏硬度仍为40HRC。根据以上频率解耦率目标优化后得到的前悬置减振垫，X向静刚度选择71 N/mm，Y向静刚度选择63 N/mm，Z向静刚度选择400 N/mm；后悬置减振垫X向静刚度选择75 N/mm，Y向静刚度选择67 N/mm，Z向静刚度选择365 N/mm；前、后悬置支架安装角度均为45°，安装位置根据发动机预留螺栓孔位置确定。解耦仿真数据见表2，选择综合解耦率最高的组合，侧倾RXX解耦率达到86.03%，垂向Z解耦率达到98.08%；纵向X、横向Y、俯仰RYY和横摆RZZ解耦率均高于我司标准80%，悬置解耦效果较好。

1.2 悬置支架动刚度优化

动力总成隔振性能的优劣不仅取决于隔振系统的阻尼和动刚度，还与悬置软垫支架的动刚度息息相关。悬置软垫相连的两侧各有一个支架，连接方式为车身侧支架-悬置软垫-发动机侧支架，三者串联起来组成隔振系统的总刚度。通过1.1节对发动机和悬置软垫进行解耦优化匹配后得到支架位置和角度，然后再进一步优化支架动刚度[7-8]。理论上支架的动刚度越大越好，但实际常受限于安装位置、空间和成本的权衡，通常选取支架受力次要方向(X向)动刚度参考值为5 000 N/mm，受力主要方向(Y向和Z向)动刚度参考值为10 000 N/mm[9]，动刚度参考值采用的是行业内部经验值，对所有汽车发动机支架均适用。

原状态支架结构整体动刚度不足，其中X向有较多频率段动刚度小于参考值5 000 N/mm，Z向和Y向动刚度部分频率段小于参考值10 000 N/mm。

通过仿真软件进行悬置支架优化，根据支架动刚度是否满足参考值调整支架结构，方法如下：①提高支架板件厚度；②增加斜撑和加强筋；③支架肋板增加螺栓；④优化结构。原状态和优化后的支架结构及动刚度曲线分别如图1和图2所示,图2中曲线10 000 N/mm为参考曲线。

(a) 原状态支架动刚度曲线

通过结构优化，支架受力的主要方向动刚度曲线基本大于参考值10 000 N/mm曲线，达到优化目的。

2 实车隔振率测试

通过LMS模态测试系统测试悬置软垫隔振前后的振动值，分析其实际隔振性能。振动X、Y、Z方向与整车的前后、左右、上下方向一致。振动值采用振动加速度表示，测量的频率范围为0～200 Hz。测点位置如图3所示。

图3 悬置测点位置

具体隔振率测试数据见表3和表4，测试工况为怠速关空调工况。悬置测点振动主要方向为Y向和Z向，与发动机往复运动的工作方式一致。动力总成侧的振动加速度理想上越低越好，该发动机控制在2.72～3.79 m/s2，属于较好水平(业内经验值要求不大于5 m/s2)；车架侧振动加速度控制在0.25～0.33 m/s2，属于很好的水平(业内经验值要求不大于1 m/s2)。X、Y、Z三个方向的隔振率都保持在较高水平。

表3 优化前悬置系统隔振率实车数据

表4 优化后悬置系统隔振率实车数据

通过动力总成悬置解耦优化匹配最佳的悬置软垫刚度、通过悬置支架动刚度仿真分析优化和加强等措施提高整车的NVH性能，悬置隔振率从原状态80%左右提升到90%左右，带双平衡发动机本体振动控制较好，悬置被动端支架振动属于较好水平。通过升速试验，在全转速曲线悬置软垫隔振表现较好，被动端振动无异常突变[10-12]。开关空调状态车内座椅振动、方向盘振动主观感受良好；后视镜振动正常，主观感受无晃动感。

3 结 论

根据该车型发动机及悬置系统优化方案得出如下结论：

1) 悬置系统隔振性能优化可大幅度提升整车NVH性能，隔振率达85%以上。

2) 悬置解耦和支架动刚度优化，有助于整车NVH提升。

3) 通过CAE仿真分析及测试验证，可有效指导车辆的NVH设计。