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中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究 摘要 目前，随着我国高速公路的迅猛发展，对高等级客车的安全性、舒适性、可靠性的 要求越来越高，中置客车由于具有前置客车和后置客车无可比拟的优势，底盘总体布局合 理，实现了最佳车轴负荷的分配，增强了操作稳定性、行驶平顺性和制动安全性能，在 欧美等发达国家已成为一种较流行的车型，而中置客车开发在我国才刚刚起步，关于中 置客车的相关技术研究正需大力开展。本论文结合某中置大客车的开发，开展了相关研 究，论文的主要工作包括以下两个方面： ( 1 ) 在查阅了大量相关文献的基础上，结合东风旅行车有限公司正在开发的某一 款中置大客车，针对发动机悬置系统设计进行了深入的研究。论文首先针对中置发动机 振动较大的问题，应用发动机悬置隔振理论，对中置大客车悬置系统的固有特性进行了 分析，找到了振动较大的主要原因，在此基础上，应用悬置刚度原理对中置发动机的悬 置结构进行了优化设计改进，利用可变刚度悬置的刚度可调节特性并加以应用，最后采 用试验方法，对改进后的悬置系统进行了试验验证，结果表明改进后的悬置系统可较好 地满足发动机的设计要求。 ( 2 ) 开展了中置客车冷却系统的匹配计算。由于中置大客车的发动机处于车辆的 中间，其散热效果介于前置和后置发动机之间，因此，中置客车的冷却系统必须精心地 进行匹配计算。本文应用冷却系统的匹配计算理论，并参考其他车型的冷却系统设计经 验，对中置大客车冷却系统进行了匹配和计算，并对设计计算结果进行了试验验证，结 果表明匹配计算是合理的。 本论文的研究对中置客车发动机悬置系统设计和冷却系统匹配具有一定的参考价 值。 关键词：客车；中置发动机；悬置系统；冷却系统：设计；匹配；验证 工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yi nc h i n a , t h ed e s i r ef o rt h es a f e t y , c o m f o r t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fh i g hm t ec o a c h i ss t r o n g e rt h a nc v c ls i n c et h ec o a c hw i t he n g i n em o u n t e di nt h e m i d d l eh a st h ea d v a n t a g e sw h i c ht h ec o a c h 、 ，i 廿le n g i n em o u n t e di nt h ef r o n to rr o a rd o e sn o t h a v e ，i th a sb e , c o m eav e r yp o p u l a rc o a c ht y p ei nd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，s u c ha se u r o p ea n d a m e r i c a h o w e v e r , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm i d d l em o u n t e de n g i n ec o a c hi sj u s t b e o n n i n gi nc h i n a , i tn e e d st oc o n d u c tt h er e l a t i v et e c h n i q u es t u d y 、 ，i n lg r e a te m p h a s i s o n t h i sb a c k g r o u n d , t h i sp a p e rc o n d u c t e dt h es t u d ya n dt h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b yr e a d i n gl a r g en u m b e r so fr e l a t i v er e f e r e n c e s ，t h i sp a p e rc h o s eam i d d l em o u n t e d e n g i n ec o a c ht os t u d yi t se n g i n em o u n ts y s t e m a n do n eo ft h ep r o b l e mw a s t h eb i gv i b r a t i o n o ft h ee n g i n eo n t h ee n g i n es t a r t e d b ya p p l y i n ge n g i n em o u n td e s i g nt h e o r y , t h i sp a p e r a n a l y z e dt h en a u l r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o u n ts y s t e ma n df o u n dt h em a i nr e a s o n s ，t h e n , t h e p a p e rc o n d u c t e dt h eo p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n td e s i g no ft h em o u n ts t r u c t u r es y s t e m ， f i n a l l y , t e s tm e t h o dw a su s e dt ov a l i d a t et h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n , a n dt h et e s tr e s u l ts h o w e s t h a tt h eo p t i m i z e dm o u n ts y s t e mc a nm e e tt h ee n g i n ed e s i g nr e q u i r e m e n ti nak g hd e g r e e ( 2 ) c o n d u c t e dt h es t u d yo nt h em a t c h i n go f t h ec o o l i n gs y s t e m , t h i si sb e c a u s et h eh e a t r a d i a t i o nc o n d i t i o no ft h em i d d l em o u n t e de n g i n ei sm u c hw o r s et h a nt h a to ft h ef r o n to rn 盯 m o u n t e de n g i n e s t h u s ，t h ec o o l i n gs y s t e mm u s tb ec a r e f u l l ym a t c h e db yp r o p e rc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o o l i n gs y s t e mm a t c h i n gt h e o r ya n dr e f e r r i n gt h er e l a t i v ed e s i g ne x p e r i e n c e ， t h i sp a p e rc o n d u c t e dt h em a t c h i n ga n dc a l c u l a t i o no ft h ec o o l i n gs y s t e mf o rt h ed e v e l o p i n g c o a c h , a n dv a l i d a t e dt h ec a l c u l a t i o n t h es t u d yp r o v i d e st h er e l a t i v eg u i d a n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h em i d d l em o u n t e de n g i n ec o a c hi nt h ef u t u r e i nc o n c l u s i o n , t h i sp a p e rc o n d u c t e dt h es t u d yo fe n g i n em o u n ts t r u c t u r ed e s i g na n d c o o l i n gs y s t e mm a t c h i n gc a l c u l a t i o nf o ram i d d l em o u n t e de n g i n ec o a c hi nd e v e l o p i n g ，a n d t h es t u d yr e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o du s e di nt h i sp a p e ri sv a l u a b l ef o rt h ee n g i n em o u n t s y s t e md e s i g na n dc o o l i n gs y s t e mm a t c h i n go ft h em i d d l em o u n t e de n g i n ec o a c h k e yw o r d s ：c o a c h ；m i d d l em o u n t e de n g i n e ；m o u n ts y s t e m ；c o o l i n gs y s t e m ；d e s i g n ； m a t c h i n g ；v a l i d a t i o n m 中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究 插图索引 图1 1 中置客车外形图l 图2 1 发动机垂直方向单自由度振动模型7 图2 2 不同阻尼系数情况下的幅频响应曲线8 图2 3 悬置布置形式1 2 图2 4 会聚式悬置布置形式。1 3 图3 1 典型的发动机前悬置1 5 图3 2 典型的发动机后悬置1 5 图3 3 原悬置结构一前悬置1 8 图3 4 前悬置软垫：1 8 图3 5 原悬置结构后悬置1 8 图3 6 后悬置软垫1 9 图3 7 车内振动测量1 9 图3 8 车内各通道振动曲线( 改进前) 2 0 图3 9 改进后悬置示意图。2 l 图3 1 0 改进后悬置结构后悬置2 l 图3 1 l 定变刚度软垫静刚度特性曲线。2 2 图3 1 2 可变刚度软垫静刚度特性曲线2 3 图3 1 3 可变刚度软垫2 3 图3 1 4 车内各通道振动曲线( 改进后) 2 5 图4 1 悬置系统的传递率曲线2 7 图4 2 左前悬置测点。2 7 图4 3 右前悬置测点。2 8 图4 4 左后悬置测点2 8 图4 5 右后悬置测点。2 8 图4 6 傅立叶变换。2 9 图4 7 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 左前悬置一水平) 一3 0 图4 8 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 左前悬置一轴向) 3 0 图4 9 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 左前悬置一垂直) 3 0 图4 1 0 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 右前悬置一水平) 3 l 图4 1 1 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 右前悬置一轴向) 3 1 图4 1 2 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 右前悬置一垂直) 3 l v i 工程硕士学位论文 图4 1 3 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 左后悬置一水平) 3 2 图4 1 4 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 左后悬置一轴向) 。3 2 图4 1 5 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 左后悬置一垂直) 3 2 图4 1 6 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 右后悬置一水平) 3 3 图4 1 7 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 右后悬置一轴向) 。3 3 图4 18 原悬置与改进悬置振动传递率比较曲线( 右后悬置一垂直) 3 4 图5 1 中冷前温度、压力测试布点示意图。4 7 图5 2 中冷后温度、压力测试布点示意图。4 7 图5 3 进水温度测试布点示意图4 8 图5 4 出水温度测试布点示意图。4 8 图5 5 水温测试示意图。4 8 v 中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究 附表索引 表3 1 车内各通道的振动幅值( 改进前) 。2 0 表3 2 车内各通道的振动幅值( 改进后) 2 4 表4 1 采集数据用传感器参数2 9 表5 1 试验所用设备及仪表在4 6 表5 2 试验结果4 9 v m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：舌川乞毒 日期：如诉扩月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密0 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：却含玄日期：九卿l o月日 导师签名砑哪日期：咖咿孑年l d 月石日 叼洲缈叛妒m 功 i 程学位论立 第1 章绪论 1 1 中置客车国内外研究状况 根据交通部规划，到2 0 1 0 年我国公路总里程要达到2 1 0 万至2 3 0 万公里”j ，与之相 应的客车市场需求将继续保持高速增长的势头，预计到2 0 1 0 年中国大中型客车市场销 量将达到1 21 万辆 2 1 ，可以说，关于客车的技术研究和生产也将成为我国汽车业近年的 一大热点。 客车因发动机布置位置的不同可分为前置、后置和中置几种。所谓中置客车，就是 将客车发动机布置于底盘两轴的中间位置和车厢底平面的下方。1 9 2 3 年德国奔驰汽车 公司首先制造出第一辆用于大奖赛的中置发动机汽车；1 0 5 1 年，瑞典的v o l v o 公司首 次推出中置概念城市客车产品b 6 5 ；1 9 6 6 年，兰博基尼率先将中置技术运用于跑车，从 而大大提高了跑车的安全性能，这使得跑车如今已普遍采用发动机中置技术；1 9 9 5 年， v o l v o 公司开发的b 1 2 中置客车获得欧洲年度客车称号，成为客车底盘经典之作；1 9 9 9 年，v o l v o 与富士重工合作开始生产中置旅游客车；2 0 0 4 年，东风汽车股份有限公司 研制出拥有自主知识产权的首款9 米以下中置客车。由于中置客车彻底打破了原有的客 车设计理念，它在保持车辆经济高效的优势下为客车整车设计尽可能满足豪华、舒适、 宽敞、平顺的要求，提供了一个适应时尚旅行新潮的技术平台，也为客车产品的升级换 代提供了一个意义非常的高端技术实物平台。目前，中置客车是欧美等发达国家非常流 行的一种车型。图11 所示即是某一款中置客车。 图1 1 中置客车外形圈 1 2 中置客车的特点 中置客车有着无可比拟的性能优势。首先，它实现了底盘总体布局的合理性，实现 了最佳车轴负荷的分配，增强了操作稳定性、行驶平顺性和制动安全性能；第二，中置 客车较好解决了客车底盘悬架系统的优化组合问题，以及车厢底面平整和扩大整车空间 问题，所以，从整车稳定性、安全性、舒适性来说，它比发动机前置或后置两种方式都 有不可比拟的优势；第三，由于中置设计，大大减小了传动轴转动时的当量夹角，使整 车的行驶平顺性有了明显改观，对于前置和后置发动机，都会不同程度的存在着空载与 满载时轴荷变化较大的问题，进而引起悬架系统刚度、制动力分配等难以优化匹配，以 至于影响整车的平顺性和制动安全性，中置客车因发动机中置能够较好地解决轴荷分配 的合理性问题【3 1 。 1 3 发动机隔振国内外研究现状 相对于前置或后置发动机，中置发动机客车也存在一大缺点，那就是发动机振动问 题对整车的影响尤为明显，因为发动机处在车辆前后轴之间的位置，其振动很容易传递 到车身上，所以，中置客车设计的一大难点就是发动机的隔振问题。而发动机的隔振问 题又与发动机悬置密切相关。 发动机悬置因其体积较小，在其设计之初并没有引起汽车设计者的重视，车速的提 高和汽车质量的逐步减轻，使得发动机振动引起的各种问题日益突出，悬置起到的作用 才逐渐得到了认识。在解决发动机悬置问题的过程中，人们有效地利用力学知识建立了 各种模型。 几十年来，经过国内外学者的不断探索和研究，终于形成了一套较为完善的悬置评 价方法，即主要考虑发动机悬置系统的隔振性能，以刚体模态、扭矩轴线、一阶弯曲振 型、悬置系统的弹性中心与解耦设计的关系为评价指标体系，并适当考虑人体对振动反 应的敏感程度，来考虑发动机悬置系统的综合性能。 人们对发动机悬置系统的研究逐渐由被动研究转向主动设计，即由最初的不成熟阶 段朝着形成理论体系、不断研究开发新型悬置元件的方向发展。 国外许多专家对发动机悬置系统隔振作出了许多有益的研究和探讨。二十世纪五十 年代，a n o nh o r i s o n 和h o r i v i t z 提出六自由度解耦理论和解耦的计算方法，他们的理论 比较成熟，推动了今后的研究。七十年代，t o s h i o 、s a k a t a 用机械阻抗法研究悬置刚度 与车内噪声的关系；同时，b l b d t e r - k n i g h t 利用打击中心的理论，考虑使各悬置点尽 可能靠近弹性体振动节点位置，提出合理布置动力总成悬置系统的方法。1 9 7 6 年，s c h m i t t 和c h a r l e s 通过研究表明，悬置系统的振动特性主要取决于悬置刚度，而振动幅度则和 悬置阻尼大小有关。近二十年来，研究人员逐渐将数学中的优化方法应用于悬置系统的 设计，取得了良好的成果【4 】。1 9 7 9 年，j o h s o n 首次用数学的优化手段，进行悬置系统的 工程硕士学位论文 设计，他以合理配置系统的固有频率和实现各自由度之间的振动解耦为目标函数，以悬 置刚度和悬置坐标为设计变量进行优化计算，结果使系统各平动自由度之间得振动耦合 大为减少，且保证了系统六阶固有频率达到比较令人满意的优化成果【5 】。1 9 8 4 年，c r e e k e e 等人将发动机悬置系统的最主要作用看成隔离低频域振动，这就要求它的侧倾固有 频率要低，以吸收发动机不平衡扭矩引起的振动，因此，他们以侧倾解耦，低化侧倾模 态为目标对悬置系统进行优化，并提出了较合理的悬置设计原则网。1 9 8 7 年，h h a l a 和 h t a n a k a 又用优化悬置位置的方法，通过控制振动相对怠速工况下发动机悬置系统的振 动进行研究，指出车身弯曲共振频率高于怠速频率，且越大越好，动力总成的共振频率 应小于l ，2 的怠速频率【刀。1 9 9 0 年，m d e m i c 以悬置点响应力和响应力矩为目标函数， 对悬置系统位置与特性进行了优化，该方法具有适合橡胶悬置和液力悬置的优化设计的 特点嗍。以上几种应用优化理论进行的动力总成悬置系统的研究方法，大多是将悬置系 统的力学模型简化，以车架为刚性基础建立六自由度的刚体弹簧阻尼模型，可见该 力学模型已有比较广泛的应有范围。 我国汽车工业的迅速发展和人们对汽车行驶舒适性要求的提高促使我国汽车科研 工作的广泛深入。国内的汽车专业人员对发动机悬置系统的研究虽起步较晚，但已取得 了大量的成果。八十年代，清华大学的徐石安等人开始发动机悬置系统的优化计算，他 们经过研究认为，相比振动解耦和合理分配固有频率而言，降低振动传递率是最重要的， 提出以悬置处动反力幅值最小为目标函数，适当控制系统的固有频率进行优化设计【9 】， 研究取得了较好的效果。 进入九十年代以来，汽车振动学迅速发展，国内对动力总成悬置系统的研究工作更 加深入，并取得了可喜的成绩。1 9 9 2 年，长春汽车研究所的喻惠然给出了发动机悬置系 统设计的一般要求和原则，并以频率作为隔振的主要参数，成功解决了发动机的隔振问 题，提出了“前工作 区的概念，修正了隔振理论。通过对发动机振动模态和振源的分解， 找到了实现发动机隔振的有效途径：即在低频范围主要研究发动机悬置，在高频范围主 要研究飞轮科1 0 l 。同年，第二汽车制造厂的上官文斌等人在扭矩轴坐标系中建立了优化 模型【l ，以系统固有频率为目标函数，以系统解耦、打击中心原理应用、一阶弯曲模态 节点选为约束进行优化计算，此方法在工程上很具有实用价值。 1 9 9 3 年至1 9 9 5 年，清华大学的徐石安与阎红玉对悬置系统提出新的研究方法【1 1 1 ， 把汽车看成由发动机、车架、驾驶室和车桥等子系统构成的组合系统。通过分别由理论 计算或测试的方法，求出各子结构的动态特性，然后按照一定边界条件进行组合，获得 整个组合系统的动力学方程，求解这个方程即可得此组合系统的动态特性【1 2 1 。若只修改 其中的某一个子结构，原有其它子结构的特性仍保存。把发动机( 包括悬置) 看作要修 改的子结构，事先根据各类汽车共有的特点，找出发动机和其它子结构在整车中的一般 匹配关系。这样，无需建立整车振动模型和方程，直接根据发动机子结构所确定的动态 特性，就能比较准确地预估出整车的振动状况。这就为六自由度振动模型理论的建立作 出了较令人信服的解释。同时，在发动机解耦优化过程中，对结构上缺少明确的对称面 的发动机( 如前置前驱汽车的发动机) ，提出了在任意六个自由度下都能方便解耦的新 方法一能量解耦法【h j 。 吉林大学学者也对发动机隔振进行了深入的研究。他们提出了以整车系统为研究对 象，包括发动机悬置系统在内的十三自由度整车振动模型，通过计算机模拟进行响应分 析。并以人体舒适性的评价标准为基础，来评价悬置元件的隔振性能。近年来，对悬置 系统刚度的研究，已由线性化处理向非线性化方向发展；同时对与悬置连接的基础元件 ( 车身) 的研究，也已由传统的视为刚性无限大的基础元件进一步深入到视为具有一定 弹性的基础元件，在建模计算分析时，考虑了弹性基础对振动传递率曲线的作用【1 4 ，巧j 。 2 0 0 5 年蒋开洪等人通过汽车动力总成悬置系统与整车匹配设计验证，导出了悬置测试和 疲劳测试的方法，明确动力总成悬置系统对汽车媳n v h 性能有重要的影响【1 6 】。2 0 0 7 年 王敏等人通过建立车辆动力总成悬置系统的动力学模型，应用能量解耦理论进行优化设 计，采用a d a m s 软件进行仿真和对比分析，避免了大量的试验费用和试验时间，提高 了设计效率，降低了设计成本l 1 7 1 。 1 4 发动机冷却系统研究现状 客车发动机冷却系统的研究主要借鉴货车经验，并逐步形成了客车的特点，已取得 了大量的成果。各专业客车厂作了大量的工作，例如，江西上饶客车厂张雯静等人从计 算的角度对客车冷却系的散热器结构计算方法、风扇的选择以及冷却系统结构布置进行 了研究0 8 1 ；无锡汽车厂顾进业等人通过对后置客车冷却系统的设计过程中的几个主要 技术参数进行计算和校核，对相关的要素提出了注意要点【l 川；亚星奔驰有限公司刘桂 林等人从客车总体和零部件上介绍客车冷却系的设计要点，并提供相应经验数据和计算 公式。同济大学梁乐华等人基于软件的热管理平台，整合了与整车管理相关的子系统， 并通过仿真模型分析对元件的主要参数进行定量分析，得出不同尺寸散热器、不同尺寸、 功率的风扇和不同的冷却水流量对冷却水进出口温度的影响 2 0 l 。近几年来宇通客车公司 由其博士后工作站应用多项先进技术成果研发而成的发动机热管理系统，包括冷却智能 控制系统和风扇智能控制系统，可将发动机冷却温度精控在适宜做功的9 0 度左右，提 高燃油使用率，并使发动机风扇根据冷却需要始终保持合理转速，减少了风扇运转对燃油 的无效消耗，取得了较好的社会效益和经济效益。 1 5 本文研究的主要内容 本文结合东风旅行车有限公司开发的某一款中置客车开展研究，开展中置大客车发 动机悬置系统和冷却系统匹配研究，找出原悬置振动较大的原因，并对其进行优化改进， 在此基础上，进一步对发动机冷却系统进行匹配计算和验证，论文的主要工作有以下几 工程硕士学位论文 点： 1 ) 查阅国内外关于发动机动力总成悬置系统及冷却系统研究的文献，了解其发展 概况，掌握其分析优化、匹配和验证方法： 2 ) 利用发动机隔振理论，分析发动机总成的隔振原理，掌握悬置匹配的基本要求 和常用的布置形式： 3 ) 分析中置客车原悬置的结构特点，并进行振动测试，判断振动效果，找出共振 的部位； 4 ) 针对中置客车原悬置形式进行结构改进，并对可变刚度软垫的原理进行描述， 分析了可变刚度悬置的结构特点； 5 ) 通过试验对改进前后悬置的隔振效果进行评价，并对试验结果进行了对比分析， 验证是否达到发动机厂家对振动传递率小于o 4 隔振的要求； 6 ) 对中置客车发动机的冷却系统进行了常规匹配计算和验证，并通过实车试验确 认是否符合发动机配套技术要求。 中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究 第2 章发动机悬置匹配设计的一般理论与方法 2 1 概述 汽车本身是一个具有质量、弹性和阻尼的振动系统，由于汽车内部各部分的固有频 率不同，汽车在行驶中常因路面不平，车速和运动方向的变化，车轮、发动机和传动系 统的不平衡等各种外部和内部的激励作用而极易产生整车和局部的强烈振动。其中，发 动机是汽车最重要的振源之一，由它产生的振动如果得不到有效的控制，会引起车身钣 金件与车架相连的其他零部件等产生振动和噪声，同时还要影响到汽车的操纵稳定性和 平顺性，使乘员产生不舒服和疲惫的感觉，严重时甚至损坏汽车的零部件，大大缩短汽 车的使用寿命。 汽车的振源主要来自两个方面：发动机和路面。而发动机作为一个主要振源，其振 动由动力总成( 主要包括发动机、离合器及变速器等) 经悬置系统传递给车身引起车身 的振动，并通过车厢隔板的振动产生辐射噪声【2 l 】。合理选取悬置系统的动力学参数和悬 置橡胶的参数，尽可能减少发动机振动对整车振动的影响，对于降低整车振动、提高车 辆的综合指标是极其重要的瞄2 3 1 。 随着汽车技术的发展，汽车的高速化和自身的轻量化得到了提高，但同时也使得振 动问题日益突出，而人们对汽车的舒适性要求越来越高。良好的平顺性和低噪声是汽车 的一个重要标志，因而发动机悬置系统的设计受到了广泛的重视，如何更有效地进行发 动机隔振已成为汽车设计的重要课题。 2 2 发动机隔振原理 发动机总成和变速系统合称为发动机动力总成。在汽车发动机隔振设计时，一般以 发动机动力总成为隔振对象。在本文中以某发动机总成及其配套的变速箱作为隔离对象 来进行研究，整个振动系统称为发动机悬置系统，简称悬置系统。 发动机的振动是一个多自由度的复杂振动问题，为了定性地说明发动机振动和隔振 问题的特性，首先作以下几个假设刚： ( 1 ) 把支持发动机的底盘视为绝对刚体： ( 2 ) 发动机的旋转角速度是一个常数； ( 3 ) 发动机在各方向的振动及回转运动之间互不影响。 根据以上三点假设，就可以独立地研究发动机在各方向的振动问题。单独考虑发动 机垂直方向单自由度振动，如图2 1 所示，设发动机垂向激振力为f os i n m t ，悬置软垫 简化成由弹簧阻尼组成的隔振器模型，则系统的运动微分方程为： 工程硕士学位论文 刀西+ 砖+ 奴= 磊s i a 丘x 图2 1 发动机垂直方向单自由度振动模型 由机械振动理论可知，隔振器的有效性参数一传递率( 又称隔振系数) 为： 死噜= 式中：名频率比，名= 旦： f 阻尼比，f = 三； 国激振频率，豫肌； 系统的固有频率， q = 鲁，m d s ； c 粘性组尼系数，n s mo 巳临界的粘性阻尼系数， 乞= 2 r o w , ； 七弹簧的刚度，n m ； m 集中质量，k g 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 以免为横坐标， 乃为纵坐标，可以作出不同阻尼系数情况下的幅频响应曲线，如 图2 2 所示。 中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究 vl o f - 0 1) 0 1， d 一0 25 r 沙找 一一句3 7 5 ii 纩 巡1 d 卯 夕 工u 1 _ 、- - ：、 、忒 颓率比 图2 2 不同阻尼系数情况下的幅频响应曲线 通过对图2 2 进行分析，可以得到如下结论： 1 ) 熵l 为共振点，即工程的危险点。该点对阻尼十分敏感，小的阻尼会使系统产生 过大的振幅，具有极大的破坏性； 2 ) 0 。7 5 2 为工作区，此时无论阻尼大小，随着频率比增加，传递率逐渐趋于零，这 正是设计要求的隔振效果。但在九 5 以后，传递率几乎水平，实际上选取九值在2 5 5 之间隔振效果已经足够了； 4 ) 九 2 时，传递率随阻尼比的增大而提高，即在此情况下增大阻尼不利于隔 振，因此发动机悬置不宜取太大阻尼。 由上述分析可知，要解决发动机隔振问题，关键在于激振频率与发动机固有频率的 选取。为使系统的振动只发生在工作区，而竭力避免落入隔离区，必须对系统固有特性 和激励两个方面进行研究。 由图2 2 还可知，当激振力频率小于2 倍的系统固有振动频率时，隔振器不仅没 有起到隔振的作用，甚至放大了激振力。只有当激振力频率大于2 倍的系统固有频率 时，隔振器才起到隔振的作用，而且随着激振力频率的增加，隔振效果越好。发动机厂 家要求悬置软垫的振动传递率小于o 4 ，因橡胶悬置软垫的阻尼系数约为0 1 ，则要求 发动机悬置系统固有振动频率低于0 5 倍的激振力频率。 5 3 5 2 5 l 5 o 3 2 l o 霉裂职 工程硕士学位论文 2 3 发动机总成的激振力 对汽车发动机来说，基本受到两个振源的激励。一个是来自路面，另一个是来自运 转的发动机及传动系统。路面的激励虽较广阔，但基本上属低频率范围，而且它是通过 悬架系统传给发动机的，其频率除个别点外，一般在2 5 i - i z 以下；而来自发动机的振动 频率相对要高些。总的来说引起发动机自身振动的激励有以下几种【2 5 】： 1 ) 着火脉冲 由于燃料在气缸内爆发而在缸体上产生绕平行于曲轴轴线的力矩。多缸发动机合成 的扭矩以及与它等值反向的由发动机悬置点承受的翻转力矩，都是曲轴转角的周期函 数，这种周期性的力矩脉动叫做着火脉冲，等着火间隔发动机的着火脉冲频率由下式给 定： f n r d 3 0 c ( 2 3 ) 式中：n 汽缸数； 卜曲轴转速，r r a i n ； c 一程数。 2 ) 不平衡旋转质量和往复运动质量所引起的激振频率： f - - - - q n 6 0( 2 4 ) 式中：q 一比例系数，对于一阶不平衡力q = 1 ；二阶不平衡力q - 2 3 ) 传动轴( 变速箱挂直接档) 不平衡质量引起的激振频率t f = n 6 0 ( 2 5 ) 发动机不工作时转速为零：怠速至最高转速为发动机转速范围；由静止到怠速是发 动机点火启动过程。发动机由怠速到最高转速的激振频率可由上述各式计算。 设怠速转速为n l n i n ，最高转速为n l 嫩，则频率厂的取值范围为： n 妇, q 3 0 c n m m s o t ，的取值范围为： 一阶力时：岫徊二细 二阶力时：血湘k 3 0 中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究 由不平衡量引起的激振力是离心力，其大小与转速平方成正比，只有在高转速时其 作用才明显；而着火脉冲的激励作用只有在低速时才明显，因此在隔振处理时考虑上限 和下限是合理的。 从以上叙述的振源激振频率范围，可确定系统隔振的频率范围。一般来说，发动机 自身或者来自路面的激励频率是客观存在的，能回避的只是系统自身的固有特性。因此 要求刚体模态频率至少要小于叱。露则2 f ，同时大于路面激振频率2 5 h z 。 可见，允许发动机存在的刚体模态频率范围是被限制在极端狭窄的范围内，因此调 整和设计发动机悬置系统结构参数时应十分小心。 2 4 发动机悬置匹配一般要求 发动机隔振是指在发动机与车架之间插入较柔软的元件( 称为发动机悬置) ，从而 使二者之间力的传递得到衰减。由于发动机悬置既是弹性元件又是减振装置，对它的设 计应满足如下要求m j ： ( 1 ) 隔离振动。在发动机所有工作转速范围内，发动机产生的振动必须通过悬置系统 加以隔离，尽可能降低传递给汽车底盘和车身的振动。同时，悬置系统还必须隔离由道 路不平引起的车轮、悬挂系统的振动，防止这一振动向发动机传递，避免发动机振动加 剧，以满足车辆运行时的平稳性和舒适性，并保证怠速和停机时发动机的稳定性。 ( 2 ) 发动机支承和定位。为了隔离振动，发动机被支承在几个弹性软垫上，因而在发 动机本身振动和外界作用力驱动下，发动机和底盘之间必然存在着相对运动。所以悬置 系统必须具有控制发动机相对运动和位移的功能，使发动机始终保持在相对稳定和正确 的位置上。决不能让发动机在各方向运动中与底盘、车身上的零件产生干涉和碰触，特 别要注意保证风扇与护风罩之间的正常间隙。 ( 3 ) 保护发动机。车辆在行驶过程中同时承受着动态负荷和冲击负荷。悬置系统应具 有保护发动机的能力，防止发动机上个别部位因承受过大的冲击载荷而损坏；特别要保 证发动机缸体后端面与飞轮壳的结合面上的弯曲力矩不超过制造厂规定的限值。此外， 车辆在崎岖道路上行驶时，车架的扭曲变形会使发动机承受扭曲应力，使发动机局部受 到损伤。悬置系统应布置合理，并正确选择软垫刚度参数，以保证能充分缓冲和抵御外 力的冲击，并消除薄弱环节。 ( 4 ) 克服和平衡因扭矩输出而产生的反作用力。悬置系统必须有足够强度，当发动机 乏蔓速箱总成输出最大扭矩时，能克服最大扭矩所产生的最大反作用力，悬置软垫和 支架在这种条件下都必须具有足够的可靠性。 ( 5 ) 发动机与底盘之间的连接零件必须要有足够柔性。这些零件是：排气管、进气管、 燃油管、冷却水管、压缩空气管、油门操纵机构及变速箱操纵机构等。如果它们的刚度 较大，则发动机的振动容易造成这些零件的损坏，尤其是在怠速停机、出现共振时。 工程硕士学位论文 此外，如果它们刚度较大，也会改变发动机悬置系统的刚度和自振频率，从而影响 隔振效果，并导致噪声升高。因此，这些连接件必须采用柔性连接。如果排气管不能采 用柔性管，则应将其支撑或悬挂设置在它的振动节点上。 ( 6 ) 悬置系统的零部件必须具有足够的强度和可靠性，在严重的冲击负荷下应保证不 发生损坏。特别是起关键作用的悬置软垫，必须可靠耐久，能适应各种恶劣工作环境条 件：包括耐水、耐油及耐高温和低温。 另一方面，如果系统零部件出现损坏，损坏应最先出现在软垫总成上，而不应是悬 置支架等金属件。在软垫的橡胶部分损坏后，发动机应仍能依靠软垫总成中金属骨架的 支承而保持其原有位置，而不应引起其它撞击损坏。 从隔振角度来说，希望悬置越软越好，以期将振动隔离到最小；而从支承和限位角 度来说，考虑到空间结构的紧凑性和有限性，又希望悬置越硬越好，最好将发动机固定 不动。此二者是一个矛盾体，因此在悬置设计中如何最优化选取悬置刚度是一个极为重 要的问题。同时，为了使振动得到迅速衰减，发动机悬置还应具有适当的的阻尼，这是 发动机悬置的另一个要求。 2 5 常用悬置布置形式 按悬置的数量划分有三点式和四点式【2 刀。 三点式悬置的运动顺从性最好，因为三点决定一个平面，不受车架变形的影响，而 且固有频率低，抗扭转振动的效果好。 四点式悬置的稳定性好，能克服较大的转矩反作用力，但是扭转刚度较大，不利于 隔离低频振动，但是经过合理设计仍可满足要求。四点悬置较广泛使用。 当变速器较长、较重时，飞轮壳与机体结合面的静态弯矩可能会超出许可值，这时 需要在变速箱上增加一个辅助支撑，但它绝不能设计成刚性连接或对车架挠曲造成限 制。 悬置点的数量根据动力总成的长度、质量、用途和安装方式等决定。 任意布置的悬置型式会导致刚度矩阵的完全耦合，在工程实际中，一般总是让悬置 布置带有一定的规律性和对称性，除非有某种特殊要求，一般是不会将它们人为地布置 成不对称的。日常应用中常见的悬置布置有以下几种基本型式。 2 5 1 平置式 这是一种最常见的、传统的布置型式，它有布局简单、安装容易、易于控制的特点。 在这种布置方式中，每个悬置的三个互相垂直的刚度轴p 、q 、r 各自对应的平行于所选 取的参考坐标轴o x 、o y 、o z ，如图2 3 ( a ) 所示。组成平置式的悬置，可以是不同类型的， 也可以是同一系列型号但安装方式不同的。重要的一点是不管哪个悬置，其三个主刚度 轴p 、q 、r 必须是对应平行于o x 、o y 、o z 轴。 中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究 由于通过发动机重心的各坐标轴方向平行于悬置的各弹簧作用线，故沿着某一轴方 向的线位移在其余两弹簧中不产生恢复力；同样，绕某一轴回转的角位移在平行于此轴 的弹簧中不产生恢复力，即在这种布置方式中：k x ) ，i = o 、k x z i = 0 、k y z i = 0 ，所以凡是由 这些基本刚度单元所组成的总刚度为零，即k x y 、k x z 、k y z 、k x a 、k y p 、脚均为零。 在平置式中，消除耦合振动的主要方法是使悬置作成对的对称布置，或是其位置坐 标的正负数值之和为零，这样能使k x v 、k z a 、勋p 、k 阶等刚度为零，从而消除了完全 耦合。 2 5 2 斜置式 斜置式是一种既有较强的横向刚度、又有足够的侧倾柔度的布置方式，其每个悬置 的三个相互垂直的刚度轴p 、q 、r 相对于参考坐标轴的布置一般为：p 轴平行于0 x 轴， q 轴和r 轴分别与0 y 轴和o z 轴有一夹角9 。一般斜置式布置悬置都是成对的布置于x o z 平面的两侧，但每对之间的夹角可以不同，坐标位置也可任意。如图2 3 ( b ) 所示。 在斜置式的基本刚度单元中，虽然k w 0 ，但因其左右对称，两侧正好差一个符 号，所以结果k 纠= k 订= 0 。此外，由于是成对的对称布置于x o z 平面的两侧，因此 刚度足曩、k 夥、如、足勿也等于零。这样在斜置式中只有1 1 个刚度，不存在完全耦 合的振动型式。 当采用相同的悬置，并使倾斜角度均相同时，如能再将悬置的位置布置得使纵向对 称，则刚度k 妒、k 炒、又为零。这时悬置在力学上对称于x o z 、y o z 两个平面，垂 向振动和横摆振动独立，只剩下两组两联耦合振动：纵向一点头及横向侧倾振动。 斜置式还有另一个特点：除了几个特殊值以外，斜置式悬置的所有刚度几乎都是倾 斜角q 的函数。因此必存在着这样一种角度，使得六个固有频率落在所期望的范围内， 这个角度称为最佳倾斜角。 在实际工作中，选取最佳倾斜角常比去耦更易实施，而同样能得到良好的隔振效果。 总之，斜置式的优点是既能有较强的刚度又能使耦合变得较少，因而在很多汽车上 得到应用。 7 iz 悬置 i ) 平置式b ) 斛置式 图2 3 悬置布置形式 工程硕士学位论文 2 5 3 会聚式 会聚式悬置的特点是所有悬置布置在同一平面，其主要的刚度轴均会聚相交于一 点，如图2 4 所示。 图2 4 会聚式悬置布置形式 这种布置方式的突出优点是具有良好的稳定性，且易于得到独立振动。它可以通过 调节倾斜角度和布置坐标间的关系，来获得六种完全独立的振动型式，而无需将各悬置 布置在包含发动机重心的平面内，因此具有一