動力總成懸置系統(tǒng)布置設計研究1影響懸置系統(tǒng)布置設計的因素11發(fā)動機汽缸數(shù)的影響不同缸數(shù)的發(fā)動機對動力總成的振動激勵型式和激勵頻率不同。對于四缸四沖程發(fā)動機，在低頻區(qū)的激振成分主要是第二階不平衡往復慣性力對于六缸四沖程發(fā)動機，其激振成分主要是第三、六階轉矩諧量。根據(jù)隔振理論，動力總成剛體振動模態(tài)頻率應比主要激振頻率的0707倍要小。考慮怠速隔振的情況，當發(fā)動機的怠速轉速相同時，四缸發(fā)動機動力總成的剛體振動臨界頻率上限需低于六缸機。對于四缸機，應特別注意其二階不平衡往復慣性力。12發(fā)動機布置方式的影響FF發(fā)動機前置前輪驅動式汽車的發(fā)動機可以橫置或縱置，而橫置發(fā)動機和縱置發(fā)動機的傾覆力矩對車身的低階彎曲、扭轉振動模態(tài)的相互耦合、匹配關系也完全不同。雖然動力總成的轉動慣量幾一般比幾要大得多3一倍左右，但動力總成的俯仰振動模態(tài)頻率一般低于側傾振動模態(tài)頻率，動力總成的俯仰振動幅值往往小于側傾振動幅值。在發(fā)動機怠速工況下，動力總成的側傾振動較大，為了避免動力總成的振動引起車身的低階彎曲、扭轉模態(tài)共振，在動力總成懸置系統(tǒng)設計過程中需要合理匹配車身彎曲或扭轉振動模態(tài)與動力總成剛體側傾振動模態(tài)的頻率，同時對動力總成懸置安裝點與車身固有振型節(jié)線的相對位置關系進行合理匹配。例如，對于橫置式發(fā)動機，動力總成的前后懸置不宜跨置于車身彎曲振型節(jié)線的兩側。13動力傳動系統(tǒng)型式的影響對于發(fā)動機前置前輪驅動的FF式汽車動力傳動系，其動力總成還包括驅動橋主減速器，使得作用在動力總成上的驅動反力矩比FR式汽車大大增加，就要求提高懸置的靜剛度。同時，F(xiàn)F式汽車動力總成與FR式相比，其扭矩軸與曲軸的夾角明顯增大，當其懸置系統(tǒng)采用V型布置方案時，往往由于布置空間和布置位置的限制，難以使得懸置組在布置達到使懸置組的彈性中心落在扭矩軸上的目標。因此，有必要在整車總布置初期預留必要的空間。14整車隔振性能要求對動力總成懸置系統(tǒng)設計的影響為了抑制路面激起的整車振動，可適當配置動力總成懸置系統(tǒng)的垂向振動模態(tài)頻率，使其起到控制整車振動的動力吸振器的作用，由動力總成吸收經(jīng)過懸架傳遞上來的振動，從而減小車身的振動。這往往要求動力總成懸置系統(tǒng)有較高的垂向剛度。2不同動力總成型式下的懸置布置設計21前置后驅式（FR式）汽車前置后驅式（FR）汽車經(jīng)常采用對稱布置的三點或四點式懸置系統(tǒng)，二者隔振原理基本相同。在FR式汽車動力總成懸置系統(tǒng)中，多在動力總成質心的左右各有一懸置，在變速器后部選用一點或兩點懸置，組成三點或四點式懸置系統(tǒng)。動力總成質心附近的懸置支承了動力總成質量的6080，起主要隔振作用，被稱作主懸置。而變速器后部懸置的垂直方向剛度較低，主要起限制動力總成振幅的作用，防止其產(chǎn)生俯仰運動，被稱作止動式懸置。動力總成有六個剛體模態(tài)，在耦合振動系統(tǒng)中的某一模態(tài)受到激發(fā)的同時，其它模態(tài)振動也受到激發(fā)，不利于控制系統(tǒng)的振動。理想的解耦式振動系統(tǒng)中，懸置系統(tǒng)的彈性中心與動力總成的質心重合，這樣六個剛體模態(tài)完全解耦。但由于動力總成在汽車上的安裝空間受到限制，無法實現(xiàn)完全解耦。ADAMOPEL汽車動力總成采用的三點式懸置系統(tǒng)中，在發(fā)動機前部的兩側各有一個與垂直方向傾斜一定角度的解耦式主懸置，在變速器后部有一止動式懸置，如圖21所示?？紤]到動力總成中扭矩波動、往復慣性力引起的扭振和垂直振動對整車乘坐舒適性有重要影響，因此圖32所示的懸置系統(tǒng)將扭轉振動與垂直振動解除耦合，從而在一定程度上改善了懸置系統(tǒng)的隔振特性。圖21FR式汽車動力總成懸置系統(tǒng)22前置前驅動（FF式）汽車動力總成前置前驅動汽車（簡稱FF式汽車）結構緊湊，空間利用率高，高速行駛時具有良好的平順性和安全性，在中、低檔轎車中得到了廣泛應用。在FF式汽車中驅動反力矩直接作用在動力總成懸置上，故動力總成懸置除支承動力總成質量、扭矩波動、往復慣性力外，還應支承驅動反力矩作用考慮到差速器變速比，驅動反力矩是動力總成輸出力矩的34倍以上，因此，為限制動力總成的振幅，懸置應具有較高剛度，但這與采用低剛度懸置以隔離發(fā)動機中高速運轉時的振動、噪聲的要求相矛盾。為克服這一矛盾，應在懸置系統(tǒng)中采取相應措施。動力總成橫置的FF式汽車驅動軸平行于發(fā)動機曲軸，動力總成輸出扭矩和驅動反力矩都作用在動力總成前后懸置上，見圖22A。動力總成縱置的FF式汽車驅動軸垂直于發(fā)動機曲軸，扭矩激勵作用在兩前懸置上，驅動反力矩作用在變速箱懸置上，見圖22B。由圖22可知，動力總成橫置或縱置時，F(xiàn)F式汽車動力總成懸置系統(tǒng)受力狀況有明顯差別。圖22FF式汽車懸置系統(tǒng)所受力矩221動力總成橫置時FF式汽車懸置系統(tǒng)配置規(guī)律動力總成橫置的FF式汽車懸置系統(tǒng)與FR式汽車相比，尚未形成統(tǒng)一的配置方式。其原因是不同生產(chǎn)廠家設計原則不同、發(fā)動機艙布置緊湊、對懸置的隔振水平要求高等。動力總成橫置的FF式汽車采用的三點式懸置系統(tǒng)突破了FR式汽車動力總成懸置系統(tǒng)的局限，有下面三種主要方式1在圖23A所示三點式懸置系統(tǒng)中，在動力總成質心前有兩懸置，分別布置在發(fā)動機、變速器與車架之間，質心后有一與汽車縱軸偏轉一定角度的懸置通過橫向支座連接變速器輸出半軸和車廂前壁，可支承汽車的起步力矩。2在圖23B所示三點式懸置系統(tǒng)中，質心前部有一懸置通過橫梁與縱梁相連，質心后有兩懸置與轉向軸相連。圖23A動力總成橫置的FF式汽車三點式懸置系統(tǒng)配置方式（1）圖23B動力總成橫置的FF式汽車三點式懸置系統(tǒng)配置方式（2）3在圖23C所示三點式懸置系統(tǒng)中，左右懸置與車架直接相連，其連線通過動力總成質心，動力總成質心下側另有一懸置與車廂前部相連，起支承轉矩作用。（4）圖24所示的四點式懸置系統(tǒng)在動力總成橫置的FF式汽車上也得到了廣泛應用。懸置系統(tǒng)中前后懸置安裝在T型副車架上，發(fā)動機頂部懸置和變速箱置固定在整體式車架上。在懸置系統(tǒng)設計中，應嚴格控制彎曲模態(tài)振型節(jié)點在懸置系統(tǒng)中的位置。由圖25可知，當振型節(jié)點在前、后懸置之間時，座椅接地點垂直振動水平有所提高；當振型節(jié)點在后懸置之后時，座椅接地點垂直振動水平有所降低，這種現(xiàn)象被稱作“相量消減”。由圖26可知，當激振頻率趨于動力總成剛體共振頻率時，節(jié)點位置向前移動。這時，系統(tǒng)包括動力總成繞打擊中心A作俯仰運動的剛體模態(tài)和一階彎曲模態(tài)。由于剛體共振頻率前后的彎曲模態(tài)相位相反，因此彎曲振動節(jié)點在上述兩個彈性模態(tài)作用下在剛體共振頻率點附近產(chǎn)生移動。為保證節(jié)點位于后懸置之后，應使怠速頻率低于動力總成共振頻率。如果車體尺寸太大，無法將動力總成彎曲模態(tài)共振頻率提高至怠速頻率之上，那么應安裝動力吸振器，如將散熱器與動力總成彈性連接，以在汽車怠速時抑制動力總成的彎曲共振。這樣當汽車怠速時，動力總成懸置系統(tǒng)中只有剛體模態(tài)受到激發(fā)，振動節(jié)點減為一個，并移向打擊中心。圖23C動力總成橫置的FF式汽車三點式懸置系統(tǒng)配置方式（3）圖24動力總成橫置的FF式汽車四點式懸置系統(tǒng)配置方式將圖25中前懸置后移，可減少懸置到動力總成扭轉軸的距離，降低了懸置系統(tǒng)的扭轉剛度，使汽車對動力總成的垂直振動不敏感。同理，降低圖中發(fā)動機頂部懸置，可減少動力總成沿縱向向汽車傳遞的力，使車體對動力總成縱向振動不敏感。圖27所示四點式懸置系統(tǒng)中，左、右懸置與車架直接相連，二者靠近動力總成慣性主軸，使動力總成垂直振動和扭轉振動解除耦合；此外，在動力總成前后各有一懸置沿汽車縱向中心線布置，通過對縱向振動不敏感的支座，分別固定在汽車前橫梁和車廂前壁上。222動力總成縱置的FF式汽車懸置系統(tǒng)配置規(guī)律動力總成縱置的FF式汽車有助于整車質量平衡，工作平穩(wěn)，尤其有利于降低小型汽車的低速振動。因為懸置在動力總成彎曲振動節(jié)點處不引起車架振動，所以適于安裝低剛度的主懸置，由圖28A可知，縱置直列五缸發(fā)動機FF式汽車在動力總成質心處振幅為零，適于安裝五點式懸置系統(tǒng)。因為動力總成前部、中間懸置處振幅約為變速器懸置處的L3，所以主懸置應布置在前部、中間懸置位置。此外，應在變速器尾部安裝低剛度的止動式懸置。在縱置直列四缸發(fā)動機FF式汽車的動力總成上，無任何一點振動幅值為零，不適于前述節(jié)點布置原則，其懸置系統(tǒng)原理與FR式汽車相同，但為支承驅動反力矩作用，應適當提高變速器懸置的剛度。23全輪驅動式汽車動力總成懸置系統(tǒng)的配置方式與傳動系其他布置型式相比，全輪驅動式汽車對動力總成懸置系統(tǒng)提出了更高的要求1傳動系是一個復雜的高剛度扭振系統(tǒng)；2懸置應支承因前輪驅動引起的附加驅動反力矩；3牽引力增加后，意味著懸置因負載變化支承的動載荷增加；4全輪驅動式汽車動力總成尺寸增加，振動質量加大，動力總成的彎曲共振頻率有所降低。如前文所述，全輪驅動式汽車動力總成多布置在汽車前部。由于動力總成質量增加，發(fā)動機側懸置應布置在發(fā)動機附屬設備的后部，而變速器懸置有兩種方案可供選擇其一，支承在變速器尾部，組成三點或四點式懸置系統(tǒng)用“長基”表示；其二，通過副車架與車架相連，組成五點式懸置系統(tǒng)，用“短基”表示，如圖29所示。在“長基”懸置系統(tǒng)中，由于動力總成俯仰振動和垂直振動耦合，俯仰振動吸收了大量的振動能量，降低了動力總成的振動強度，從而改善了乘坐舒適性。此外，“長基”懸置系統(tǒng)還具有懸置數(shù)量少，副車架強度要求低的優(yōu)點。在“短基”懸置系統(tǒng)中，扭轉剛度是常量，且作用距離短，有利于優(yōu)化動力總成振型，降低噪聲水平，并可省略變速器懸置，減少了振動力的傳遞。3懸置的布置設計要點發(fā)動機動力總成是通過橡膠懸置支承在副車架上的，而橡膠懸置塊是粘彈性元件，二者構成了振動系統(tǒng)，對于這個復雜的振動系統(tǒng)，懸置點的數(shù)量和懸置的布置形式直接影響著整個振動系統(tǒng)的固有特性以及振動的解耦情況。一般轎車動力總成懸置系統(tǒng)通常包括3一4個懸置元件，其中的1一2個為液阻懸置，懸置系統(tǒng)隔振性能的好壞不僅與每個懸置的性能有關，而且與這幾個懸置組合后的特性相關。懸置系統(tǒng)的隔振設計包括確定每個懸置元件的靜動態(tài)特性、安裝位置和安裝方位。31懸置支承點的數(shù)目懸置點的數(shù)目可以有3、4、5及6點等四種類型。懸置點的數(shù)目一般根據(jù)發(fā)動機變速箱總成的尺寸特別是長度尺寸、重量、用途和安裝方式等決定的。3點及4點懸置在汽車上的應用最為普遍，懸置點的數(shù)目增多將難以保證各點的受力均衡，當車架變形時發(fā)動機和車架失去順從性，使個別支點因發(fā)生錯位而受力過大，反而影響可靠性。3點式懸置與車架的順從性最好，因三點決定一個平面，不受車架變形的影響。而且自振頻率低，抗扭轉振動的效果好。值得推薦的是前懸置采用兩點左右斜置，后端一點緊靠慣性主軸的布置方案。這種布置具有較好的隔振功能，在4缸機上得到廣泛的應用。而前一點后兩點的三點式多用于6缸機。4點式懸置的穩(wěn)定性好，能克服較大的轉矩、反作用力，但扭轉剛度較大，不利于隔離低頻振動，必須經(jīng)過合理設計才可滿足4缸機的要求。4點式懸置在6缸機上的使用最為普遍。5點式懸置一般僅用于重型汽車上，因為其發(fā)動機變速箱總成的重量和長度太大，為了避免發(fā)動機缸體后端面與飛輪殼結合面上產(chǎn)生過大的彎矩，不得不在變速箱上增加一個輔助支點，從而形成5點式懸置。但必須經(jīng)過負荷計算確定輔助支點的剛度，輔助支點的剛度不能太大必須有足夠的柔性，以避免因車架變形而損壞變速箱。本文研究的動力總成使用的是三點式懸置，這種方式在日系小排量發(fā)動機FF橫置的轎車應用十分廣泛。311三點支撐三點支承的發(fā)動機懸置,在我國大客車行業(yè)是一種較為常見的形式。上柴D6114系列發(fā)動機和康明斯B系列、C系列及M系列發(fā)動機均可采用這種結構形式。三點支承具有結構簡單、占用空間少、容易設計和不易產(chǎn)生定位干涉等優(yōu)點；其缺點是穩(wěn)定性較差,特別是對冷卻系統(tǒng)由皮帶驅動和裝非獨立式空調的大客車,發(fā)動機的定位不可靠,懸置系統(tǒng)容易損壞。312四點支承四點支承是大客車最為普遍的發(fā)動機懸置結構28。絕大多數(shù)發(fā)動機,如斯太爾WD615系列、WD612系列和WD618系列,日野J08C,杭發(fā)X6130等均為四點支承；上柴D6114系列發(fā)動機和康明斯B系列、C系列發(fā)動機也可采用四點支承。四點支承具有發(fā)動機定位可靠、穩(wěn)定性好的優(yōu)點；其缺點是容易產(chǎn)生定位干涉,對有關零件設計和加工的尺寸精度要求較高,前懸置支架容易和水箱支架發(fā)生干涉。本文研究的發(fā)動機動力總成懸置系統(tǒng)就是采用的四點懸置。313五點支承所謂五點支承,是指在典型的四點支承的基礎上,在變速器上加輔助支承。重汽公司在早期開發(fā)的斯太爾6091H26型中檔旅游大客車底盤,即采用了這種五點支承形式。大量實踐證明對于城市和旅游大客車,如果沒有裝配液力或電渦流緩速器,一般沒有必要采用五點支承的懸置形式。32懸置支承點的位置懸置點有前懸置和后懸置之分。3點式懸置系統(tǒng)有前2后1和前1后2兩種布置方案。懸置點的位置應視具體結構空間和隔振要求而定。本文508動力總成采取前2后1布置方案。實際上一般在發(fā)動機或變速箱上均己提供了預留的螺孔或凸臺，以供安裝懸置支架。甚至有多組螺孔或凸臺以便選用。這些螺孔中前懸置用的大多數(shù)分布在缸體前端面下部或缸體前中部的左右側面上，后懸置用的分布在飛輪殼兩端變速箱底部或兩側。在確定懸置點的位置時，必須進行懸置點的載荷計算，然后校核各支點位置是否滿足發(fā)動機制造廠對支點位置的要求及對關鍵部位的載荷的要求。再根據(jù)撞擊中心理論調整前后懸置的相對位置，并適當調整懸置點的橫向位置及高度方向位置。懸置的最佳安放位置是懸置通過動力裝置的自由扭矩轉動軸，此時，懸置只承受發(fā)動機的力和力矩。除此之外，還需考慮，下面幾個因素1懸置的位置應盡可能的安放在發(fā)動機振動較小的地方，即節(jié)點。這樣傳遞到懸置的振動也很小，安放點一定要遠離動力裝置反節(jié)點。2懸置應安放在車架或車身振動傳遞率最小的位置，即節(jié)點。這個位置對振動的傳遞最不靈敏，車體上的響應可以達到最小。3懸置的放置要盡可能使動力裝置的六個模態(tài)解耦，解耦后，動力裝置就相當于六個獨立系統(tǒng)，對一個模態(tài)進行控制時，其余模態(tài)不受影響。4對于車身懸架系統(tǒng)來說，隔振系統(tǒng)必須有良好的動力吸振效果，一般來說，懸架系統(tǒng)承受垂向作用力的地方是安裝懸置的好位置，因為這里一般剛度較高，質量集中，通常也是車身第一彎曲模態(tài)節(jié)點。要同時滿足上面這些要求是不現(xiàn)實的。對同一結構來說，某一個振動模態(tài)節(jié)點位置對于另一個模態(tài)可能是反節(jié)點。對一個懸置來說，要求一端與動力裝置模態(tài)節(jié)點相連，另一端與車體模態(tài)節(jié)點相連，也很難實現(xiàn)。另外，布置還受安裝空間的限制，所以上述原則只是給出一個參考。動力總成懸置系統(tǒng)的布置設計與發(fā)動機缸數(shù)、發(fā)動機布置方式、汽車動力傳動系的型式及整車隔振性能要求等諸多因素有關。汽車動力總成傳動系統(tǒng)形式的多樣性對動力總成隔振懸置系統(tǒng)提出了不同的設計要求，導致了動力總成懸置系統(tǒng)的布置方式的多樣性。33懸置布置形式懸置是具有三向剛度的彈性元件，按照這三個剛度軸線和參考坐標軸線間的相對位置關系，懸置系統(tǒng)彈性支承的布置方式可以分為以下三種。331平置式這是一種傳統(tǒng)的布置型式，它布局簡單、安裝容易，易于控制。在這種布置方式中，每個懸置的三個互相垂直的剛度軸分別和懸置系統(tǒng)的坐標系OX、OY、OZ平行，如圖31所示。由于通過發(fā)動機重心的各坐標軸方向平行于懸置的各彈簧作用線，故沿著某一軸方向的線位移在其余兩彈簧中不產(chǎn)生恢復力；同樣，繞某一軸回轉的角位移在平行于此軸的彈簧中不產(chǎn)生恢復力。圖31平置式圖32斜置式332斜置式這是一種目前汽車發(fā)動機中用得最多的布置方式。在這種布置方式中，彈性支承的三個剛度軸相對于參考坐標軸存在一定的角度關系，一般斜置式的彈性支承都是成對地對稱布置于垂向縱剖面的兩側，但每對之間的夾角可以不同，坐標位置也可任意，如圖32所示。這種布置方式的最大優(yōu)點是它既有較強的橫向剛度，又有足夠的橫搖柔度，因此特別適用于像汽車發(fā)動機這樣既要求有較大的橫向穩(wěn)定性，又要求有較低的橫搖固有頻率以隔振由不均勻扭矩引起的橫搖振動。此外，它可以通過斜置角度，布置位置以及懸置兩個方向上的剛度比等適當配合來達到橫搖解耦的目的，這是平置式較難做到的。斜置式懸置布置還有一個特點系統(tǒng)六個自由度的剛度都和懸置的傾斜角有關，因此只要合理選擇傾斜角，就能使系統(tǒng)的六個固有頻率落在所期望的范圍內。在實際工作中選擇傾斜角要比消除耦合振動容易實施，并且能夠取得良好的隔振效果。333會聚式這種布置方式的特點就是所有懸置的主要剛度軸會聚相交于同一點，如圖27所示。除了有良好的穩(wěn)定性外，會聚式的最大優(yōu)點就是可以通過調節(jié)懸置傾斜角和安裝位置，來獲得六個完全獨立的懸置系統(tǒng)的振動模態(tài)，而無需將各懸置布置在包含發(fā)動機重心的平面內，因此具有一定的價值。但是這種布置型式實施起來并不容易，而且一般汽車發(fā)動機并沒有縱向激勵，斜置式完全能夠滿足隔振要求，因此會聚式懸置布置方式應用并不廣泛。圖33會聚式34動力總成安裝角發(fā)動機支承的基本形式如圖34所示，為發(fā)動機的安裝角,為發(fā)動機主慣性軸與曲軸中心線的夾角,一般為1215。主慣性軸位置可由試驗測得。發(fā)動機本體相對其主慣性軸振動,因此,主慣性軸的位置是發(fā)動機支承設計的基點,支承點的布置與發(fā)動機主慣性軸密切相關。理想的支承系統(tǒng)是各支承點位于通過主慣性軸的平面上,且關于主慣性軸對稱分布。但是由于發(fā)動機機艙空間及發(fā)動機曲軸的安裝要求，不可能把懸置支承點安裝在過主慣性軸的平面內，所以發(fā)動機總成安裝時一般都有一個傾角，使懸置支承點靠近過主慣性軸的平面。圖34發(fā)動機安裝角及主慣性軸35左右懸置點縱向距離的選擇和優(yōu)化能利用缸體和飛輪殼上預留螺孔的前提下，懸置點的縱向位置應盡可能滿足下列條件351撞擊中心理論對于研究的508動力總成懸置系統(tǒng)來說，將因路面沖擊引起的右懸置處的劇烈擾動和由傳動軸引起的左懸置處的擾動在另一端懸置處產(chǎn)生的響應最小化，是撞擊中心理論的出發(fā)點。對于外激頻率較低的發(fā)動機來說，可采用撞擊中心理論確定前后懸置點的縱向位置。即如圖35所示，使前后懸置點在互為撞擊中心的位置O1O2上圖35撞擊中心理論示意圖這樣當一個支點受一個垂向力作用時，另一個支點上的響應力為零。換言之，如果一個元件上遇到一個很大的垂向沖擊力，由于另一個元件處于其撞擊中心，故在這個元件上不會引起反應，反之亦然。這樣前后懸置上的垂向沖擊力不會相互影響，從而可取得良好的隔振效果。按照撞擊中心理論應滿足352將懸置點布置在機體一彎模態(tài)的節(jié)點上對于較大型的高速發(fā)動機而言，懸置點應布置在機體彎曲振動的節(jié)點上。因為機體實際上不是絕對剛體，在高頻力作用下它將出現(xiàn)類似直梁的彎曲振動。如果將懸置點布置在機體彎曲振動的節(jié)點上，既可避免機體的彎曲振動力傳給車架，也可防止道路不平引起的振動。通過車架而激起機體的彎曲振動。因為在節(jié)點上不可能激起梁的振動。通常只需考慮機體的一階彎曲模態(tài)