发动机悬置设计规范及NVH介绍

吕兆平上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心[e-mail]一:发动机悬置系统设计流程一:发动机悬置系统设计流程1.人体对振动的反应:国际标准ISO2631-1：1997（人体承受全身振动评价）规定,根据人的坐姿受振模型,需要考虑以下方面的振动:●座椅支撑面处输入点的三个方向的线振动和角振动.●座椅靠背输入点的三个方向的线振动.●脚支撑面输入点的三个方向的线振动.由于人体对不同频率振动的敏感程度程度不同,同时考虑不同输入点,不同的轴向的振动对人体影响的差异以及各轴向振动的轴加权系数不同,标准认为:座椅支撑面输入点X,Y,Z的三个方向的线振动是12个轴振动中昀敏感的,所以评价振动对人体的影响时,,只考虑这三个方向,其中X,Y向的振动比垂直方向更敏感.标准规定:靠背面输入点的X,Y方向的振动,可以用座椅支撑面输入点的X,Y方向的振动代替.标准规定:座椅支撑面输入点的垂直方向的昀敏感的频率范围为4-12.5赫兹,4-8赫兹范围内,人的内脏器官产生共振,8-12.5赫兹频率范围内的振动对人体的脊椎系统影响很大,水平方向的昀敏感的频率范围为0.5-2赫兹,大约在3赫兹以下,同时水平振动比垂直方向更敏感.政府对车辆通过和驾驶室内躁声水平的规定.二:发动机悬置系统设计基础知识2.发动机悬置系统的功能:●隔离发动机动力总成系统传递到车身和底盘的振动.●隔离不同路面的激励对发动机动力总成的振动.●支撑和固定发动机动力总成.●控制发动机动力总成的扭矩负载和激励力.●在制动,转弯,加速等工况条件下,控制发动机动力总成的移动.●如果将发动机悬置系统和车身看成为一个两自由度的振动体,发动机悬置系统即是一个动力吸振器.二:发动机悬置系统设计基础知识3.发动机悬置系统的设计目标z尽可能多的隔离振动z尽可能多的实现各自由度间的解耦z悬置系统在系统共振频带内应有较大的阻尼值z动力总成在特殊工况下位移值不能超过允许取值二:发动机悬置系统设计基础知识4.发动机的振动分析:●不平衡的回转运动质量所生产的离心力及离心力矩（都为一次）——曲柄●不平衡的往复运动质量所产生的惯性力及惯性力矩（一次、二次）——活塞●不平衡的反作用简谐扭矩（其次数为汽缸数除2及其整数倍。如四缸发动机即为2、4、6等次）●个别汽缸不发火或爆发压力不均匀（其次数为1/2及其整数倍）●因机身（曲轴箱）刚性不足导致内力矩输出（多数为一次机身弯曲振动）●由路面不平坦引起（属于低频随机振动）●由汽车行驶中加速或刹车时的惯性力引起（使发动机产生纵向振动）●振动包括上下,左右,前后的跳动,以及饶三个轴的摇摆.发动机悬置设计主要关注前三项振动源●振动包括上下,左右,前后的跳动,以及饶三个轴的摇摆.5.发动机的激振力分析:二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识FgFiFcFcFnFn’FtFrFc’F’Fg活塞上的气体压力Fi往复惯性力Fk旋转离心力Fk离心惯性力F=Fg+Fi分解为Fn和FcFc分解为Fr和FtFr传递到圆心处,把Ft移到圆心处,又合成为FC’Fc’分解为Fn’和F’F’为往复不平衡惯性力传递到轴承座上,并传递到发动机悬置,Fn和Fn’为倾覆转矩,大小相等,方向相反,这种倾覆转矩传递到发动机悬置.由于发动机工作循环的周期性和曲柄连杆机构运动的周期性,上述各力随曲轴转角呈周期性变化.Fk通过安排曲轴的位置及曲轴动平衡技术将其平衡，在悬置系统设计时不用考虑．FkFrFt二:发动机悬置系统设计基础知识6.发动机的振动频次计算:●点火脉冲在发动机的内部,由于运动惯性力和交变压力引起发动机的部件间的相互振动.f1=N.n/30C式中N——汽缸数；n——曲轴转速，r/min；C——冲程数。●不平衡旋转质量和往复运动质量所引起的激振频率:f2=NQ/60式中Q——比例系数，对于一阶不平衡力Q=1，二阶不平衡力Q=2●传动轴（变速箱挂直接档）不平衡质量引起的激振频率：f3=N/60二:发动机悬置系统设计基础知识7.发动机悬置系统的要求:●低频时，刚度大。悬置需要承受动力总成的重量和来自发动机扭矩的作用力，所以必须具有足够的刚度，同时路面的冲击和发动机启动时的摇摆也会作用到悬置上，这些激励频率低，如果刚度太低，动力总成会产生较大的位移，可能与其它装置互相碰撞，并且影响安装在动力总成上的其他部件。●高频时，刚度低。根据隔振曲线可以看出，在隔振区内，激励频率与系统固有频率的比值越大，隔振效果就越好。即刚度越低越好。●共振区范围内，阻尼大。在共振区域内，大阻尼可以降低振动幅值。●高频时，阻尼小。根据隔振曲线可以看出，阻尼小，传递率的幅值小。隔振效果好。二:发动机悬置系统设计基础知识附：隔振曲线•悬置系统的最高阶固有振动频率应小于发动机工作中的最小激振频率的0.707倍•在隔振区，阻尼越小，隔振效果越好•在共振区，阻尼越大，可以衰减振动二:发动机悬置系统设计基础知识理想的发动机悬置的刚度和阻尼如下:刚度频率阻尼频率二:发动机悬置系统设计基础知识8．发动机悬置系统发展趋势二:发动机悬置系统设计基础知识●橡胶悬置结构简单,价格便宜,使用寿命长,性能稳定.由于橡胶的结构特点,这种橡胶悬置的刚度和阻尼在设计时就决定要么同时大,要么同时小,因为橡胶具有刚度硬化现象,所以随着频率的增高,动刚度逐渐增大.不利于高频的隔振和噪声控制.标准的橡胶隔振元件二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识z常规橡胶悬置动刚度随频率提高，线性升高动刚度与胶料特性有关二:发动机悬置系统设计基础知识动刚度随频率提高，线性升高动刚度与胶料特性有关z常规橡胶悬置振幅大，动刚度小预载大，动刚度大在工程实际中一般是以悬置承受的静态载荷为预载,以及发动机怠速激振频率来进行动刚度测量,并以此值作为输入量进行悬置匹配计算●液压悬置结构复杂,价格贵.惯性通道：液压悬置是由橡胶主簧,上腔室,下腔室,液体和惯性通道(解耦盘,扰流盘等)组成,上下腔室充满了液体,橡胶主簧承载重量,同时构成上腔室壁,当橡胶主簧受压时,橡胶的弹性变形对液体施加压力,将液体挤到下腔室,下腔室的底部是一个橡胶膜片,刚度很低,下腔室就像一个液体容器,两腔体用小孔或惯性通道(解耦盘)隔开,上下腔室中的液体可以自由的通过小孔或惯性通道流通,在小孔或惯性通道中的液体形成了一个运动的质量体,这个质量体取决于小孔或惯性通道的截面积和长度,这个质量的运动会产生一个惯性力,这个力与输入的力的相位相差一个角度,所以输入力就被这个惯性力抵消一部分,从而起到阻尼的作用.带解耦盘：与惯性通道式（无解耦盘式）的基本结构一样，只是在惯性通道中增加了一个解耦盘，解耦盘自由的悬浮在惯性通道中的液体中，当悬置受到低频大振幅的激励时，解耦盘被压到底部，然后不运动，液体通过惯性通道或小孔在上下两个腔体之间流动，这是的工作状况与惯性通道式一样，当悬置受到高频小振幅的激励时，上下腔的液体推动解耦盘在液体中上下运动，很少有液体在上下腔体移动，从而使阻尼和刚度降低，有利于高频的隔振。液压悬置根据结构的不同也分为三种结构:1。惯性通道式.2。惯性通道+解耦盘式.3。惯性通道+解耦盘式+扰流盘式.这三种不同结构的液压悬置的结构和动刚度曲线如下:二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识●半主动和主动悬置橡胶悬置在高频时提供较低的刚度和阻尼，以达到良好的隔振效果，惯性通道式液压悬置在低频时可以提供较高的刚度来支撑动力总成，同时可以提供大的阻尼，有效地抵抗外界的冲力，带解耦盘的液压悬置解决了抗冲和隔振之间的矛盾，但这是在单一输入频率相等的情况下，一旦系统的输入频率很多，带解耦盘的液压悬置也同时抗冲和隔振的效果。所以就引入了半主动和主动悬置，这两种悬置是在液压悬置的基础上加上控制系统形成，同时主动悬置除了有控制系统以外，还有一套额外的能量控制系统来提供一个反向力抵消系统的振动，主动悬置的隔振效果很好，可以适应任何频率范围，但结构复杂，成本高，可靠性低，维修困难，半主动悬置通常只在低频时有效。所以目前主要应用于一些高级和豪华的轿车上。半主动悬置：与一般液压悬置的区别是在液体中悬浮了很多细小的电解颗粒，在两个腔体之间装有电极，当电极通电时，液体的粘性迅速增加，而且电流越大，粘性就越大，低频时，增加电流，刚度和阻尼增加，有利于抗冲击，高频时，不增加电流或电流值较低，刚度低，有利于隔振，但阻尼还是比较大，不利于隔振，但总的来说，比一般的液压悬置的性能好。主动悬置：一般由液压悬置，激振器，传感器组成。液压悬置主要支撑动力总成并具备一定的隔振和抗冲能力，当受到激励时，传感器将信号传递给控制器，控制器通过运算，对激振器发出指令，，外界能源系统给激振器提供能量，，产生一个与激励振动幅值相等但相位相差180度的力，抵消激励力，从而减小振动。二:发动机悬置系统设计基础知识8．发动机悬置的布置悬置在车架上的布置位置需要考虑以下的原则：1。尽可能安装在发动机动力总成振动昀小的位置，即节点，这样传递到悬置上的振动昀小。2。尽可能安装在车身或车架振动传递率昀小的位置，即节点，这个位置对振动的传递昀不敏感，车体上的响应体内可以得到昀小。3。悬置安装的位置尽可能使动力总成的六个模态解耦，解耦后，动力总成悬置系统就相当于六个独立的系统。4。相对于车身-悬架系统来说，作为动力吸振器的动力总成悬置系统必须具有良好的动力吸振效果，一般的说，悬架系统承受垂向作用力的地方就是安装悬置的好位置。这个位置的结构刚度非常高，质量集中，通常也是车身第一弯曲模态的节点。实际上，在整车的悬置系统的布置时，由于受到其他部件安装的影响，同时某一个振动模态的节点位置可能是另一个模态的反节点，对一个隔振器来说，要使得一段与动力总成的模态节点相连接，另一端与车身或车架的模态节点相连接，也是很难实现的。还要考虑安装位置的限制，所以以上仅仅是悬置位置选择的参考。二:发动机悬置系统设计基础知识典型的发动机悬置布置形式如下：●打击中心理论：前后悬置的振动互不影响Ａ＊Ｂ＝Ｊ／Ｍ●ＴＲＡ(发动机横置）M150MCE●三点（发动机纵置，横置）N1/N200/N300/CN100二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识前驱横置动力总成悬置系统常见布局形式前驱横置动力总成悬置系统常见布局形式二:发动机悬置系统设计基础知识•三点支承加扭转支撑杆–优点：悬置布置方便，便于安装–缺点：跳动与发动机扭矩有关，纵摇与跳动相关，悬置载荷变化较大，对副车架的共振和冲击振动敏感二:发动机悬置系统设计基础知识•低扭矩轴系统–优点：悬置布置方便，便于安装，跳动与纵摇及扭矩分离良好–缺点：纵摇模态和发动机转动较难平衡，对副车架共振和冲击•振动敏感二:发动机悬置系统设计基础知识•平衡扭矩轴系统–优点：跳动和纵摇几扭矩解耦性良好–缺点：纵横模态和发动机转动之间调整较难，悬置布置及连接较难二:发动机悬置系统设计基础知识二:发动机悬置系统设计基础知识后驱纵置动力总成悬置系统常见布局形式后驱纵置动力总成悬置系统常见布局形式二:发动机悬置系统设计基础知识对于一个规则的刚体,我们能够很容易得到刚体的重心和转动惯量,但对于一个非常复杂且不规则的刚体,我们却很难得到这些参数,对于发动机,通过计算机的模型虽然我们也可以得到,但由于制造误差和材料的均匀性等其他因素的影响,得到的数据往往有一些差异(根据我们供应商的经验),目前发动机一般有三种测量方法可以得到重心和转动惯量:单线摆,双线摆,三线摆,相对来说三线摆是一种比较简单但误差很小的方法。1.动力总成重心和转动惯量的测量:三:发动机悬置系统设计过程介绍三:发动机悬置系统设计过程介绍三:发动机悬置系统设计过程介绍三:发动机悬置系统