發動機懸置的動剛度與阻尼特性研究?摘 要：文章針對某公司生産的混合動力客車在怠速工況下地闆振動過大的問題，主要進行了以下研究：首先，對試驗車輛所配置橡膠懸置進行動态剛度和遲滞角測試：使用MTS 電液伺服激勵模拟系統，對發動機前、後懸置進行了30-100Hz 頻段内的加載試驗采集位移、力随時間的變化數據，采用幾何作圖方法，繪制了遲滞回線，進而計算得到發動機前、後懸置的動剛度與滞後角，再繪制前、後懸置動剛度與滞後角随頻率變化的曲線然後，基于單自由度系統隔振原理，對該發動機前、後懸置動剛度與滞後角的曲線進行隔振性能分析最後，針對試驗車輛前懸置振動傳遞率較大的問題，通過對模型中各參數對懸置傳遞率的影響進行分析，初步提出了一種懸置優化方法，解決了該車輛地闆振動過大的問題，下面我們就來聊聊關于發動機懸置的動剛度與阻尼特性研究?接下來我們就一起去了解一下吧!

發動機懸置的動剛度與阻尼特性研究

摘 要：文章針對某公司生産的混合動力客車在怠速工況下地闆振動過大的問題，主要進行了以下研究：首先，對試驗車輛所配置橡膠懸置進行動态剛度和遲滞角測試：使用MTS 電液伺服激勵模拟系統，對發動機前、後懸置進行了30-100Hz 頻段内的加載試驗。采集位移、力随時間的變化數據，采用幾何作圖方法，繪制了遲滞回線，進而計算得到發動機前、後懸置的動剛度與滞後角，再繪制前、後懸置動剛度與滞後角随頻率變化的曲線。然後，基于單自由度系統隔振原理，對該發動機前、後懸置動剛度與滞後角的曲線進行隔振性能分析。最後，針對試驗車輛前懸置振動傳遞率較大的問題，通過對模型中各參數對懸置傳遞率的影響進行分析，初步提出了一種懸置優化方法，解決了該車輛地闆振動過大的問題。

關鍵詞：發動機懸置系統；滞後角；動剛度；遲滞回線；單自由度隔振

前言

車輛NVH 性能也因此越來越受到重視，而發動機是汽車的動力源，也是造成整車振動的最主要的原因之一。如果發動機振動得不到良好的控制，便會使得車身和其他零部件産生強烈的振動和噪聲，使乘員感到不适，甚至損壞發動機及其他零件。因此，利用發動機懸置系統控制汽車振動己成為汽車行業的一個重要課題。

本文以某大客車的發動機的前、後橡膠懸置系統為研究對象，通過試驗手段對其動剛度及滞後角特性進行了探究，對其隔振性能進行了分析并提出了改進方案。

1 實驗方案

懸置的動剛度和阻尼特性主要受四種因素的影響：預載荷、動态載荷幅值、激勵頻率以及溫度[1]。

1.1 預載荷的确定

發動機動力總成安裝在懸置上，不工作時，發動機動力總成對懸置作用一個力，稱為預載荷。本論文利用MTS 激振器對懸置施加力，模拟該預載荷。首先簡化了發動機及其懸置系統，如圖1 所示。

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利用理論力學的知識計算得到：F1=1772N，F2=2679N ，所以在試驗時，MTS 電液伺服激振系統對前懸置施加的預載荷為1772N，對後懸置施加的預載荷為 2679N。

1.2 位移幅值

本實驗通過直接測量怠速情況下懸置上下兩端加速度信号再經過兩次積分得到懸置的動态位移幅值。

測量得到的振動信号中不可避免地含有直流分量和高頻噪聲。時域兩次積分方法會産生影響結果的趨勢項，誤差會放大甚至發生畸變。頻域兩次積分法存在低頻敏感的缺點和失真的可能性。因此，參考文獻[2]，利用頻域-時域混合積分的方法，計算得到各轉速下的懸置的動位移幅值。

以650rpm 為例計算得到發動機左後和右後懸置的動位移曲線：後懸置振動位移在0.5mm 位置處，所以确定在30-70Hz 範圍内MTS 激勵系統對前懸置加載加載位移幅值為0.5mm，而在高頻時由于發動機實際的振動幅值變小，所以在 72.5-100Hz 内的加載位移幅值取0.3mm。

同理，對于計算得到前懸置在低頻時的振動位移幅值為1.6mm，所以确定在30-70Hz 範圍内MTS 激勵系統對前懸置加載位移幅值為 1.6mm，而在高頻時由于發動機實際的振動幅值變小，所以在72.5-100Hz 内的加載位移幅值取1mm。

1.3 激勵頻率

對于發動機懸置所受到的激勵來說，主要考慮的是發動機氣缸内點火燃燒、曲軸輸出的脈沖扭矩的激勵頻率。

f= 2ni/60τ （1）

該發動機是六缸四沖程，其中：f 為發動機激勵頻率（Hz），n 為發動機轉速（r/min ），i 為發動機缸數；τ 為沖程數，取4。

發動機怠速轉速為600r/min，于是頻率的起點值為30Hz。之後，按照每50r/min 為間隔，來計算得到一系列頻率值，對這些頻率點進行測量。

1.4 發動機懸置動剛度和阻尼測試方案

1.4.1 前懸置的實驗方案

（1）将前懸置裝到鋼質基座上，進行預緊。

（2）MTS 預熱 5min 後緩慢加載到預載荷1772N，以振幅 1.6mm，頻率 30Hz正弦信号激振 60s，卸載，重複步驟。

（3）将試件緩慢加載到預載荷1772N。在30-72.5HZ 頻率範圍内，以振幅1.6mm，按2.5Hz 等間距的正弦信号分别對懸置激振10s，且每個頻率下試驗進行兩次，采集作用在懸置上的力和位移關于時間的數據。

（4）在72.5-100HZ 頻率段内，以振幅 1mm，按照2.5Hz等間距的正弦信号分别對懸置激振10s，且每個頻率下試驗進行兩次，采集作用在懸置上的力和位移關于時間的數據。以此類推，得到後懸置實驗方案。

2 單自由度主動隔振系統分析

将發動機懸置簡化為彈簧-阻尼系統，如圖2 所示，來讨論單自由度系統隔振原理[1][3]。

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假設發動機激勵為，發動機振動時，傳到車架上的力（稱傳遞力）FT為：

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力的傳遞率為激勵力與傳遞力的比值TA：

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其中為系統的無阻尼固有頻率， 為粘性阻尼比。TA表示了隔振效果的程度大小。值越小表示傳遞到車架上的力越小，隔振效果越好。一般認為其值小于1時，才起到隔振效果。令頻率比為 ，力的傳遞率與頻率比的關系如圖3 所示：

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（1）當激勵頻率很低時，TA=1，懸置基本靜止不動，隔振元件基本不起隔振作用。

（2）不論阻尼比為何值，TA 隻當頻率比λ＞ 時，即TA＞1 時，才有隔振效果，此區間稱為隔振區。在這個區間内，傳遞率随頻率比λ 的加大而減小。但需要注意的是頻率比λ 增大，就意味懸置設計得很軟，剛度小，靜位移較大，意味着系統穩定性也會降低。

（3）當λ＞5 時，TA變化不明顯。實際設計，頻率比λ常取在2.5-4.5 之間。

（4）當λ＜ 時，阻尼比的值增大可減小TA 值，特别在共振區λ=0.8-1.2 時尤為明顯。

（5）當λ＞＞1 的時，阻尼比過大反而會使TA值增大。

單從隔振考慮似乎應盡量減小阻尼。但為了使機器起動和停車通過共振區時不至于産生過大的振幅，以及避免由于外界擾動和沖擊時機器設備生産大幅值的自由振動，仍需要有一定的阻尼以抑制振幅。

（6）當激勵頻率處于系統共振區λ=0.8-1.2 時，傳遞率的大小主要取決于阻尼比。在實際的應用中，阻尼比一般在0. 05-0.2 範圍内選取。這樣有兩個好處：

1）使機器在起動和停車過程經過共振區時的振幅峰值不至于過大；

2）在λ＞ 隔振區内，又不會使隔振性能下降很多，兼顧了兩方面的要求。

3 數據處理與分析

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首先，以後懸置30Hz第一次試驗的遲滞回線（如圖4）為例，計算該工況下後懸置的動剛度和遲滞角。

根據文獻[4][5]中的公式：

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計算得到各頻率下的動剛度、滞後角。

3.1 後懸置的數據處理與分析

圖5 給出了後懸置動剛度和遲滞角随頻率變化的曲線合成圖。

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後懸置在30-45Hz 範圍内，曲線呈線性遞減,動剛度的值也比較大。此時的動剛度有利于衰減發動機怠速時的振動。

30-45Hz 範圍内，曲線呈線性遞增滞後角的值較小。此時的滞後角特性與理想滞後角特性差距較大，不利于迅速衰減振動。

60-100Hz 範圍内動剛度非線性趨勢明顯。大概90-100Hz範圍内，動剛度迅速增加，這是橡膠材料硬化的結果。動剛度過大，不符合理想動剛度特性，所以在高頻時動剛度特性較差。60-100Hz 頻段内滞後角呈遞減趨勢。尤其是在80-100Hz 頻段内滞後角較小，符合理想的遲滞角特性，有利于減小振動的傳遞率。

3.2 前懸置的數據處理與分析

圖6 給出了前懸置動剛度和遲滞角随頻率變化的曲線合成圖。

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前懸置在怠速工況下（600-900rpm），即激勵頻率在30-45Hz範圍内時動剛度曲線逐漸增加，動剛度較小，不利于衰減振動，是怠速工況下地闆振動過大的主要原因。滞後角較大，符合理想的動剛度和遲滞角特性曲線，有利于迅速減小怠速時的振動傳遞率。

發動機處于部分負荷（900-1400rpm）時，即激勵頻率在45-70Hz 範圍内時，發動機前懸置具有很大的動剛度，但是滞後角較小，所以在部分負荷時前懸置的動剛度特性較差，但是滞後角特性比較接近理想滞後角特性。發動機處于加速工況（1400-2000rpm）時，即激勵頻率在70-100Hz 範圍内時，由于頻率過高，所以橡膠材料硬化，導緻發動機前懸置的動剛度急劇上升，而滞後角很小，此時前懸置的滞後角特性與理想的滞後角特性接近，但是動剛度特性較差。

4 結論

基于單自由度系統隔振原理，對該大客車發動機前、後懸置動剛度與滞後角的曲線進行隔振性能分析并提出改進的方案：

（1）前懸置在發動機怠速時，滞後角曲線良好，動剛度曲線較差，阻尼特性良好，有利于隔振。在高轉速時，滞後角較小，隔振性能較好。

（2）後懸置在發動機怠速時滞後角較小，動剛度特性較好；阻尼特性較差，不利于降低振動傳遞率。

（3）該客車怠速工況下地闆振動量過大的主要原因是前懸置動剛度較小和後懸置遲滞角較小，實踐表明：增大前懸置的動剛度和後懸置的遲滞角有效減小了怠速工況下地闆過大的振動。

作者：淩子紅，鄒傑，許增滿

作者單位：（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

來源：汽車實用技術

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