发动机悬置系统设计资料
汽车动力总成悬置系统优化设计PPT课件
旋转惯性力
Pr m1r 2
其水平和垂直的两个分量：
PjⅡ m2r2 cos 2 二级往复惯性力；
注：二级以上往复惯性力很小，已略去。
Prx m1r2 cost Pry m1r 2 sint
二、汽车动力总成悬置系统激振源
2. 发动机的干涉力和力距
c. 惯性力系的平衡 发动机平衡的含义：
惯性力系平衡； 转矩的均匀性。
三、汽车动力总成在车架上的振动
1. 发动机的自由振动
2)系统模型
如图3－1所示。
3)、自由振动方程
整机振动可分解为随同它的质心c点沿 X 、Y 、Z
的三个平动，和绕质心的转动。在微振动条件下，其角
位移可用绕 X 、Y 、Z 轴的转角 、 、 表示。当刚
体作六自由度自由振动时，有如下的表达式：
Mxc Fx
对因汽车摆动造成的车架扭转具有良好的运动顺从性。 阻抗和隔绝动载荷
有效地抑制在汽车行驶中，因道路凹凸不平而引起的激振影响 支承动、静载荷
在所有工况下，承受所有动、静载荷，并使动力总成在所有方 向上的位移处于可接受的范围内，不与底盘上的其他零部件发 生干涉。 保证发动机机体与飞轮壳的连接面弯矩不超过允许值。 保证合理的使用寿命
二、汽车动力总成悬置系统激振源
4. 激振频率分析
经分析可知：
a. 由不平衡量引起的激振力是离心力，它与转速成正比，只有在高转速时其作用 才显著。
b. 均匀点火脉冲的激励作用只有在低速时才明显。由上可知，发动机作为激振源 的激振频率范围为：
c. 地面激振频率范围：
1.5～2.5
可作为悬置设计时依据。
式中：Q －比例常数，一阶不平衡力Q＝1，二阶不平衡力Q＝2 c. 传动轴（变速器挂直接档）不平衡质量引起的激振频率：
动力总成悬置系统设计案例
3. 在发动机高频、小振幅激励下，悬置应具有小刚度，以隔离
发动机的激励向车身或副车架传递，减少车内噪声。
2、动力总成参数
3、确定性优化模型
悬置优化后，发动机悬置Z向隔振量增大且稳定。
（5）悬置性能优化前后系统隔振性能对比
升降速工况悬置隔振量（优化前）
升降速工况悬置隔振量（优化后）
悬置优化后，发动机悬置Z向隔振量增大且稳定。
（5）悬置性能优化前后系统隔振性能对比
升降速工况悬置隔振量（优化前）
升降速工况悬置隔振量（优化后）
悬置优化后，变速箱悬置Z向隔振量增大且稳定。
优化效果验证
左悬 置
后悬置
总结：
案例四、动力总成悬置系统稳健优化
1、动力总成悬置系统模型
汽车动力总成悬置系统
六自由度分析模型
பைடு நூலகம்
动力总成悬置系统的设计要求：
1. 每个悬置在其3个弹性主轴方向的线刚度应满足动力总成固 有频率和解耦率的要求；3个方向上的力—位移非线性特性 ，应能有效控制在汽车的各种行驶工况下（典型工况和极限 工况）动力总成的运动位移。
5、优化前（优化变量：刚度、位置、方位）
6、优化后
优化结果的分析：
确定优化和稳健优化结果的蒙特卡罗分析：
蒙特卡罗分析时，假设悬置最优刚度服从正态分布，变异系 数为0.03（相当于最优刚度有±9%的波动范围）。
确定优化结果的蒙特卡罗分析
稳健优化结果的蒙特卡罗分析
通过比较可知，6西格玛优化得到的解耦率变异系数小于确 定性优化，并且变化区间也比确定性优化结果窄，表明6西
商用车悬置系统设计基础培训资料
商用车悬置系统设计基础培训资料一、商用车悬置系统概述商用车悬置系统是连接动力总成（发动机、变速器等）与车架的重要部件，其主要作用是支撑动力总成、减少振动传递、控制噪声以及承受动力总成在运行过程中产生的各种力和力矩。
一个良好设计的悬置系统能够显著提高商用车的乘坐舒适性、可靠性和耐久性。
二、悬置系统的组成部分商用车悬置系统通常由悬置软垫、支架、连接件等组成。
悬置软垫是悬置系统中最为关键的部件之一，它一般由橡胶或其他弹性材料制成，具有良好的减振性能。
不同类型的软垫在刚度、阻尼等特性上有所差异，以适应不同的车辆工况和性能要求。
支架则起到固定和支撑悬置软垫的作用，其结构强度和刚度需要经过精心设计，以确保在承受动力总成的重量和各种力的作用下不变形或损坏。
连接件用于将悬置系统与动力总成和车架相连接，其质量和可靠性直接影响悬置系统的性能。
三、悬置系统的设计要求在设计商用车悬置系统时，需要考虑多个方面的要求。
首先是隔振性能。
要有效地隔离动力总成产生的振动，使传递到车架和车身的振动减小到最低程度，从而提高乘坐舒适性。
其次是支撑性能。
悬置系统需要能够可靠地支撑动力总成的重量，并承受发动机工作时产生的各种力和力矩，确保动力总成在车辆运行过程中的位置稳定。
此外，还需要考虑悬置系统的耐久性。
在长期使用过程中，要能够经受住各种恶劣工况的考验，不易出现损坏或失效的情况。
四、悬置系统的布置形式常见的商用车悬置系统布置形式有三点式、四点式和五点式等。
三点式悬置系统结构相对简单，成本较低，但在隔振性能和支撑稳定性方面可能相对较弱。
四点式悬置系统在稳定性和隔振性能上有一定的提升，适用于大多数商用车。
五点式悬置系统则在复杂工况下具有更好的性能表现，但结构较为复杂，成本也相对较高。
在选择悬置系统的布置形式时，需要综合考虑车辆的类型、用途、动力总成的特点以及成本等因素。
五、悬置软垫的特性分析悬置软垫的刚度和阻尼特性对悬置系统的性能有着至关重要的影响。
汽车发动机悬置系统的设计指南
1 发动机悬置系统的设计指南1.1 悬置系统的设计意义及目标简介现代汽车发动机无一不是采用弹性支承安装的，这在汽车行业称之为“悬置”，在力学及振动工程中则是个隔振问题。
如果不用中间弹性元件而直接将发动机刚性地固紧在汽车车架（底盘）上，则当汽车在不平坦的路面上行驶时将导致机身由于车架的变形、冲击而损坏；而当汽车在平坦光滑的路面上行使时来自发动机的振动将导致车架、车身产生令人厌恶的结构噪声。
此外弹性悬置还能补偿在发动机安装及运动过程中由车架变形导致的相对位置的不精确。
由此可知，悬置系统的设计目标值：1) 能在所有工况下承受动、静载荷，并使发动机总成在所有方向上的位移处于可接受的范围内，不与底盘上的其它零部件发生干涉；2) 能充分地隔离由发动机产生的振动向车架及驾驶室的传递，降低振动噪声；3) 能充分地隔离由于地面不平产生的通过悬置而传向发动机的振动，降低振动噪声；4) 保证发动机机体与飞轮壳的连接弯矩不超过发动机厂家的允许值。
1.2 悬置系统的布置方式选择每个隔振器（悬置系统）不论其结构形状如何都可以看作由三个相互垂直的弹簧组成，按照这三个弹簧的刚度轴线和参考坐标轴线间的相对位置关系，悬置系统弹性支承的布置可以有常见的三种不同方式：1) 平置式。
这是常用的、传统的布置方式，其特征是布局简单、安装容易。
在这种布置方式中，每个弹性支承的三个相互垂直的刚度轴各自对应地平行于所选取的参考坐标轴。
2) 斜置式。
这是一种目前汽车发动机中用得最多的布置方式。
在这种布置方式中，每个弹性支承的三个相互垂直的刚度轴相对于参考坐标轴的布置是：除一个轴平行于参考坐标外，其他两个轴分别与参考坐标轴有一夹角。
一般斜置式的弹性支承都是成对地对称布置于垂向纵剖面的两侧，但每对之间的夹角可以不同，坐标位置也可任意。
这种布置方式的最大优点是：它既有较强的横向刚度，又有足够的横摇柔度，因此特别适用于象汽车发动机这样既要求有较大的横向稳定性，又要求有较低的横摇固有频率以隔离由不均匀扭矩引起的横摇振动。
发动机悬置系统设计理论基础
发动机悬置系统常用材料
高强度钢
用于制造承受较大载荷的悬置支架和 连接件，具有较高的强度和刚度。
铝合金
复合材料
如玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤 维增强塑料（CFRP），具有轻质、高 强度和耐腐蚀等优点，适用于需要减 轻重量的部件。
质量轻，散热性好，常用于制造需要 轻量化的部件，如悬置支架和连接件 。
引入仿真分析
利用仿真分析工具对悬置系统进行优 化设计，提高设计效率。
强化试验验证
通过试验验证设计的有效性，确保实 际应用中的性能表现。
持续改进与创新
关注行业动态，不断改进和创新发动 机悬置系统设计技术，提高整车性能 。
感谢您的观看
THANKS
材料创新
新型高阻尼材料和复合材料的出现将为发动机悬 置系统的发展提供更多可能性，提高减振效果和 耐久性。
模块化设计
为了便于维护和更换，发动机悬置系统将趋向于 采用模块化设计，降低生产成本和维修成本。
05
发动机悬置系统设计中的 问题与解决方案
发动机悬置系统设计中的常见问题
振动传递
发动机产生的振动通过悬置系 统传递至车架，影响整车舒适
发动机悬置系统设计理论基 础
目 录
• 发动机悬置系统概述 • 发动机悬置系统设计理论 • 发动机悬置系统材料与制造工艺 • 发动机悬置系统设计实例分析 • 发动机悬置系统设计中的问题与解决方案
01
发动机悬置系统概述
发动机悬置系统的定义
发动机悬置系统是汽车动力总成的重 要组成部分，主要负责将发动机固定 在车架上，并隔离发动机的振动和噪 音，以保证车辆的舒适性和稳定性。
它由多个橡胶悬置组成，每个悬置具 有不同的刚度和阻尼特性，以适应不 同的振动频率和幅度。
悬置系统设计及悬置部件专业资料
悬置系统发动机本身是一个内在的振动源，同时也受到来自外部的各种振动干扰。
引起零部件的损坏和乘坐的不舒适等。
所以设置悬置系统，把发动机传递到支承系统的振动减小到最低限度。
成功地控制振动，主要取决于悬置系统的结构型式、几何位置及悬置软垫的结构、刚度和阻尼等特性。
确定—个合理的悬置系统是一件相当复杂的工作，它要满足—系列静态及动态的性能要求，同时又受到各种条件的约束，这些大大增加了设计的难度。
一般来讲对发动机悬置系统有如下要求。
①能在所有工况下承受动、静载荷，并使发功机总成在所有方向上的位移处于可接受的范围内，不与底盘上的其他零部件发生干涉。
同时在发动机大修前，不出现零部件损坏。
②能充分地隔离由发动机产生的振动向车架及驾驶室的传递，降低振动噪声。
③能充分地隔离由于路面不平产生的通过悬置而传向发动机的振动，降低振动噪声。
④保证发动机机体与飞轮壳的连接面弯矩不超过发动机厂家的允许值。
悬置系统的激振源作用于发动机悬置系统的激振源主要如下：①发动机起动及熄火停转时的摇动；②怠速运转时的抖动；③发动机高速运转时的振动；④路面冲击所引起的车体振动；⑤大转矩时的摇动；⑥汽车起步或变速时转矩变化所引起的冲击；⑦过大错位所引起的干涉和破损。
作用在发动机悬置上的振动频率十分广泛。
按着振动频率可以把振动分为高频振动和低频振动。
频率低于30Hz的低频振动源如下：①发动机低速运转时的转矩波动；②在发动机低速运转时由于惯性力及其力偶使动力总成产生的振功；③轮胎旋转时由于轮胎动平衡不好使车身产生的振动；④路面不平使车身产生的振动；⑤由于传动系的联轴器工作不佳产生附加力偶和推力，使动力装置产生的振动。
频率高于30Hz的高频振动源如下：①在发动机高速运转时，由于惯性力及其力偶使动力总成产生的振动；②变速时产生的振动；③燃烧压力脉动使机体产生的振动；④发动机配气机构产生的振动；⑤曲轴的弯曲振动和扭振；⑥动力总成的弯曲振动和扭振；⑦传动轴不平衡产生的振动。
发动机悬置设计
动力总成悬置系统的设计是很复杂的。
一般来说对于悬置系统是一个6自由度的系统，要求对动力总成在各个方向上解耦。
但是也要控制一定的位移。
悬置是将发动机的震动（扭矩变化，发动机离心惯性力，往复惯性力等）尽量隔离，将路面对发动机的激励和急加速急减速以及急转弯造成的发动机的位移与震动尽量降低。
一般说来，动力总成悬置的正向设计是复杂的，要对动力总成的质心，转动惯量，主惯性轴等参数获得，通过一定的计算对发动机悬置的布置点进行布置，当然要考虑到发动机舱的实际情况。
将悬置在3个方向的弹性轴与动力总成三个方向的主惯性轴重合就能使动力总成在6个方向上解耦（似乎是这样的）。
对于发动机舱而言，要控制动力总成相对发动机舱的距离，有文献说要控制在20mm以上，建议在25mm 以上，在各个方向上的绕轴旋转控制在6度，推荐3～4度，在三个方向的位移控制在正负15mm以内。
对悬置的位置，和个数(3个以上)确定之后才是设计悬置单个件，橡胶悬置的静刚度曲线一般是3刚度曲线，需要在一定的方向上有限位，限位处为静刚度曲线的拐点。
动刚度曲线在低频大幅震动刚度基本是随着频率增大而增大，高频时容易出现动态硬化的现象，即刚度值理论上非常大。
液压悬置在动刚度曲线的走向上比较而言好控制，因为他的工作原理不同，有点像单筒式液压减震器，通过液体（乙二醇）在惯性通道或者节流管道的阻尼力减少振动，将振动的能量转化成内能。
液压悬置的静刚度曲线与橡胶悬置没什么区别，也就是说漏液的液压悬置与好的液压悬置静刚度曲线相同。
动刚度曲线就截然不同，一般说来，在最大阻尼角附近，动刚度曲线突然升高，在一定频率之后，动刚度曲线呈下降趋势，不会出现橡胶悬置随频率增大而增大，出现动态硬化。
悬置设计主要是考虑高频低幅振动和低频大幅振动的工况。
减少发动机高频的噪声和低频的振动，同时使发动机不会出现过大的位移，造成发动机舱内零件干涉以致于破坏零件，使零件失效。
建议在设计时进行ADMAS分析。
发动机悬置系统设计理论基础
7-9Hz
60%
＞1Hz
Fore/Aft 7-9Hz
80%
＞1Hz
Pitch
10.5-11.5Hz 90%
＞1Hz
Roll
＜13Hz
60%
＞1Hz
Yaw
＜13Hz
60%
＞1Hz
For Idle Condition
• 所有模态频率必须高于6Hz，以减少与车身刚体模态的耦合 • 所有模态频率必须低于21Hz，以减少与车身、转向柱及动力传动系统等模态的耦合 • Bounce与Pitch的模态频率的解耦率要着重关注 • Pitch与Fore/Aft 的模态频率至少隔开2Hz，Pitch与Bounce的模态频率至少隔开2Hz，
1) 在低频路面激励下，车辆的左右两个车轮 轨迹输入具有较高的相关性，即认为左右轮输 入基本一致。
2) 在高频路面激励下，车辆所受的激励实际 上大多只涉及到车轮跳动，对车身运动影响甚 微，这样车身左右两边的相对运动就可忽略。
这样，就将七自由度模型简化成一个线性的 四自由度半车模型。
再用一个动力学等效系统来代替上面的半车模型， 在动力学等效处理中，车辆系统的三个等效质量必 须满足以下三个力学条件，即：
1. 基本概念 发动机悬置系统的模型 能量解耦理论 悬置的布置理论
4. 悬置的布置理论
• 弹性中心定理
az (L 1) tan ay L tan2 1
• 打击中心定理
使A、B 两点互为撞击中心
1 2 J y / m
式中,Jy为绕通过质心的Y轴的转动惯量， m为刚体质量，α1、α2为A 、B 两 点到质心(C. G点) 的水平距离
某一车型动力总成刚体模态频率与解耦(pp=0.2mm)
发动机悬置设计介绍-中文译文
固有频率的决定 弹性模数的决定
振动传递率→固有频率 固有频率→动弹性模数
悬置(INSURATOR)的决定
材料、形状的选定 目标规格设定
表达机械防振时， 设机械的加振力为F0（机械的强制振幅为a0）， 传到基础的力为F（机械的振幅为a）。 其传递的比例叫做传递率，由（1）式表示。
频率比和防振效果
振动传递率由机械的强制振动频率和防振支承时的固有频率之 比决定。
计算实例
动力总成载荷 发动机转速 200kg(支承载荷100kg) 700rpm(12Hz)
固有频率(f) 根据振动传递率10～15%的振动传递率曲线 N/f=3
f=N/3=700/3=233.3(rpm)=4Hz
动弹性模数(Ｋ) kd=(2πf)2xｍ/ 1000 =(2xπx4)2x100/1000 =59.7 (N/mm) 静弹性模数(Ｋ) ks=kd/α =42.6 (N/mm) α=1.4
Butadiene Rubber 苯 丁 橡 胶 ) 胶)
・ BR (Polybutadiene Rubber 聚 丁 二 烯 橡
・IR (Isoprene Rubber异戊二烯橡胶)
（２）特别要求耐油性加硫橡胶・NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber丙烯 氰聚丁橡胶) （３）特别要求耐候性加硫橡胶 ・CR (Chloroprene Rubber) ・PDM
中间连接板
倾斜配置
3-2.发动机悬置支架设计必要条件
(ａ)振动必要条件 目标：ｆｎ＞５００Ｈｚ； 通常因发动机振动产生噪声的频率为２００～ ４００Ｈｚ，设计时让支架在此频率之间不产 生共振。 (ｂ)強度必要条件 ①在坏路行驶时由路面输入的上下载荷； ②由起步、停止和加减速引起的驱动反力。 发动机和变速器悬置 ＦＦ車 上:10G，下:20G 前、后滚动阻尼器 加速0.6G 减速0.3G
悬置系统设计基本要素
动力总成是汽车的重要振源之一，它对乘坐舒适性有重要影响。
合理选择动力总成悬置系统，可明显降低动力总成和车身的振动，减少动力总成经悬置传递给车架的力以及由此激发的车身钣金件和底盘相关零部件的振动噪声，因而可明显提高汽车的耐久性和乘坐舒适性。
降低动力总车和车架之间的振动传递主要有两项措施:第一是改进现有动力总成悬置的结构，使之产生最佳隔振特性，例如采用液压悬置等；第二是改进悬置系统的配置方案。
改进现有动力总成悬置的结构，要受到生产工艺、成本、可靠性和安装条件的制约，实施的难度较大。
而改进悬置系统的配置方案，则可以在现有一悬置的基础上，通过优化分析，正确选择各悬置的位置参数和性能参数，合理匹配动力总成悬置徐彤的各项固有频率，最大限度地发挥已有选址的潜能，该措施是达到最优减振目的的捷径。
动力总成悬置系统设计是指:在已经确定动力总成基本参数及有关整车基本参数的前提下，正确设计发动机悬置的刚度和阻力系数，悬置的数量及相对动力总成质心的坐标位置和布置型式，各悬置的具体结构形式，合理设置动力总成各阶模态参数，最大限度的减少由发动机引起的振动向车体的传递，提高悬置系统的工作可靠性，改善整车舒适性。
1.动力总成悬置系统的基本设计要求发动机本身是一个内在的振源，同时受到来自外部的各种干扰，引起零部件的损坏和乘坐不舒适性。
一个良好的悬置系统一档能充分减小由于发动机引起的振动噪声，延长零件的使用寿命。
悬置系统设计的好坏，主要取决于悬置系统的结构型式、几何位置以及选址的结构、刚度、阻尼等特性。
确定一个合理的悬置系统是一项相当复杂的工作，它需要满足一系列静态特性和动态特性要求，同时又受到各种条件的约束。
1.1静特性要求动力总成悬置的静特性要求即基本要求是：固定并支承动力总成；支承动力总成的内部作用力（例如发动机的往复惯性力、输出扭矩等）和尾部作用力（汽车其他部分对动力总成的作用力）；最大限度地双向隔离动力总成与车体之间的振动；保证汽车生产和装配过程中工艺要求。
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8
隔振分析计算
激振源频率成份分析 发动机的干扰力和力矩 1) 惯性力引起的干扰力 2 旋转质量 pr =m1rωe 2 往复质量 pj =m1rωe (cosωet +λ cos2ωet) λ =r/l 总体合成：对直立四缸机有 pj II 六、八缸机有 pj=0
9
隔振分析计算
- 发动机自身的振动
- 来自路面或轮胎不平衡输入激励
支承重量 承受各种负荷，如汽车加速、制动、转弯时的惯性力， 发动机反扭矩 容纳发动机一定运动 注意使用环境――高温、高寒、油污等 注意动力总成的静变矩 有足够的使用寿命
4
支承布置方案
三点式――V形布置前两点后一点呈对称用于轻型FR车 FF车三点无规律
[M]{d2q/dt2} + [K]{q} = 0
[ M]－质量阵
[K]－刚度阵 {q}－广义坐标列向量
11
隔振分析计算
振动模型简化理论基础
振动系统的动能可以写成广义速度的函数，其二 次型表达式为： T=1/2{dq/dt}T[M]{dq/dt} 其势能可以写成广义坐标函数，其二次型表达式
为：
U=1/2{q}T[K]{q} 这样，就可得到6自由度振动微分方程式
14
橡胶支承元件结构设计计算
弹性元件结构型式
压缩型 剪切型 复合型
橡胶元件刚度计算
k = G•F•D G－橡胶的静态剪切模量 F－和橡胶件形状有关的系 数 D－尺寸因素 G = G50•H/(100-H) H为肖氏硬度
15
橡胶支承元件结构设计计算
橡胶元件刚度计算
16
橡胶支承元件结构设计计算
元件的材料和许用应力
大多用天然胶，特殊情况用合成胶 元件损坏在于疲劳，平均应变对疲劳寿命影响很大， 拉伸工作对元件寿命很不利
许用应力 压缩 剪切
100～150N/cm2 10～20N/cm2
许用应变
15～20％ 20～30％
17
总结
悬置系统设计步骤
18
液体阻尼悬置介绍
悬置系统理想特性要求 液阻元件结构介绍
培训
发动机悬置系统设计
发动机悬置系统设计
1
介绍
概说 设计考虑 支承布置方案 隔振分析计算 橡胶支承元件结构设计计算 总结――悬置系统设计步骤 液体阻尼悬置介绍
2
概说
悬置系统的历史发展和作用 设计的重要性
悬置设计的含意
3
设计考虑
要从隔振、防震的角度来考虑振源来自两个 方面
19
12
隔振分析计算
发动机子系统与 整车匹配
1)隔振与解耦
数学上理解 运动学上的理解 在一定条件，解耦 对于隔振只是一种用起 来方便的措施 用计算机寻优的方法 可以解决
13
隔振分析计算
发动机子系统与整车匹配
2)系统的匹配 考虑发动机激励，绕θx的固有频率要比发动机怠 速激励频率低至少为1/√2至1/2 考虑路面，要注意避开车架一弯、一扭和车桥的频 率 系统要解耦
2) 工作过程不均衡引起的干扰力矩 Me呈周期化的变化 周期函数可展开成富里哀级数
Me=Mo + ΣMrsin(rωt+φr) [ω=2π/T] 对单缸机而言: 多缸机而言，直立、四冲程发动机 f=n•i/120 Hz n － 发动机转速 i － 缸数
10
隔振分析计算
振动模型简化理论基础
发动机振动模型是以刚体弹性支承理论作为基础，认为发动机 是一空间自由刚体，通过3～4个具有三维弹性的元件支承在刚性的、 质量为无限的机架上，它具有6个自由度运动（图示），它已被汽车工 程界广为接受，且有较好的效果。 为了计算方便，现导出其矩阵形式的振动微分方程式 无阻尼自由振动运动微分方程式，一般具有如下形式
5
支承布置方案
四点式――V形布置前两点后两点，用于较重的发动机
6
支承布置方案
支点位置初选
弯曲析计算
单自由度振动系统隔振原理
强迫振动微分方程
响应振幅 A：
m(d2x/dt2) + c(dx/dt) +kx =F0ejωt
A= F0∕[k((1-λ2) +4ζ 2λ2)1/2] λ=ω∕p ζ = c ∕2mp p=(k∕m)1/2