汽車發(fā)動(dòng)機(jī)EECU安裝支架總成的設(shè)計(jì)與開發(fā)

王 會(huì)

WANG Hui

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042）

0 引言

日趨苛刻的排放法規(guī)和能源危機(jī)成為了內(nèi)燃機(jī)行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。柴油機(jī)電控共軌噴射技術(shù)為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更好的排放指標(biāo)、動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能提供了實(shí)現(xiàn)的可能性。發(fā)動(dòng)機(jī)作為運(yùn)輸車輛的動(dòng)力源，其固定支架與車架之間裝有橡膠懸置軟墊，作用主要是減緩車身、車廂的振動(dòng)和保證萬向傳動(dòng)裝置的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，保障乘坐的舒適性，提高汽車的使用壽命。如果這類軟墊失效(破損、斷裂或者脫落) ，則使發(fā)動(dòng)機(jī)與車架呈剛性聯(lián)接，失去減振和緩沖作用，無法吸收車輛行駛中的顛簸，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將發(fā)生振抖，而且在汽車加速和制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)前后竄動(dòng)，容易導(dǎo)致機(jī)件破裂[1]。

柴油共軌噴射系統(tǒng)的控制中心——電控單元（EECU），在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝是一項(xiàng)非常重要的設(shè)計(jì)，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源的汽車動(dòng)力總成的振動(dòng)不僅影響動(dòng)力總成及其附件的使用壽命,而且對(duì)汽車的舒適性(振動(dòng)和噪聲特性) 、安全性和操縱穩(wěn)定性都有不利影響[2]。所以電控單元的設(shè)計(jì)的首要目的是避免發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)電器元件的影響。目前國外及國內(nèi)的很多學(xué)者對(duì)此做了深入的研究，在前人已有的幾種基本理論中得出[3～5]，通過有限元分析計(jì)算EECU的固有頻率使其不與發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率發(fā)生重疊產(chǎn)生共振現(xiàn)象，再通過試驗(yàn)驗(yàn)證振動(dòng)在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，最終確定最合理的設(shè)計(jì)方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（EECU）作為發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算和發(fā)出指令的智能部件，對(duì)其機(jī)械振動(dòng)有嚴(yán)格的要求。設(shè)計(jì)流程為安裝支架外形設(shè)計(jì)-模態(tài)分析計(jì)算-減振件外形設(shè)計(jì)-總成振動(dòng)試驗(yàn)。

1 支架外形的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

以BOSCH公司EECU安裝支架開發(fā)為例，制定了A、B、C三類方案。為減輕整個(gè)裝置的重量，確定成型方式為壓力鑄造。

1）方案A：4個(gè)獨(dú)立的安裝支架。

2）方案B：整體式安裝支架，包括兩種形式。

方案B1，上下豎直連接板。

方案B2，十字形交叉連接板。

3）方案C：上下分開式安裝支架，上側(cè)和下側(cè)支架分別連接成一體。

1.2 電控單元的模態(tài)分析

振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。為防止共振、自激振蕩等事故的發(fā)生需對(duì)電控單元帶支架總成進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析。通過模態(tài)分析可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，預(yù)測該結(jié)構(gòu)在此頻率段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)影響。

由于方案A和方案B1最具代表性，所以先對(duì)這兩種方案進(jìn)行分析。

分析軟件：ALTAIR/HYPERWORK7.1 SP1.0軟件

輸入條件：

支架材料為壓鑄鋁合金

泊松比μ=0.34

彈性模量E=69Gpa

密度ρ=2.6×103Kg/M3

采用PSOLID單元

質(zhì)量2.13kg

網(wǎng)格形式：三維四面體

網(wǎng)格數(shù)量：10萬

前四階模態(tài)振型圖如圖1、2、3、4所示，前四階固有頻率如表1所示。

圖1 第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型圖

圖2 第二階彎曲模態(tài)振型圖

圖3 第三階冷卻油管Z向彎曲模態(tài)振型圖

圖4 第四階Y向彎曲模態(tài)振型圖

分析表明，方案B1的約束模態(tài)第一階固有頻率值較方案A有一個(gè)明顯的下降，降幅達(dá)到12%，而三階固有頻率值幾乎沒有變化，所有振型基本一致。

表1 前四階固有頻率（單位：Hz）

1.3 分析結(jié)論及改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，由于方案B1相對(duì)方案A一階固有頻率值的下降幅度達(dá)到12%，而發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率在400500Hz，固方案B1效果不好；而整體式方案在制造安裝等方面更能提高效率，所以再次對(duì)方案B1、B2和C進(jìn)行比較，主要區(qū)別是將支架中間部分的材料減少。其一階頻率如表2所示。

結(jié)果表明，后三種方案的固有頻率差別很小，如表2所示。

方案B1第一階頻率大幅降低的主要原因在于：

1）方案B1將4個(gè)獨(dú)立的連接板連成一個(gè)整體后，連接發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)質(zhì)量有明顯的增加，導(dǎo)致固有頻率下降；

2）方案B1在連接板與發(fā)動(dòng)機(jī)和ECU的連接區(qū)域，剛度也有下降，導(dǎo)致固有頻率下降。

由此可以看出，方案B1、B2、C均是將各安裝點(diǎn)連接在一起，即便形式有所不同，但固有頻率變化不大，所以微小質(zhì)量的減少并不能有效地提高系統(tǒng)固有頻率。方案B1、B2、C第一階固有頻率如表2所示。

表2 方案B1、B2、C第一階固有頻率（單位：Hz）

2 減振墊塊設(shè)計(jì)

采用減振件套裝，2個(gè)減振墊塊和1個(gè)套筒。減振墊塊和支架通過套筒串聯(lián)，套筒兩端翻邊鉚接固定住墊塊，墊塊膠料部分處于壓緊狀態(tài)。

總成的減振性能主要考慮動(dòng)剛度和阻尼系數(shù)。動(dòng)剛度又稱位移阻抗，是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)；阻尼系數(shù)是表征系統(tǒng)能量減少特性的參數(shù)。懸置軟墊所用材料為天然橡膠[6]，確定膠料為三元乙丙膠，BA607HG/T 2196-91，金屬部分為2A14 GB/T3190-1996，安裝支架總成由支架、減振墊塊、隔套組成。

對(duì)于動(dòng)剛度和阻尼系數(shù)，設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)（檢測值）如圖5、6所示。

圖5 剛度k*（N/mm）隨頻率變化

圖6 阻尼Tan Delta隨頻率變化

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)熱機(jī)，達(dá)到工作溫度。進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速掃描試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由怠速逐漸升至最高轉(zhuǎn)速，記錄ECU上各測點(diǎn)的加速度信號(hào)，掃描時(shí)間為4分鐘。

試驗(yàn)測點(diǎn)布置：EECU上兩個(gè)測點(diǎn)：測點(diǎn)1沿X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)，測點(diǎn)2沿X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)。

測點(diǎn)坐標(biāo)：X向：與地面平行，平行發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線的方向。

Y向：與地面平行，垂直發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線的方向。

Z向：垂直地面。

各測量點(diǎn)加速度測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)（m/s2）如表3、4所示，各測點(diǎn)能量譜幅值如圖7所示，主頻能量譜密度幅(ms-2)2,主頻單位Hz。

圖7 各測點(diǎn)能量譜幅值

3.2 結(jié)果

各測點(diǎn)加速度最大值、最小值和均方根值均是方案1大于方案2，其中1Y、1Z和2Y大的較多，方案2測點(diǎn)1Y加速度均方根值是方案1的四分之一，測點(diǎn)2Y加速度均方根值是方案1的二分之一；方案1的Y向能量譜幅值較方案2大很多，方案1的Z向能量譜幅值比方案2小?？傮w看來，方案2的振動(dòng)大大小于方案1。方案1僅在Y向略高于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而且在BOSCH的試驗(yàn)中也確定方案2可以達(dá)到振動(dòng)要求。

3.3 可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證正規(guī)工藝制造的零部件裝機(jī)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，按照試驗(yàn)要求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，有無發(fā)生失效現(xiàn)象。如沒有則證明零部件設(shè)計(jì)達(dá)到了使用壽命要求。

表3 測試點(diǎn)1的加速度統(tǒng)計(jì)（m/s2）

表4 測試點(diǎn)2的加速度統(tǒng)計(jì)（m/s2）

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元支架總成的開發(fā)包括兩個(gè)部分，支架設(shè)計(jì)和減振件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)制定了三個(gè)方案，通過有限元分析計(jì)算和試驗(yàn)，確定了綜合結(jié)果最好的方案A支架，減振套件的方案滿足要求。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，電控單元在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝，除位置和布置形式外，最重要的是減振設(shè)計(jì)，它是核心部分，其他設(shè)計(jì)都是圍繞這個(gè)主題展開的。設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元分析計(jì)算，由于計(jì)算過程和試驗(yàn)部分沒有確定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以制定了多種方案，但通過計(jì)算和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)支架的設(shè)計(jì)選擇了最優(yōu)化的方案,從而為發(fā)動(dòng)機(jī)支架的設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

[1] 戴永謙,宋希庚,郭榮春,丁鋒. 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊強(qiáng)度分析[J]. 機(jī)械強(qiáng)度,2006,(04),603-606.

[2] 錢振為,徐石安,陳立明. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇與子系統(tǒng)之間的匹配[J]. 汽車工程,1988,10(4).

[3] 范讓林,劉立,呂振華,朱茂桃. 發(fā)動(dòng)機(jī)隔振橡膠元件的有限元分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2009,(02).

[4] 姜莞,史文庫,滕騰,王清國. 基于有限元方法的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置強(qiáng)度改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 汽車技術(shù),2011,(01). 21-24.

[5] 陳志勇,史文庫,王清國,滕騰,董永維. 基于材料試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置有限元分析[J]. 汽車技術(shù),2010中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)優(yōu)秀論文,28-30.

[6] CAYBS-50-95,中國第一汽車集團(tuán)公司工廠標(biāo)準(zhǔn)[J]. 汽車用一般橡膠件.