高溫度對(duì)懸置系統(tǒng)性能的影響研究①

金吉?jiǎng)偅?孫 達(dá)

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引言

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)主要功能是將動(dòng)力總成準(zhǔn)確可靠地固定在車輛結(jié)構(gòu)上，除此之外，懸置系統(tǒng)還需要提供如控制動(dòng)力總成位移，隔振減噪等相關(guān)性能[1].隨著增壓發(fā)動(dòng)機(jī)等新技術(shù)的應(yīng)用，車輛的機(jī)艙溫度較高，因此要求懸置系統(tǒng)具有足夠的耐高溫性能.在懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，通常只定義懸置系統(tǒng)在常溫下的動(dòng)靜剛度，對(duì)高溫情況下的性能未做說(shuō)明.本文將通過(guò)對(duì)比懸置系統(tǒng)在常溫和高溫下的動(dòng)靜剛度等性能，討論溫度對(duì)懸置系統(tǒng)性能的影響.

1 文獻(xiàn)回顧

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于天然橡膠與溫度的關(guān)系，多停留在概念性描述.傅政在《橡膠材料性能與設(shè)計(jì)應(yīng)用》中提出，溫度對(duì)橡膠剛度有影響，其具體影響根據(jù)不同的橡膠成分有所不同[2].鄧思文[3]在論文中提到，一般情況下，隨著溫度升高，橡膠強(qiáng)度下降，并可能發(fā)生熱氧降解等化學(xué)變化;汪洋等[4]在其論文中，基于高溫對(duì)橡膠剛度的影響，優(yōu)化了懸置系統(tǒng)并取得了一定的效果.本文將基于以上理論，著重評(píng)估高溫對(duì)懸置動(dòng)靜剛度的具體影響.

2 實(shí)驗(yàn)樣本介紹

本實(shí)驗(yàn)使用的一款在研車型，搭載直列4缸自然吸氣式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，并匹配自動(dòng)變速器.為適應(yīng)中東等海外市場(chǎng)，需要對(duì)該車型進(jìn)行高溫性能驗(yàn)證.試驗(yàn)時(shí)，機(jī)艙內(nèi)的溫度場(chǎng)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相比，有一定變化.在此基礎(chǔ)上，對(duì)懸置系統(tǒng)的相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估高溫對(duì)于懸置系統(tǒng)的影響.

2.1 機(jī)艙溫度場(chǎng)分析

由于機(jī)艙容納了大量的零部件和系統(tǒng)，因此對(duì)機(jī)艙建模并且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙進(jìn)行CAE分析模擬，其分析結(jié)果如下圖1所示.

圖1 機(jī)艙溫度場(chǎng)分析結(jié)果

可以看出，怠速工況下機(jī)艙內(nèi)溫度整體較高，大部分區(qū)域溫度在100℃以上.其中，后懸置和前懸置的環(huán)境溫度較高，接近橡膠的工作極限.爬坡工況下，散熱元件后方溫度高，超過(guò)110℃，對(duì)前懸置和左右懸置的影響很大，其余區(qū)域溫度相對(duì)較低.高速工況下，散熱元件后方的溫度在80～90℃之間，機(jī)艙整體溫度較低，懸置系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)較低.

2.2 懸置系統(tǒng)概況

本車型懸置采用四點(diǎn)TRA式懸置布置.經(jīng)過(guò)初步測(cè)量，在明確動(dòng)力總成質(zhì)量特性參數(shù)后，通過(guò)Adams軟件進(jìn)行建模優(yōu)化，模型如圖2所示:

圖2 Adam模型示意

優(yōu)化后，懸置布點(diǎn)如下圖所示:

圖3 懸置系統(tǒng)布點(diǎn)oyz平面

圖4 懸置系統(tǒng)布點(diǎn)oyz平面

經(jīng)過(guò)計(jì)算后，懸置系統(tǒng)的動(dòng)靜剛度值如下表中所示.

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確認(rèn)

懸置系統(tǒng)零部件測(cè)試和計(jì)算過(guò)程中，動(dòng)、靜剛度的測(cè)試環(huán)境溫度默認(rèn)為室溫 (23.5℃).由于懸置系統(tǒng)的主要性能元件——橡膠主簧對(duì)溫度變化相對(duì)敏感，且機(jī)艙溫度遠(yuǎn)高于常溫.因此，在明確各零部件的工作溫度后，實(shí)測(cè)懸置隔振墊的動(dòng)、靜剛度值，并評(píng)估溫度對(duì)懸置系統(tǒng)的性能的影響.

本實(shí)驗(yàn)將基于機(jī)艙溫度場(chǎng)的CAE分析結(jié)果，選取惡劣工況下的機(jī)艙溫度.其中，前懸置點(diǎn)環(huán)境溫度定義為110℃，后懸置環(huán)境溫度定義為110℃，左、右懸置溫度定義為95℃.

本實(shí)驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置為解耦液壓懸置，其主簧膠料硬度為50°;左懸置為純膠懸置，主簧膠料硬度為55°;前懸置為純膠懸置，主簧膠料硬度為50°;后懸置為純膠懸置，主簧膠料硬度為56°.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選取0～50Hz頻域段進(jìn)行掃頻測(cè)量，掃頻間隔為1Hz;實(shí)驗(yàn)中，選取的振幅為±0.1mm.

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中，主要對(duì)懸置橡膠軟墊的動(dòng)、靜剛度進(jìn)行測(cè)試，所采用的設(shè)備為MTS三相剛度測(cè)試儀，測(cè)量頻域段較寬.其主要結(jié)構(gòu)參見下圖:

圖5 MTS測(cè)試設(shè)備

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)設(shè)定進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測(cè)出懸置橡膠軟墊的動(dòng)剛度如圖6所示.

圖6 前懸置動(dòng)剛度值

圖6中，藍(lán)色曲線為常溫下前懸置動(dòng)剛度的掃頻結(jié)果，在發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率(23Hz)下，其動(dòng)剛度值為80N/mm;紅色曲線為高溫(110℃)下的動(dòng)剛度值，在23Hz時(shí)，其動(dòng)剛度值為70N/mm.

圖7 后懸置動(dòng)剛度值

圖7中，藍(lán)色曲線為常溫下后懸置動(dòng)剛度的掃頻結(jié)果，在發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率(23Hz)下，其動(dòng)剛度值為55N/mm;紅色曲線為高溫(110℃)下動(dòng)剛度值，在相同頻率下，動(dòng)剛度值為50N/mm.

圖8 右懸置動(dòng)剛度值

如上圖8所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率(23Hz)下，高溫(95℃)的動(dòng)剛度值為300N/mm;常溫的動(dòng)剛度值為345N/mm.

圖9 左懸置動(dòng)剛度值

圖10 前懸置靜剛度值

如上圖9所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率(23Hz)下，高溫(95℃)的動(dòng)剛度值為349N/mm;常溫的動(dòng)剛度值為444N/mm.

圖11 后懸置靜剛度值

圖12 右懸置靜剛度值

圖13 左懸置靜剛度值

4.2 靜剛度測(cè)試結(jié)果

可以從圖10～13中看出，溫度變化對(duì)懸置橡膠軟墊的靜剛度無(wú)明顯影響.

5 結(jié)論

在懸置橡膠元件的設(shè)計(jì)中，主要需考慮橡膠的動(dòng)剛度和靜剛度.其中，動(dòng)剛度主要指在一定頻率的振動(dòng)輸入時(shí)，懸置系統(tǒng)的剛度情況.該性能直接影響懸置系統(tǒng)分析的以及怠速隔振性能.通過(guò)以上的對(duì)動(dòng)剛度的實(shí)驗(yàn)分析，溫度對(duì)動(dòng)剛度的影響主要有以下幾方面:

(1)升高環(huán)境溫度可以降低懸置隔振墊的動(dòng)剛度值;

(2)通過(guò)圖6和圖7的結(jié)果比較，相同條件下，動(dòng)剛度值越大的隔振墊，在溫度升高后，動(dòng)剛度值下降越明顯;

(3)通過(guò)圖8中兩條曲線的對(duì)比，可以得出，對(duì)于液壓懸置，高溫(95℃)僅僅會(huì)改變其動(dòng)剛度值的大小，對(duì)懸置本身的液壓特性沒有明顯的影響;

(4)通過(guò)圖9中(基礎(chǔ)動(dòng)剛度值較大)可以看出，隨著頻率的上升，高溫使動(dòng)剛度下降越明顯.

對(duì)于懸置系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，靜剛度在發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，車輛靜止的情況下，反應(yīng)懸置系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力總成的支撐和定位的情況.通過(guò)圖10、圖11、圖12和圖13的結(jié)果比較，溫度對(duì)橡膠靜剛度的影響很小.

通過(guò)以上總結(jié)，可以得出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙溫度較高時(shí)，由于高溫對(duì)懸置動(dòng)剛度有顯著的影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率域設(shè)計(jì)值存在較大偏差，并有可能與某些特有頻率出現(xiàn)耦合導(dǎo)致整車振動(dòng)情況惡化;由于高溫對(duì)懸置的靜剛度值無(wú)明顯影響，因此動(dòng)力總成不會(huì)因?yàn)闄C(jī)艙溫度過(guò)高而發(fā)生錯(cuò)位.

本論文中，關(guān)于動(dòng)剛度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與汪洋等[4]的實(shí)驗(yàn)類似，具有極高的吻合度，其變化趨勢(shì)也滿足鄧思文獻(xiàn)[3]所引用的相關(guān)理論;對(duì)于靜剛度，與鄧思文等人的論文中相關(guān)理論有一定出入，可作為問題點(diǎn)，進(jìn)行進(jìn)一步研究.

基于以上的實(shí)驗(yàn)，在懸置系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，需要考慮在高溫對(duì)動(dòng)剛度的影響，平衡系統(tǒng)的頻率分布，避免出現(xiàn)共振.同時(shí)，可以大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出動(dòng)剛度高溫衰減的經(jīng)驗(yàn)公式，以滿足工程設(shè)計(jì)需求.

[1]GMW14116，Specification for 261 Powertrain Mounts Body －Frame－Integral Subsystem.

[2]傅政.橡膠材料性能與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:203.

[3]鄧思文.超聲振動(dòng)對(duì)橡膠材料溫度特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，2009.

[4]汪洋，等.考慮高溫的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2012.