基于CAE技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊設(shè)計(jì)

張彥斌，周宏濤，賀新峰（.湖南中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南株洲4007；.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲4007）

基于CAE技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊設(shè)計(jì)

張彥斌1，周宏濤1，賀新峰2
（1.湖南中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南株洲412007；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置NVH分析的剛度要求，確定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的初始結(jié)構(gòu)并建立三維模型，利用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行靜剛度/強(qiáng)度的仿真分析，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)靜剛度與仿真結(jié)果十分接近，從而探索出了一條利用CAE分析技術(shù)設(shè)計(jì)懸置軟墊的方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)；懸置軟墊；CAE技術(shù)；剛度/強(qiáng)度

發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車振動(dòng)、噪聲來(lái)源之一，其懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)汽車整車的減振降噪至關(guān)重要[1-3]。而懸置軟墊作為發(fā)動(dòng)機(jī)與底盤/車架之間的彈性元件，既要減少發(fā)動(dòng)機(jī)向車架傳遞的振動(dòng)，又要減小路面激勵(lì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的振動(dòng)破壞，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性，并在一定程度上延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)及與其連接附件的使用壽命[4-7]。

傳統(tǒng)懸置軟墊的設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先采用某種配方的橡膠硫化，將硫化完的懸置軟墊進(jìn)行剛度測(cè)試，再根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整配方，再循環(huán)上述過(guò)程，直到懸置軟墊的靜剛度滿足使用要求為止。本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)NVH分析對(duì)懸置軟墊的剛度要求，確定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的初始結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行靜剛度仿真分析。針對(duì)分析后的懸置軟墊進(jìn)行試制并加載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計(jì)十分吻合，從而探索出了利用CAE技術(shù)設(shè)計(jì)橡膠懸置軟墊的方法，降低了試制成本，提高了生產(chǎn)效率[8-10]。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求及仿真模型建立

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的NVH分析結(jié)果，得知懸置的剛度要求和在各種典型工況下的最大受力（具體計(jì)算本文中不敘述，詳見參考文獻(xiàn)[4]），如表1所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定懸置軟墊的原始模型結(jié)構(gòu)，并利用pro/E建立三維模型，具體如圖1所示。

表1 在各種典型工況下的最大狀態(tài)

圖1 懸置的模型

將上述三維模型轉(zhuǎn)化為IGS格式，導(dǎo)入ABAQUS軟件中。為了讓計(jì)算簡(jiǎn)單又不失有效性，對(duì)懸置模型進(jìn)行一些簡(jiǎn)化：

1）剛度/強(qiáng)度分析時(shí)，不考慮加載速度；

2）在不影響關(guān)注部位的應(yīng)力分布及應(yīng)力趨勢(shì)的前提下，對(duì)模型中倒圓角、橡膠薄層省略，進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化；

3）省略金屬部件中與其他部件進(jìn)行連接的連接結(jié)構(gòu)（安裝孔、定位銷等）。

考慮到上支撐座比較復(fù)雜，一般機(jī)加工無(wú)法滿足，故采用鑄件，而下支撐件可以采取拼焊的形式，故上下支撐座的材料分別為QT400-18L和Q235A，其力學(xué)性能如下：彈性模量都為210 000 MPa，泊松比分別為0.28和0.3，屈服應(yīng)力分別為250 MPa和235 MPa，拉伸強(qiáng)度分別為400 MPa和375 MPa。橡膠部分采用sha48°硬度的橡膠。

用ABAQUS軟件中的C3D8R單元模擬懸置中的金屬，C3D8H單元模擬減振橡膠單元，采用六面體單元，將懸置軟墊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為43 710個(gè)，如圖2所示。

圖2 懸置軟墊網(wǎng)格劃分結(jié)果

根據(jù)實(shí)際安裝情況，將有限元模型的邊界條件設(shè)定為：懸置軟墊上面通過(guò)螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架連接，下面通過(guò)螺栓與車架連接支架連接。

2 剛度/強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于懸置來(lái)說(shuō)，既要滿足剛度要求，又需要保證足夠的強(qiáng)度，這樣才能既滿足使用要求，又具有一定的使用壽命，這些都需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 剛度分析

按照表1中的最大受力載荷進(jìn)行加載，計(jì)算懸置各向的剛度如圖3所示。

圖3 力-位移圖

為了不讓動(dòng)力總成有過(guò)大位移，懸置都會(huì)設(shè)計(jì)限位，曲線的拐點(diǎn)就是限位開始起作用的點(diǎn)，本懸置軟墊結(jié)構(gòu)中的螺栓及螺母為限位裝置，而計(jì)算懸置軟墊的剛度時(shí)一般都會(huì)按照拐點(diǎn)之前直線段計(jì)算。從圖3可以得出：X向剛度為529 N/mm（0～2.28 mm）、Y向剛度為123 N/mm（0～2.06 mm）、Z向剛度為481 N/mm（0～5.76 mm）。

以上計(jì)算得到的靜剛度與表1中NVH分析需要的剛度對(duì)比：X、Z方向的剛度偏差在3%以內(nèi)；Y方向偏差較大，達(dá)6.9%，但是X、Z方向是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，故此懸置的靜剛度符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及其懸置軟墊的一般失效來(lái)看，懸置軟墊的失效是從橡膠部分開始的，故本文只對(duì)橡膠部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。在懸置軟墊中加入表1中的載荷，計(jì)算橡膠的應(yīng)力應(yīng)變，仿真計(jì)算部分結(jié)果如圖4所示。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，X、Y、Z向的應(yīng)力分別為0.28 MPa，0.11 MPa，1.14 MPa，而橡膠的粘結(jié)強(qiáng)度為4 MPa，故滿足使用要求；X、Y、Z向的應(yīng)變分別為0.23 mm、0.16 mm、0.86 mm，都小于2 mm，也滿足使用要求。

圖4 懸置軟墊中橡膠的應(yīng)力

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)上述分析設(shè)計(jì)懸置軟墊，進(jìn)行開模試制。將試制完的樣件在CSS-44600電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜剛度測(cè)試，力的加載范圍為0～10 kN，將測(cè)試的結(jié)果導(dǎo)出并繪制成圖表，如圖5所示，取其中直線段0～8 mm，計(jì)算得到靜剛度為500 N/mm，滿足設(shè)計(jì)要求的483（1±15%）N/mm，故本文中應(yīng)用CAE軟件分析懸置軟墊的方法可靠。

圖5 懸置軟墊力-位移曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置NVH分析對(duì)懸置軟墊靜剛度的要求，確定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的初始結(jié)構(gòu)并用Pro/E建立三維模型，用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行靜剛度仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行試制，并將試制完的懸置軟墊在CSS-44600電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了靜剛度的測(cè)試。結(jié)果表明實(shí)測(cè)靜剛度與仿真結(jié)果十分接近，產(chǎn)品的靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求，從而探索出了一條基于CAE分析技術(shù)設(shè)計(jì)懸置軟墊的方法，降低了試制成本，提高了生產(chǎn)效率。

[1]楊良勇，成傳勝，廖抒華.基于ABAQUS的某微型車發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置支架的新設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（7）：87-90.

[2]陸曉黎，胡培龍，上官文斌.CAE技術(shù)在橡膠懸置靜剛度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].橡膠工業(yè)，2011，58（6）：356-358.

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[7]雷龍，張偉.客車懸架與傳動(dòng)系匹配中的NVH問(wèn)題[J].客車技術(shù)與研究，2016，38（2）：49-51.

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[10]馬海軍，趙建才，朱訓(xùn)生.動(dòng)力總成橡膠懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（6）：244-247.

修改稿日期：2017-04-09

Design on Engine Mounting Soft Cushion Based on CAE Technology

Zhang Yanbin1，Zhou Hongtao1,He Xinfeng2
（1.Hunan CRRCTimes Electric Vehicle Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China; 2.Zhuzhou Times New MaterialTechnology Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China)

According to the stiffness requirements of the NVH analysis on the engine mounting,the authors determine the initialstructure ofthe engine mounting and establish its 3D model.Then,they analyze the static stiffness and strength ofthe mounting cushion using ABAQUS software,and carry outthe experiments validation.The results show thatthe static stiffness measurementdata are very close to the simulation data.Thus,a design method ofthe mounting softcushion using CAE is explored out.

engine;mounting softcushion;CAE technology;stiffness/strength

U464

B

1006-3331（2017）04-0037-03

張彥斌（1989-），男，設(shè)計(jì)師；主要從事新能源客車底盤技術(shù)研究工作。