某車型發(fā)動機懸置優(yōu)化設計研究
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摘要：橡膠懸置在設計開發(fā)時不僅需保證其在使用中受到復雜應力達到疲勞耐久性能的要求，還需考慮溫度對懸置使用壽命的影響。某車型年度改款的新發(fā)動機的三元催化器與左側發(fā)動機懸置距離較近，懸置隔振元件使用的就是橡膠材料，三元催化器表面高溫輻射容易導致橡膠老化開裂。本文針對此發(fā)動機懸置結構進行自帶隔熱罩的設計優(yōu)化，并通過道路試驗結果驗證懸置結構設計優(yōu)化的正確性，可以降低懸置橡膠表面溫度，避免懸置橡膠老化開裂的風險，延長發(fā)動機懸置的使用壽命。
關鍵詞：懸置；溫度；隔熱罩；優(yōu)化設計關鍵詞：懸置；溫度；隔熱罩；優(yōu)化設計
引言
發(fā)動機懸置系統作為連接發(fā)動機與整車的彈性部件，作用有以下幾個方面：固定和支撐動力總成；限制位移-發(fā)動機在受到各種干擾力（如制動、加速、承受著動力總成的質量或其它動載荷）作用的情況下，懸置應能有效的限制其最大位移，以避免發(fā)生與相鄰零件的碰撞與干涉，確保發(fā)動機能正常工作；承受動力總成內部因發(fā)動機旋轉和平移質量產生的往復慣性力及力矩；承受汽車行駛過程（加減速、轉彎等工況）中作用于動力總成上的一切動態(tài)力；隔離由動力總成振動向車身的傳遞、衰減由于路面不平以及車輪所受路面沖擊而引起的車身振動向動力總成的傳遞。因此，懸置作為汽車的關鍵連接構件，不僅要提供良好的隔振性能，而且要滿足安全性和耐久性等要求。尤其對于懸置結構中起隔振作用的橡膠減振件，保證懸置的疲勞耐久性能在懸置設計開發(fā)中顯得尤為重要。橡膠懸置在設計開發(fā)時不僅需保證其在使用中受到壓縮、剪切等大變形復雜應力達到疲勞耐久性能要求，溫度對橡膠懸置的影響是顯而易見的，還有必要考慮溫度對于懸置材料的影響。某車型的車身采用承載式車身結構，動力總成前置后驅，設計采用較為成熟的左、右發(fā)動機側及變速器側的三點懸置布置型式，均為橡膠懸置，針對其中新配置的發(fā)動機的三元催化器與左側發(fā)動機懸置距離較近，三元催化器表面高溫輻射容易導致橡膠老化開裂的問題，本文針對此問發(fā)動機懸置結構進行自帶隔熱罩的設計優(yōu)化，并通過道路試驗結果驗證懸置結構設計優(yōu)化的正確性，可以降低懸置橡膠表面溫度，延長發(fā)動機懸置的使用壽命，使問題得到明顯改善。
1懸置受熱輻射情況
一般常識而言，材料溫度越高越容易疲勞受損失效。其中與Ar—rhenius經驗公式得到的結論一致[1]，公式為t1/t2=e（Ea/k（1/T1-1/T2））（1）式中：t1、t2為材料壽命；Ea為材料的活化能；k為波爾茲曼常數；T1、T2為材料的溫度。由公式（1）可以看出材料的溫度越高，其使用壽命越短。而目前懸置常用的材料基本上是天然橡膠。大量的實際使用情況表明，溫度越高，天然橡膠的疲勞壽命越短，在使用過程中更容易出現裂紋，導致提前失效。因此，為了提高懸置的疲勞壽命，確保不會提前失效，需要盡量降低零件溫度。某車型懸置所用橡膠隔振元件根據試驗驗證及相關標準，要求最好能降低到80℃以下。在此車型上與連接發(fā)動機的懸置安裝在發(fā)動機左右兩側，發(fā)動機的三元催化器與左側的發(fā)動機懸置距離較近，三元催化器表面高溫輻射容易導致懸置隔振元件使用的橡膠老化開裂，如圖1所示。
2懸置路試溫度測量
對某車型懸置在極端受熱工況下進行表面溫度測量，按如下試驗要求：環(huán)境溫度>=32℃；滿載；空調制冷開（最大）；上長陡坡山路；司機憑借經驗和實際情況，按正常上坡檔位及車速上到坡頂；怠速2分鐘，熄火發(fā)動機15分鐘；1檔全油門上到坡頂，怠速2分鐘,熄火發(fā)動機15分鐘；全程記錄環(huán)境溫度、時速、溫度等數據，記錄間隔為每30秒記錄一次環(huán)境溫度、三催表面溫度及懸置表面溫度數據。測量結果如圖3所示，在32-35℃的環(huán)境溫度下，懸置極端受熱工況，駕駛員實際情況上坡工況下，膠合件表面溫度都是熄火后達最高之后才下降，最高溫度達到88.7℃；而1檔全油門上坡工況最高溫度達到95.4℃，該溫度已經超過膠合件的最高承受溫度80℃，若在此溫度的長期輻射下，膠合件的老化速度將大大加快。
3懸置結構優(yōu)化
左發(fā)動機側懸置上骨架表面結構優(yōu)化，通過增加一個隔熱罩，減少懸置橡膠表面受三元催化器的輻射熱，降低懸置橡膠表面溫度。圖4左側為懸置及隔熱罩安裝結構，發(fā)動機側懸置2通過連接緊固件連接到前軸焊合件3上；懸置隔熱罩4安裝在發(fā)動機側懸置2上面，實現減少懸置橡膠表面受三元催化器的輻射熱的功能；懸置支架5與隔熱罩表面接觸并通過緊固件與發(fā)動機側懸置2連接。圖4右側為帶隔熱罩的發(fā)動機懸置詳圖，懸置由上骨架3、下骨架1及隔振橡膠塊2、連接螺栓5、定位銷6組成，連接螺栓5與定位銷用于懸置支架安裝，懸置隔熱罩4安裝在上骨架3上，靠近三元催化器側的懸置橡膠2將減少受三催的輻射熱，從而達到降低懸置橡膠2表面溫度的功能。隔熱罩4由三層結構組成，外兩層均為鋁鋼板，中間層為隔熱復合涂層，圖中隔熱罩只在靠近三元催化器側的橡膠表面增加，另一面橡膠表面無隔熱罩，因為距離三元催化器較遠的另一側橡膠表面受三催輻射影響不大無需增加隔熱罩，這樣只增加一邊隔熱罩還可以減低零件質量，減少成本。
4試驗驗證
根據優(yōu)化結果方案實施后，按同樣的懸置極端受熱工況要求（詳見2懸置路試溫度測量）進行試驗，圖5為測量的三元催化器和傳感器布點示意圖。測量結果如圖6所示，在32-35℃的環(huán)境溫度，懸置極端受熱工況下，駕駛員實際情況上坡工況下，膠合件表面溫度都是熄火后達最高之后才下降，最高溫度達到72.7℃；而1檔全油門上坡工況最高溫度達到75.3℃，表面優(yōu)化設計結構后有效降低懸置橡膠表面溫度到耐久溫度80℃以下，避免懸置橡膠受高溫輻射而老化開裂。
5結論
通過懸置結構優(yōu)化設計，再經過實際車輛道路試驗，從測量結果看在正常車輛行駛時和在一檔全油門爬坡的極端工況帶隔熱罩懸置的橡膠表面溫度有效減低，改善明顯。因此，該優(yōu)化方案具有可行性及一定的設計指導意義。
參考文獻：
[1]閆懷義．Arrhenius經驗公式的推導及Ea的本質[J]．紹興文理學院學報，2010（8）．
[2]上官文斌.汽車動力總成橡膠懸置的疲勞壽命實測與預測方法[J]．機械工程學報，2014，12（50）．
[3]李華，陳鴻明.變速器后懸置熱性能研究[J].上海汽車，2018，01.
作者：楊武森 楊玉玲 覃臻 單位：上汽通用五菱汽車股份有限公司