某車型發(fā)動機(jī)懸置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
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摘要：橡膠懸置在設(shè)計(jì)開發(fā)時不僅需保證其在使用中受到復(fù)雜應(yīng)力達(dá)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(jī)的三元催化器與左側(cè)發(fā)動機(jī)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(dǎo)致橡膠老化開裂。本文針對此發(fā)動機(jī)懸置結(jié)構(gòu)進(jìn)行自帶隔熱罩的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過道路試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)險，延長發(fā)動機(jī)懸置的使用壽命。
關(guān)鍵詞：懸置；溫度；隔熱罩；優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞：懸置；溫度；隔熱罩；優(yōu)化設(shè)計(jì)
引言
發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)作為連接發(fā)動機(jī)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(jī)在受到各種干擾力（如制動、加速、承受著動力總成的質(zhì)量或其它動載荷）作用的情況下，懸置應(yīng)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(jī)能正常工作；承受動力總成內(nèi)部因發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)和平移質(zhì)量產(chǎn)生的往復(fù)慣性力及力矩；承受汽車行駛過程（加減速、轉(zhuǎn)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(guān)鍵連接構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)開發(fā)中顯得尤為重要。橡膠懸置在設(shè)計(jì)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(fù)雜應(yīng)力達(dá)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(jié)構(gòu)，動力總成前置后驅(qū)，設(shè)計(jì)采用較為成熟的左、右發(fā)動機(jī)側(cè)及變速器側(cè)的三點(diǎn)懸置布置型式，均為橡膠懸置，針對其中新配置的發(fā)動機(jī)的三元催化器與左側(cè)發(fā)動機(jī)懸置距離較近，三元催化器表面高溫輻射容易導(dǎo)致橡膠老化開裂的問題，本文針對此問發(fā)動機(jī)懸置結(jié)構(gòu)進(jìn)行自帶隔熱罩的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過道路試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jīng)驗(yàn)公式得到的結(jié)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(shù)；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(shí)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(xiàn)裂紋，導(dǎo)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(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求最好能降低到80℃以下。在此車型上與連接發(fā)動機(jī)的懸置安裝在發(fā)動機(jī)左右兩側(cè)，發(fā)動機(jī)的三元催化器與左側(cè)的發(fā)動機(jī)懸置距離較近，三元催化器表面高溫輻射容易導(dǎo)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(jìn)行表面溫度測量，按如下試驗(yàn)要求：環(huán)境溫度>=32℃；滿載；空調(diào)制冷開（最大）；上長陡坡山路；司機(jī)憑借經(jīng)驗(yàn)和實(shí)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(jī)15分鐘；1檔全油門上到坡頂，怠速2分鐘,熄火發(fā)動機(jī)15分鐘；全程記錄環(huán)境溫度、時速、溫度等數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。測量結(jié)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(shí)際情況上坡工況下，膠合件表面溫度都是熄火后達(dá)最高之后才下降，最高溫度達(dá)到88.7℃；而1檔全油門上坡工況最高溫度達(dá)到95.4℃，該溫度已經(jīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化
左發(fā)動機(jī)側(cè)懸置上骨架表面結(jié)構(gòu)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(cè)為懸置及隔熱罩安裝結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)側(cè)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(jī)側(cè)懸置2上面，實(shí)現(xiàn)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(jī)側(cè)懸置2連接。圖4右側(cè)為帶隔熱罩的發(fā)動機(jī)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(cè)的懸置橡膠2將減少受三催的輻射熱，從而達(dá)到降低懸置橡膠2表面溫度的功能。隔熱罩4由三層結(jié)構(gòu)組成，外兩層均為鋁鋼板，中間層為隔熱復(fù)合涂層，圖中隔熱罩只在靠近三元催化器側(cè)的橡膠表面增加，另一面橡膠表面無隔熱罩，因?yàn)榫嚯x三元催化器較遠(yuǎn)的另一側(cè)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(zhì)量，減少成本。
4試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)優(yōu)化結(jié)果方案實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，圖5為測量的三元催化器和傳感器布點(diǎn)示意圖。測量結(jié)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(shí)際情況上坡工況下，膠合件表面溫度都是熄火后達(dá)最高之后才下降，最高溫度達(dá)到72.7℃；而1檔全油門上坡工況最高溫度達(dá)到75.3℃，表面優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jié)論
通過懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，再經(jīng)過實(shí)際車輛道路試驗(yàn)，從測量結(jié)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(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]閆懷義．Arrhenius經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)及Ea的本質(zhì)[J]．紹興文理學(xué)院學(xué)報，2010（8）．
[2]上官文斌.汽車動力總成橡膠懸置的疲勞壽命實(shí)測與預(yù)測方法[J]．機(jī)械工程學(xué)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