某车型发动机悬置优化设计研究

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摘要：橡胶悬置在设计开发时不仅需保证其在使用中受到复杂应力达到疲劳耐久性能的要求，还需考虑温度对悬置使用寿命的影响。某车型年度改款的新发动机的三元催化器与左侧发动机悬置距离较近，悬置隔振元件使用的就是橡胶材料，三元催化器表面高温辐射容易导致橡胶老化开裂。本文针对此发动机悬置结构进行自带隔热罩的设计优化，并通过道路试验结果验证悬置结构设计优化的正确性，可以降低悬置橡胶表面温度，避免悬置橡胶老化开裂的风险，延长发动机悬置的使用寿命。

关键词：悬置；温度；隔热罩；优化设计关键词：悬置；温度；隔热罩；优化设计

引言

发动机悬置系统作为连接发动机与整车的弹性部件，作用有以下几个方面：固定和支撑动力总成；限制位移-发动机在受到各种干扰力（如制动、加速、承受着动力总成的质量或其它动载荷）作用的情况下，悬置应能有效的限制其最大位移，以避免发生与相邻零件的碰撞与干涉，确保发动机能正常工作；承受动力总成内部因发动机旋转和平移质量产生的往复惯性力及力矩；承受汽车行驶过程（加减速、转弯等工况）中作用于动力总成上的一切动态力；隔离由动力总成振动向车身的传递、衰减由于路面不平以及车轮所受路面冲击而引起的车身振动向动力总成的传递。因此，悬置作为汽车的关键连接构件，不仅要提供良好的隔振性能，而且要满足安全性和耐久性等要求。尤其对于悬置结构中起隔振作用的橡胶减振件，保证悬置的疲劳耐久性能在悬置设计开发中显得尤为重要。橡胶悬置在设计开发时不仅需保证其在使用中受到压缩、剪切等大变形复杂应力达到疲劳耐久性能要求，温度对橡胶悬置的影响是显而易见的，还有必要考虑温度对于悬置材料的影响。某车型的车身采用承载式车身结构，动力总成前置后驱，设计采用较为成熟的左、右发动机侧及变速器侧的三点悬置布置型式，均为橡胶悬置，针对其中新配置的发动机的三元催化器与左侧发动机悬置距离较近，三元催化器表面高温辐射容易导致橡胶老化开裂的问题，本文针对此问发动机悬置结构进行自带隔热罩的设计优化，并通过道路试验结果验证悬置结构设计优化的正确性，可以降低悬置橡胶表面温度，延长发动机悬置的使用寿命，使问题得到明显改善。

1悬置受热辐射情况

一般常识而言，材料温度越高越容易疲劳受损失效。其中与Ar—rhenius经验公式得到的结论一致[1]，公式为t1/t2=e（Ea/k（1/T1-1/T2））（1）式中：t1、t2为材料寿命；Ea为材料的活化能；k为波尔兹曼常数；T1、T2为材料的温度。由公式（1）可以看出材料的温度越高，其使用寿命越短。而目前悬置常用的材料基本上是天然橡胶。大量的实际使用情况表明，温度越高，天然橡胶的疲劳寿命越短，在使用过程中更容易出现裂纹，导致提前失效。因此，为了提高悬置的疲劳寿命，确保不会提前失效，需要尽量降低零件温度。某车型悬置所用橡胶隔振元件根据试验验证及相关标准，要求最好能降低到80℃以下。在此车型上与连接发动机的悬置安装在发动机左右两侧，发动机的三元催化器与左侧的发动机悬置距离较近，三元催化器表面高温辐射容易导致悬置隔振元件使用的橡胶老化开裂，如图1所示。

2悬置路试温度测量

对某车型悬置在极端受热工况下进行表面温度测量，按如下试验要求：环境温度>=32℃；满载；空调制冷开（最大）；上长陡坡山路；司机凭借经验和实际情况，按正常上坡档位及车速上到坡顶；怠速2分钟，熄火发动机15分钟；1档全油门上到坡顶，怠速2分钟,熄火发动机15分钟；全程记录环境温度、时速、温度等数据，记录间隔为每30秒记录一次环境温度、三催表面温度及悬置表面温度数据。测量结果如图3所示，在32-35℃的环境温度下，悬置极端受热工况，驾驶员实际情况上坡工况下，胶合件表面温度都是熄火后达最高之后才下降，最高温度达到88.7℃；而1档全油门上坡工况最高温度达到95.4℃，该温度已经超过胶合件的最高承受温度80℃，若在此温度的长期辐射下，胶合件的老化速度将大大加快。

3悬置结构优化

左发动机侧悬置上骨架表面结构优化，通过增加一个隔热罩，减少悬置橡胶表面受三元催化器的辐射热，降低悬置橡胶表面温度。图4左侧为悬置及隔热罩安装结构，发动机侧悬置2通过连接紧固件连接到前轴焊合件3上；悬置隔热罩4安装在发动机侧悬置2上面，实现减少悬置橡胶表面受三元催化器的辐射热的功能；悬置支架5与隔热罩表面接触并通过紧固件与发动机侧悬置2连接。图4右侧为带隔热罩的发动机悬置详图，悬置由上骨架3、下骨架1及隔振橡胶块2、连接螺栓5、定位销6组成，连接螺栓5与定位销用于悬置支架安装，悬置隔热罩4安装在上骨架3上，靠近三元催化器侧的悬置橡胶2将减少受三催的辐射热，从而达到降低悬置橡胶2表面温度的功能。隔热罩4由三层结构组成，外两层均为铝钢板，中间层为隔热复合涂层，图中隔热罩只在靠近三元催化器侧的橡胶表面增加，另一面橡胶表面无隔热罩，因为距离三元催化器较远的另一侧橡胶表面受三催辐射影响不大无需增加隔热罩，这样只增加一边隔热罩还可以减低零件质量，减少成本。

4试验验证

根据优化结果方案实施后，按同样的悬置极端受热工况要求（详见2悬置路试温度测量）进行试验，图5为测量的三元催化器和传感器布点示意图。测量结果如图6所示，在32-35℃的环境温度，悬置极端受热工况下，驾驶员实际情况上坡工况下，胶合件表面温度都是熄火后达最高之后才下降，最高温度达到72.7℃；而1档全油门上坡工况最高温度达到75.3℃，表面优化设计结构后有效降低悬置橡胶表面温度到耐久温度80℃以下，避免悬置橡胶受高温辐射而老化开裂。

5结论

通过悬置结构优化设计，再经过实际车辆道路试验，从测量结果看在正常车辆行驶时和在一档全油门爬坡的极端工况带隔热罩悬置的橡胶表面温度有效减低，改善明显。因此，该优化方案具有可行性及一定的设计指导意义。

参考文献：

[1]闫怀义．Arrhenius经验公式的推导及Ea的本质[J]．绍兴文理学院学报，2010（8）．

[2]上官文斌.汽车动力总成橡胶悬置的疲劳寿命实测与预测方法[J]．机械工程学报，2014，12（50）．

[3]李华，陈鸿明.变速器后悬置热性能研究[J].上海汽车，2018，01.

作者：杨武森 杨玉玲 覃臻 单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司