某車(chē)型發(fā)動(dòng)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(kāi)發(fā)時(shí)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(duì)懸置使用壽命的影響。某車(chē)型年度改款的新發(fā)動(dòng)機(jī)的三元催化器與左側(cè)發(fā)動(dòng)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(kāi)裂。本文針對(duì)此發(fā)動(dòng)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(guò)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(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)作為連接發(fā)動(dòng)機(jī)與整車(chē)的彈性部件，作用有以下幾個(gè)方面：固定和支撐動(dòng)力總成；限制位移-發(fā)動(dòng)機(jī)在受到各種干擾力（如制動(dòng)、加速、承受著動(dòng)力總成的質(zhì)量或其它動(dòng)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(dòng)機(jī)能正常工作；承受動(dòng)力總成內(nèi)部因發(fā)動(dòng)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(chē)行駛過(guò)程（加減速、轉(zhuǎn)彎等工況）中作用于動(dòng)力總成上的一切動(dòng)態(tài)力；隔離由動(dòng)力總成振動(dòng)向車(chē)身的傳遞、衰減由于路面不平以及車(chē)輪所受路面沖擊而引起的車(chē)身振動(dòng)向動(dòng)力總成的傳遞。因此，懸置作為汽車(chē)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(mǎn)足安全性和耐久性等要求。尤其對(duì)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(kāi)發(fā)中顯得尤為重要。橡膠懸置在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)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(duì)橡膠懸置的影響是顯而易見(jiàn)的，還有必要考慮溫度對(duì)于懸置材料的影響。某車(chē)型的車(chē)身采用承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，動(dòng)力總成前置后驅(qū)，設(shè)計(jì)采用較為成熟的左、右發(fā)動(dòng)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(duì)其中新配置的發(fā)動(dòng)機(jī)的三元催化器與左側(cè)發(fā)動(dòng)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(kāi)裂的問(wèn)題，本文針對(duì)此問(wèn)發(fā)動(dòng)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(guò)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(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的使用壽命，使問(wèn)題得到明顯改善。
1懸置受熱輻射情況
一般常識(shí)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(guò)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(huì)提前失效，需要盡量降低零件溫度。某車(chē)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(chē)型上與連接發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)的三元催化器與左側(cè)的發(fā)動(dòng)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(kāi)裂，如圖1所示。
2懸置路試溫度測(cè)量
對(duì)某車(chē)型懸置在極端受熱工況下進(jìn)行表面溫度測(cè)量，按如下試驗(yàn)要求：環(huán)境溫度>=32℃；滿(mǎn)載；空調(diào)制冷開(kāi)（最大）；上長(zhǎng)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(chē)速上到坡頂；怠速2分鐘，熄火發(fā)動(dòng)機(jī)15分鐘；1檔全油門(mén)上到坡頂，怠速2分鐘,熄火發(fā)動(dòng)機(jī)15分鐘；全程記錄環(huán)境溫度、時(shí)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(cè)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(mén)上坡工況最高溫度達(dá)到95.4℃，該溫度已經(jīng)超過(guò)膠合件的最高承受溫度80℃，若在此溫度的長(zhǎng)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(dòng)機(jī)側(cè)懸置上骨架表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)增加一個(gè)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(dòng)機(jī)側(cè)懸置2通過(guò)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(dòng)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(guò)緊固件與發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)懸置2連接。圖4右側(cè)為帶隔熱罩的發(fā)動(dòng)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(xiāo)6組成，連接螺栓5與定位銷(xiāo)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(wú)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(wú)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(jiàn)2懸置路試溫度測(cè)量）進(jìn)行試驗(yàn)，圖5為測(cè)量的三元催化器和傳感器布點(diǎn)示意圖。測(cè)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(mén)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(kāi)裂。
5結(jié)論
通過(guò)懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，再經(jīng)過(guò)實(shí)際車(chē)輛道路試驗(yàn)，從測(cè)量結(jié)果看在正常車(chē)輛行駛時(shí)和在一檔全油門(mén)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(bào)，2010（8）．
[2]上官文斌.汽車(chē)動(dòng)力總成橡膠懸置的疲勞壽命實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)方法[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(chē)，2018，01.
作者：楊武森 楊玉玲 覃臻 單位：上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司