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摘 要：发动机悬置系统是汽车NVH性能重要的组成零部件，悬置系统的隔振性能通过悬置传递力的大小可以更好地进行评价，因此悬置传递力的获取，成为了能否实现该评价方法的重要环节。本文对悬置测力传感器的布置位置进行了分析，通过有限元软件建立了悬置元件的有限元模型，对比分析了悬置螺栓应变与悬置激励的关系，验证了在该位置布置传感器的有效性。
关键词：发动机悬置 隔振 悬置力 有限元分析
中图分类号：U464.13 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0080-03
Simulation Analysis of Transmission Force of Engine Mounting System Based on Finite Element Method
Wang Kaiyan1 Wang Lingxi1 Ren Xiaoxue2
（1.Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 110159 China;2. Liaoning Provincial College of Communications， Shenyang， Liaoning Province， 110122 china）
Abstract： Engine mount system is an important component of automobile NVH performance. The vibration isolation performance of engine mount system can be evaluated by the size of mount force. Therefore， the acquisition of mount force is an important part of the evaluation method. In this paper， the layout of the mounting force sensor is analyzed， and the finite element model of the mounting element is established. The effectiveness of the method is verified by analyzing the relationship between the strain of the mounting bolt and the excitation.
Key words： Engine mount system;Vibration isolation;Mounting force;Finite element analysis
隨着汽车行业的高速发展，无论是客户还是汽车企业对整车的性能要求不断提高，汽车NVH（Noise， vibration and Harshness）性能作为汽车高品质的代表，自然受到了更多的关注。发动机即是传统汽车的主要动力源，也是汽车的主要振动噪声源，因此如何有效地对发动机振动噪声进行控制会直接影响到整车NVH性能的好坏[1]。目前，发动机振动噪声性能的控制，主要通过发动机悬置系统隔振来实现，即发动机悬置系统隔振性能的优劣，决定了整车的NVH性能[2]。
对于发动机悬置系统隔振性能的优劣评价，普遍采用的是通过悬置加速度的方法，即测试悬前和悬后的振动加速度，然后用振动加速度的比值进行振动的衡量，这种方法的好处是方便易行，缺点是某些工况下会受到较强烈的干扰，尤其对于新能源汽车[3]。另外一种方法则是通过悬置传递力的大小来衡量悬置系统隔振性能，该方法的优点是测试结果受外界干扰小，评价指标稳定，但是缺点是测试比较困难[4]。本文探索了一种基于电阻应变片方法的发动机悬置力测试方法研究，为悬置传递力的测试提供了一个新的途径。
1 测试方法分析
本文所涉及的样车的发动机悬置系统采用四点式布置，右悬置布置在动力总成的发动机侧，左悬置布置在变速器侧，前悬置布置在变速器前端，后悬置布置在变速器后端，如图1所示。左、右两悬置主要承受发动机的垂直载荷及垂向振动，而前后两悬置主要起到抑制动力总成的俯仰及水平运动的作用。
当动力总成工作时，发动机以及变速器产生的惯性力、惯性力矩、倾覆力及力矩等均通过悬置支架（动力总成侧）—悬置元件主体—悬置支架（车身/副车架侧）这一路径传递到车身或副车架，因此测量动力总成传递给车身或副车架的力，必须考虑在该传递路径中选取合适部位布置传感器。由于悬置支架与发动机或车身的连接点一般有多个，难以在此位置布置传感器，因此选择将传感器布置在悬置元件上，这样可以避免测试结果的差异，以提高测试结果的准确性。
样车采用的悬置元件为橡胶件，悬置元件结构主要包括悬置支架、胶体、胶芯钢套及螺栓组成。在悬置元件的主要结构之中，悬置胶体部分由于变形量较大而且不规则，不适合布置传感器。悬置支架由于体积较大，同时与发动机及车身连接点较多，不容易测得准确的传递力大小。悬置中心的螺栓是悬置力传递的必经途径，而且体积较小，结构单一，容易获取较为准确的悬置力大小，因此，选择在连接螺栓上布置测力传感器，如应变片或压力传感器，测试悬置力的大小。
2 悬置元件有限元分析
为了能够验证在螺栓上布置传感器方案的有效性，本文在ANSYS中建立了悬置元件的有限元模型，通过在悬置支架施加载荷的方式，模拟悬置元件受力过程，验证方案的有效性。 2.1 网格划分
首先将悬置元件三维模型导入，进行前期处理。通过几何清理、网格划分、网格检查等主要步骤[5]，将支架、胶体、螺栓、胶芯钢套等主要部件进行网格划分。之后将网格文件导入ANSYS中，如图2所示。悬置有限元模型中共有38156个单元。
2.2 材料设置
模型中悬置支架、螺栓、胶芯缸套等材料均为钢制材料。除螺栓采用45号钢材料外（材料参数见表1），其余部分材料为结构钢材料（材料参数见表2）。
悬置元件的胶体部分主要为橡胶材料，橡胶材料具有超弹性非线性材料，在软件中提供了以下几种本构特性拟合方法，包括：Neo-Hooke模型、Ogden模型和Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型等。本文根据橡胶元件结构特点，采用Mooney-Rivlin模型对橡胶材料本构特性进行拟合，具体参数值见表3。
2.3 边界接触定义
根据悬置元件的工作原理，需要对悬置元件总成中相互接触的零部件进行边界接触的设置，包括：悬置元件主胶体和限位块，螺栓和悬置支架交界部分、胶体与悬置支架及钢套。
悬置主胶体和限位块仅在极限情况下才会接触，属于间歇性接触，在接触过程中不发生相互侵入，因此通过接触中设置的Rough方式定义。螺栓和悬置主要靠螺栓的预紧力将螺栓、垫片、悬置支架固定为一体。在悬置工作过程中，各部件间保持相对位置不变，因此通过Bonded将以上几个部分进行约束。悬置的胶体与悬置支架钢套之间通过硫化过程成为一个整体，边界部分没有相对位移，因此对于胶体与悬置支架和钢套之间也采用Bonded进行约束。
2.4 施加载荷
根据发动机悬置元件的工作特性，在模型过程中对悬置施加位移激励，能够在保证模型收敛性的前提下，更有效模的对悬置受力变形进行模拟。在模型中位移载荷施加位置定义在发动机侧悬置支架上，方向沿胶体主簧垂直方向（Z向）。位移激励采用正弦波的形式，频率与发动机怠速时2阶激励振动频率相同[6]。由于基础车怠速转速为800转/min，根据发动机激励频率计算公式：
式中，n—发动机转速;i—发动机气缸数;τ—冲程数，四缸机为2;v—发动机振动阶次。
基础车发动机为四冲程四缸机，主要激励频率为2阶次，因此计算得到发动机怠速时主激励频率为26.7Hz。
2.5 悬置元件仿真分析
对模型进行仿真分析，如图4、图5图所示，悬置螺栓中部应变曲线。加载曲线和应变曲线变化规律一致，均为正弦波，说明悬置螺栓应变与悬置位移变化存在较为固定的比例关系，证明可以通过测量螺栓中部应变方法分析悬置系统位移。橡胶悬置元件刚度在撞击限位块前基本呈线性状态，因此可以通过测量悬置应变分析悬置系统受力。
3 结论
（1）通過分析确定了动力总成悬置系统测力时，传感器布置位置为悬置螺栓中部为较为合适的位置。
（2）通过有限元软件，建立的动力总成悬置元件模型，在模型支架上添加位移激励，获得了悬置螺栓中部的位移响应。结果表明，悬置螺栓的应变大小和悬置激励成正比例关系，因此可以采用在悬置螺栓中部布置应变片的方法获取悬置传递力。
参考文献
[1] 苏新.基于传递路径分析的汽车加速行驶噪声研究[D].长春：吉林大学，2020.
[2] 曾发林，胡枫.基于声品质贡献因子的发动机悬置优化[J].汽车工程，2020，42（5）：628-635，643.
[3] 高东阳.考虑幅频特性的悬置特性分析及悬置系统隔振研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.
[4] 杨建国，邓小强，胡浩炬，等.基于惯性力的动力总成悬置载荷谱解算方法研究[J].农业装备与车辆工程，2020，58（6）：70-75.
[5] 张彦斌，周宏涛，贺新峰.基于CAE技术的发动机悬置软垫设计[J].客车技术与研究，2017，39（4）：37-39.
[6] 王田修，王晨光，杨洁丹，等.汽车发动机悬置安装点最佳位置的优化研究[J].振动与冲击，2019，38（10）：215-220.
关键词：发动机悬置 隔振 悬置力 有限元分析
中图分类号：U464.13 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0080-03
Simulation Analysis of Transmission Force of Engine Mounting System Based on Finite Element Method
Wang Kaiyan1 Wang Lingxi1 Ren Xiaoxue2
（1.Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 110159 China;2. Liaoning Provincial College of Communications， Shenyang， Liaoning Province， 110122 china）
Abstract： Engine mount system is an important component of automobile NVH performance. The vibration isolation performance of engine mount system can be evaluated by the size of mount force. Therefore， the acquisition of mount force is an important part of the evaluation method. In this paper， the layout of the mounting force sensor is analyzed， and the finite element model of the mounting element is established. The effectiveness of the method is verified by analyzing the relationship between the strain of the mounting bolt and the excitation.
Key words： Engine mount system;Vibration isolation;Mounting force;Finite element analysis
隨着汽车行业的高速发展，无论是客户还是汽车企业对整车的性能要求不断提高，汽车NVH（Noise， vibration and Harshness）性能作为汽车高品质的代表，自然受到了更多的关注。发动机即是传统汽车的主要动力源，也是汽车的主要振动噪声源，因此如何有效地对发动机振动噪声进行控制会直接影响到整车NVH性能的好坏[1]。目前，发动机振动噪声性能的控制，主要通过发动机悬置系统隔振来实现，即发动机悬置系统隔振性能的优劣，决定了整车的NVH性能[2]。
对于发动机悬置系统隔振性能的优劣评价，普遍采用的是通过悬置加速度的方法，即测试悬前和悬后的振动加速度，然后用振动加速度的比值进行振动的衡量，这种方法的好处是方便易行，缺点是某些工况下会受到较强烈的干扰，尤其对于新能源汽车[3]。另外一种方法则是通过悬置传递力的大小来衡量悬置系统隔振性能，该方法的优点是测试结果受外界干扰小，评价指标稳定，但是缺点是测试比较困难[4]。本文探索了一种基于电阻应变片方法的发动机悬置力测试方法研究，为悬置传递力的测试提供了一个新的途径。
1 测试方法分析
本文所涉及的样车的发动机悬置系统采用四点式布置，右悬置布置在动力总成的发动机侧，左悬置布置在变速器侧，前悬置布置在变速器前端，后悬置布置在变速器后端，如图1所示。左、右两悬置主要承受发动机的垂直载荷及垂向振动，而前后两悬置主要起到抑制动力总成的俯仰及水平运动的作用。
当动力总成工作时，发动机以及变速器产生的惯性力、惯性力矩、倾覆力及力矩等均通过悬置支架（动力总成侧）—悬置元件主体—悬置支架（车身/副车架侧）这一路径传递到车身或副车架，因此测量动力总成传递给车身或副车架的力，必须考虑在该传递路径中选取合适部位布置传感器。由于悬置支架与发动机或车身的连接点一般有多个，难以在此位置布置传感器，因此选择将传感器布置在悬置元件上，这样可以避免测试结果的差异，以提高测试结果的准确性。
样车采用的悬置元件为橡胶件，悬置元件结构主要包括悬置支架、胶体、胶芯钢套及螺栓组成。在悬置元件的主要结构之中，悬置胶体部分由于变形量较大而且不规则，不适合布置传感器。悬置支架由于体积较大，同时与发动机及车身连接点较多，不容易测得准确的传递力大小。悬置中心的螺栓是悬置力传递的必经途径，而且体积较小，结构单一，容易获取较为准确的悬置力大小，因此，选择在连接螺栓上布置测力传感器，如应变片或压力传感器，测试悬置力的大小。
2 悬置元件有限元分析
为了能够验证在螺栓上布置传感器方案的有效性，本文在ANSYS中建立了悬置元件的有限元模型，通过在悬置支架施加载荷的方式，模拟悬置元件受力过程，验证方案的有效性。 2.1 网格划分
首先将悬置元件三维模型导入，进行前期处理。通过几何清理、网格划分、网格检查等主要步骤[5]，将支架、胶体、螺栓、胶芯钢套等主要部件进行网格划分。之后将网格文件导入ANSYS中，如图2所示。悬置有限元模型中共有38156个单元。
2.2 材料设置
模型中悬置支架、螺栓、胶芯缸套等材料均为钢制材料。除螺栓采用45号钢材料外（材料参数见表1），其余部分材料为结构钢材料（材料参数见表2）。
悬置元件的胶体部分主要为橡胶材料，橡胶材料具有超弹性非线性材料，在软件中提供了以下几种本构特性拟合方法，包括：Neo-Hooke模型、Ogden模型和Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型等。本文根据橡胶元件结构特点，采用Mooney-Rivlin模型对橡胶材料本构特性进行拟合，具体参数值见表3。
2.3 边界接触定义
根据悬置元件的工作原理，需要对悬置元件总成中相互接触的零部件进行边界接触的设置，包括：悬置元件主胶体和限位块，螺栓和悬置支架交界部分、胶体与悬置支架及钢套。
悬置主胶体和限位块仅在极限情况下才会接触，属于间歇性接触，在接触过程中不发生相互侵入，因此通过接触中设置的Rough方式定义。螺栓和悬置主要靠螺栓的预紧力将螺栓、垫片、悬置支架固定为一体。在悬置工作过程中，各部件间保持相对位置不变，因此通过Bonded将以上几个部分进行约束。悬置的胶体与悬置支架钢套之间通过硫化过程成为一个整体，边界部分没有相对位移，因此对于胶体与悬置支架和钢套之间也采用Bonded进行约束。
2.4 施加载荷
根据发动机悬置元件的工作特性，在模型过程中对悬置施加位移激励，能够在保证模型收敛性的前提下，更有效模的对悬置受力变形进行模拟。在模型中位移载荷施加位置定义在发动机侧悬置支架上，方向沿胶体主簧垂直方向（Z向）。位移激励采用正弦波的形式，频率与发动机怠速时2阶激励振动频率相同[6]。由于基础车怠速转速为800转/min，根据发动机激励频率计算公式：
式中，n—发动机转速;i—发动机气缸数;τ—冲程数，四缸机为2;v—发动机振动阶次。
基础车发动机为四冲程四缸机，主要激励频率为2阶次，因此计算得到发动机怠速时主激励频率为26.7Hz。
2.5 悬置元件仿真分析
对模型进行仿真分析，如图4、图5图所示，悬置螺栓中部应变曲线。加载曲线和应变曲线变化规律一致，均为正弦波，说明悬置螺栓应变与悬置位移变化存在较为固定的比例关系，证明可以通过测量螺栓中部应变方法分析悬置系统位移。橡胶悬置元件刚度在撞击限位块前基本呈线性状态，因此可以通过测量悬置应变分析悬置系统受力。
3 结论
（1）通過分析确定了动力总成悬置系统测力时，传感器布置位置为悬置螺栓中部为较为合适的位置。
（2）通过有限元软件，建立的动力总成悬置元件模型，在模型支架上添加位移激励，获得了悬置螺栓中部的位移响应。结果表明，悬置螺栓的应变大小和悬置激励成正比例关系，因此可以采用在悬置螺栓中部布置应变片的方法获取悬置传递力。
参考文献
[1] 苏新.基于传递路径分析的汽车加速行驶噪声研究[D].长春：吉林大学，2020.
[2] 曾发林，胡枫.基于声品质贡献因子的发动机悬置优化[J].汽车工程，2020，42（5）：628-635，643.
[3] 高东阳.考虑幅频特性的悬置特性分析及悬置系统隔振研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.
[4] 杨建国，邓小强，胡浩炬，等.基于惯性力的动力总成悬置载荷谱解算方法研究[J].农业装备与车辆工程，2020，58（6）：70-75.
[5] 张彦斌，周宏涛，贺新峰.基于CAE技术的发动机悬置软垫设计[J].客车技术与研究，2017，39（4）：37-39.
[6] 王田修，王晨光，杨洁丹，等.汽车发动机悬置安装点最佳位置的优化研究[J].振动与冲击，2019，38（10）：215-220.