发动机悬置动静刚度试验分析

郏 超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

发动机悬置是汽车上连接发动机和车身的比较重要的零部件，其动静刚度性能好坏直接影响对发动机振动的衰减，乃至整车驾驶的舒适性，甚至发动机的使用寿命。悬置系统设计解耦过程中，每个悬置元件都被赋予了不同的动静刚度参数，这些参数的合理性对实现其在整车上的功能有着很大的影响，同时又要满足其他部分的性能要求，比如悬置元件的耐久性、抗老化、拉伸强度等性能。因此，发动机悬置动静刚度参数试验测试非常重要，日益受到重视与关注。

1 发动机悬置动静刚度参数

1.1 悬置静刚度

悬置静刚度（K）指力和位移曲线中力的变化量与位移变化量的比值，其计算公式为：

式中，F1、F2为加载力，S1、S2为在加载力的作用下的变形量。

1.2 悬置动刚度

悬置动刚度是在一定的预载荷、一定加载频率以及一定动态振幅下进行测量的，在幅值上等于动态力的峰一峰值与动态位移的峰一峰值之比，或者是扭矩的峰一峰值与角度的峰一峰值之比，其计算公式为：

式中，Aload为动态力或动态力矩的峰一峰值，Adisp为动态位移或动态转角的峰一峰值。

经过相当多的试验测试、数据统计分析可知，悬置元件的动刚度一般都比静刚度要大，动刚度与静刚度比值一般在1.2—2.5倍之间。

2 静刚度试验及分析方法

2.1 静刚度试验前提条件要求

1）试验在零件完成一周后进行，样件不能有橡胶点、毛刺等；

2）试验温度根据设计图纸要求，图纸无要求则设定为23℃±5℃；

3）试验夹具的安装尽量与实际装车状态相一致。

2.2 静刚度试验

1）试验时参数的设定应按照悬置元件设计图纸上的要求进行，静刚度值误差范围≤20%；

2）预加载荷速度0.2mm/s，试验加载速度0.15mm/s（或者无限缓慢）；

3）试验温度：23±5℃；

4）试验设备：MTS弹性体性能试验机；

5）设备准备：仪器设备通电，打开静刚度试验软件，先调到低压油源，使之预热到正常工作温度，再将油源压力调到高压；

6）试验安装：用合适的夹具将悬置试验样件固定在试验测试设备上；

图1 动静刚度测试试验样件安装示例

7）调整好设备供油压力；

8）根据加载范围，以预加载荷0.2mm/s的速度对试验样件进行预加载，然后以0.15mm/s的加载速度（实际测试时可根据样件的硬度来适当调节加载速度）进行加载。根据悬置元件在实车上的实际受力情况，压缩和拉伸的方向都要加载，采集数据。

每个悬置元件静刚度的试验测试一般包括两个阶段，预加载阶段和加载测试阶段。预加载测试阶段用于对悬置进行预加载荷的循环，加载测试阶段用于静刚度数据的采集与计算。如下图流程：

9）试验次数大于等于3次；

10）分别测试悬置X、Y、Z三个方向；

11)静刚度的取值：一般根据悬置元件在实车上的受力情况，设计选取测试曲线中比较线性段的部分上选取一段，端点坐标（S1，F2），（S2，F2），则试验样件的静刚度由（1）可计算得出。

图2 测试流程图

2.3 静刚度试验分析

1）弦线法

弦分析法定义试验件测试点两点间的刚度

图3 弦线法示例

2）切线法

切线分析法定义试验件某一点的刚度

图4 切线法示例

3）差值法

根据定义的力或位移的分析点发生的位移或力的变化，分析参数可选择力或位移。

图5 差值法示例

3 动刚度试验及分析方法

3.1 动刚度试验前提条件

1）同2.1静刚度试验前提条件要求；

2）试验所用夹具在保持足够的硬度下尽量轻，避免对动刚度产生影响。

3.2 动刚度试验

1）试验时参数的设定应按照悬置元件设计图纸上的要求进行，动刚度值误差范围≤20%或动静比小于设计值；

2）试验温度：23±5℃；

3）试验设备：MTS弹性体性能试验机；

4）试验安装：选用合适的夹具将悬置试验样件固定在试验测试设备上；

5）试验样件安装示例同静刚度试验；

6）根据预加载值，以预加载荷0.2mm/s的速度对试验样件进行预加载，保持样件自然状态 60s，然后准备进行动刚度的测量。

7）设定频率和振幅：设定好动态测试程序，设置激振频率、振幅、预载荷等参数（一般按照设计要求进行设置相应参数）；

动态测试程序是一个很大程度上自包含式的程序，可以创建一个仅包含一个动态特性描述程序的试验步骤，该程序流程包括：

图6 动态测试程序图

8）动刚度测试值：动刚度的测试结果随加载频率的变化而变化的动刚度。

表1 动刚度试验测试数据

3.3 动刚度试验分析

3.3.1 悬置元件动刚度影响因素

悬置元件的动刚度主要受三个方面条件的影响：动态载荷的频率、预载荷、动态载荷的振幅。

1）频率与动刚度的对应关系

对于目前使用较多的传统的橡胶悬置来说，动刚度随着加载频率的增加也增加。可以看出，预载荷、动态振幅一定下，动刚度随频率增高而变大。

图6 动刚度与频率和动态幅值的变化关系

2）动态幅值与动刚度的对应关系

经过大量试验测试、分析，从图6能够得出，在载荷、动态载荷频率相同下，动态振幅越大，动刚度变的越小；反之，动刚度变的越大。振幅小引起的动刚度变化大；反之，引起的变化小。

3）预载荷不同下的动刚度

根据发动机的重量，各个悬置元件都应设计选取所承受的载荷，该载荷作为动刚度的测量时的预载荷，以此测试该条件下的动刚度等参数。不同预载荷，悬置动刚度测得的结果也会不同，试验测试分析得出，同等条件下预载荷大，动刚度大。

图7 动刚度与预载荷的变化关系

3.3.2 橡胶悬置与液压悬置动刚度

从扫频刚度曲线中可看出，橡胶悬置随着频率的增加而变大，出现高频硬化后，刚度变的很大。液压悬置在低频、大振幅激励情况时，液压悬置内的液体在上下室内做往复运动，能够产生大阻尼效应，消耗振动能量；在高频、小振幅的激励情况时，液压悬置内的液体随着解耦膜一起高速振动，从而降低高频时激励时压悬置的动刚度，能够避免动态硬化，达到减振的目的。

图8 振幅±0.05mm，扫频动刚度曲线

4 结束语

通过对发动机悬置动静刚度试验方法的确定以及分析，了解到悬置动静刚度等参数的影响因素，对设计、选用合理的发动机悬置参数有一定的意义。