动力总成悬置刚度测试设备及方法

摘要：为解决当前测试设备技术领域中，发动机悬置刚度测试对环境温度的控制问题，提出一种在特定温度下，测试动力总成悬置零件刚度的试验设备。试验台上方架有与台体精密配合的双层玻璃保温仓，保温仓内设有冷热风风道及出风口，台体下方设有激振器与激振器台架，横跨试验台上放置有纵向操作台，并以有限元法从保温仓密封性及试验台架刚度出发进行有限元分析，分析结果表明，所设计悬置刚度测试台符合实际测试要求。

关键词：刚度试验台；特定温度；悬置刚度；动力总成；

测试设备及方法零件的刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹 性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征[1]。动力总成通过悬置系统固定在车架上，具有支撑和减振的作用，良好的动力总成悬置系统刚度可以有效地减小来自动力总成的振动，提高汽车乘坐的舒适性，并且可以避免动力总成与车身其他部件发生共振，延长汽车的使用寿命[2]。悬置系统这类减振装置若由于疲劳破坏引起性能的失效则会严重影响汽车的行驶平顺性和安全性[3]。而良好的悬置刚度可以有效增强车辆的行驶平顺性与安全性。发动机悬置传递载荷与振幅的大小主要由复合元件的几何形状和所使用弹性体材料的物理性质决定。弹性体特性强烈依赖于负载类型（预载荷、主应力、剪切应力）、振动频率及温度[3]。在测量过程中，确定发动机悬置传递特性最重要的参数是动刚度。动刚度为零件在动态载荷下所具有的刚度值，这可以用符合弹性静态试验VDA675480 标准的合适实验台进行测量和评估。以预定频率的稳态正弦位移信号激励测试样品，并测量相关的反作用力与位移导出迟滞回线，从中可以为每个测试频率确定刚度和阻尼[4]。此种主流的悬置动刚度试验台在考虑了负载类型及振动频率的同时，也忽略了温度对于弹性体特性的影响[5]。在悬置元件的设计后必须按规范要求确保结构有足够的刚度[6]。车辆发动机悬置件作为发动机与车架的连接，悬置件的刚性直接影响着车辆总体的噪声、振动与声振粗糙度性能，因此，对于悬置件刚度的测试方面应该精益求精[7]。同时，悬置零件的刚度测量通常在检测其竖直方向位移时也缺少对其余两个方向位移的监测。因此，目前针对市场上的悬置刚度试验台架无法监控另外两向位移与无法控制温度的这一缺陷，本文提出一种可控制温度的刚度试验台架。

1 实验台设计建模

1.1 实验台整体模型悬置元件的刚度测试实际上是将悬置固定后，使用激振台让其发生形变，再利用拉压传感器测量其具体型变量下所需要的载荷，通过单位位移比单位力即可得出当前型变量下的刚度。根据发动机悬置的刚度测量原理，使用三维建模软件对所设计的试验台进行建模。同时根据悬置原件的静刚度测试原理可知，在悬置零件被固定的基础上施加以稳定的力使得悬置元件发生变形，以所需位移测量当下所施加的力。因此，需要相关测量悬置位移以及压力的传感器。加载力的施加装置试验台体包括激振器底座、激振器、激振器连接台面、横梁。通常在刚度测试中刚度分为静刚度与动刚度，因此，所需设备应满足既可以施加静载荷也可施加动态载荷这一条件。激振器内设加载装置与上方横梁支架两者通过横梁支架底部的底板用螺栓刚性连接。此处为方便展示保温仓内部零件，因此，将保温仓外壳部分用亚克力硬质塑料板做透明材料建模。总体结构建模如图 1 所示。

1.2 保温仓设计建模

目前市面上的发动机动力总成悬置有纯橡胶悬置及液压悬置，由橡胶材料的材料特性可知，温度条件对橡胶材料的刚度具有不可忽略的影响。实验台的梁架会横跨激振台体上方，因此，要以梁架操作台为基础，在两侧保温仓边缘建立与梁架紧密配合的缺口。设有暖风风道与冷风风道以控制保温仓内温度。同时，其材质为双层玻璃，以此提高保温性能。保温仓要与外部隔离，但相关线束仍要与外部相连，因此，保温仓壁面设有线束过孔密封圈及压力调节装置，保温仓 CATIA 结构建模如图 2所示。由于为了方便安装，保温仓设计为左右两个部分，将保温仓缺口与操作台卡住后通过锁扣将两部分保温仓锁紧。保温仓各部分建模如图 2所示。

为保证保温仓的安装方便，设计与操作台 H型钢横截面相同的工字凹槽口配合工作，其与操作台配合的缺口及操作台截面如图 3 所示。

1.3 保温仓温度流场仿真

由于保温仓大体模型并不复杂，因此，可以直接在 ANSYS 中进行建模。对于流场分析而言，本文中的保温仓采用简化模型，构建其保温仓壁与进风口即可，主要研究对象为保温仓内的温度。完成网格划分后将反正条件参数进行设定，由于保温仓体积较小，设定进气速度不宜过大（0.3 m/s）。此处进气口温度设为 40 ℃，输入换算开式温度为 313.15°，设置界面环境温度为 25 ℃，迭代次数为 500，随后提交作业进行仿真。

由图 4 可知，保温仓经过仿真最后可达到基本温度为 313 K，即约 40 ℃，因此，保温仓可以达到保温效果。

2 测试方法及设备要求

2.1 测试方法

为保证双层真空玻璃的密封性，提前测量实验台梁架的尺寸数据，并使得保温仓与实验台梁架贴合，保温层设计包含左右两部分，从侧方卡入试验台梁架后通过锁扣锁死。测试前先将水平操作台与操作台底座间的调整片进行高度调节及操作台找平。横跨试验台上方设有纵向操作台，通过操作台支架与地面连接，操作台两侧装有滑轨，滑块卡具卡于滑轨上方并且通过滑块手柄调节至被测零件位置，拉压传感器下方锁死。测试时，台架槽内的激振台体通过液压抬降装置带动横梁支架下降，调整好被测件与上卡具及拉压传感器的位置后，将上卡具与滑块及下卡具连接，使得横梁支架、拉压传感器、下卡具、滑块与上卡具及操作台成刚性连接。保温仓内部线束通过保温仓线束过口及密封圈与外部电源与设备相连。测量时，保温仓内的线束通过线束密封圈与保温仓外器械电源连接，从而保证密封性。通过热风管口或冷风管口调节保温仓内的温度后，对被测悬置零件进行刚度测试。通过激振器的振动，横梁支架下端面的拉压传感器可测得被测悬置件和横梁支架之间的拉压力。通过横梁支架一侧的位移传感器可测得此时位移变化，从而得到该悬置件的法向刚度。

2.2 设备要求及技术参数

轴向最大试验载荷为 10 kN；电液伺服作动器最大位移为±15 mm；控制方式为力、位移两个闭环控制回路；全数字内部信号发生器为正弦波、方波、三角波、斜波、组合波等。

3 结构模态强度仿真

3.1 梁架模态分析

本文中所设计的试验台上方的操作台横向较长，横梁中间受弯矩较大，因此，需要对台架进行模态分析及强度分析。支架采用 H 型钢，因此，材料属性中材料密度为 7.85 g/cm3，杨氏模量为 210 000 Pa，泊松比为 0.3。创建截面并赋予梁架材料截面属性后进行装配。添加分析步。在 step 模块中设置分析步，类型选择线性摄动-频率。设置最大频率为 500 Hz，设置相互作用，进入 interaction 模块定义梁与架之间的接触。首先创建梁的下表面和两支架的上表面的surface 面集合，然后选择两支架上表面作为主面，横梁下表面为从面，在接触类型中创建 surfacesurface 接触，接触面之间的基本参数如摩擦系数等设置添加默认值。划分网格使用 Hypermesh 进行梁架的网格划分。梁架整体尺寸较大，因此，设置单元长度为20 mm。台架相比于其他零件来说体积较大，且结构相对来说较为简单。与六面体网格相比，四面体网格与等价的六面体网格相比单元要少得多，因此，单元类型选择为四面体网格。在完成网格划分、材料设定、施加载荷后进入 Job 模块。梁架 500 Hz 下的自由模态如图 5 所示。

3.2 梁架强度分析

由图 6 可知，所设计的试验台 H 形钢台在最大载荷下的 Mises 应力为 47.25 MPa，而所使用的H 型钢为 Q235 钢，其屈服强度为 235 MPa，根据Mises 屈服准则可知，极限载荷下的操作台架强度符合设计要求。横梁架中间部分在测量静态刚度时所施加的静态压力较大，因此，需要对其进行最大静态力下的工况仿真。在之前的模态分析基础上，增加分析步，并添加通用静态分析步，初始增量步改为 0.1 s。进入 Load 模块，添加载荷，类型选择pressure。需要注意的是在从栏中需要换算台面压力压强数值。悬置件的静态刚度测试的常规 Z 向最大加载力为 4 500 N 左右，换算接触面积后压强约为0.45 MPa，输入 pressure 栏。再添加与地面相连的两个底面边界条件，限制其 6 方向自由度。设置好载荷与边界条件后提交作业进入后处理查看云图。

进入后处理，Mises 应力云图与位移云图显示如图 7 所示。

通过位移云图可知，所选 H 型钢所受最大型变量为 0.079 5 mm，相对于悬置施加的位移激励几乎可以忽略。综上，说明此时梁架的中间部分挠度并不会影响悬置零件的刚度测试，因此，梁架选材与结构符合实验要求。4 结论本文所设计的悬置刚度试验台在对悬置零件进行刚度测试时，可以通过保温仓的冷暖风道，实现对悬置零件测试时的环境温度控制。在对悬置零件进行竖直方向刚度测试的同时，通过其他两个方向的位移传感器监测其另两个方向的偏移情况。同时使用有限元软件对整体设计中所受压强较大的部分进行模态分析及强度分析，验证了其刚度强度符合实验最大载荷下的刚度强度标准。作者：姜润男 1，岳峰丽 1，王楷焱 1，朱 军 2作者单位：（1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159；2.上汽通用（沈阳）北盛汽车有限公司，辽宁 沈阳 110044）

3.来源：汽 车 实 用 技 术