康明斯直列6缸柴油机悬置系统匹配设计
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康明斯直列6缸柴油机悬置系统匹配设计
张 松 军
【摘要】 发动机悬置系统性 能的好坏是影响车辆乘坐舒适 性的重要因素。柴油机工作时气缸内产生 的点燃力是引起
柴油机振 动的主要振源 ，正是由于此 力引起柴油机的侧倾 ，故在进行柴油机悬置系统 匹配设计时主要考虑点燃力 。衡量悬
置系统性 能好坏 的主要参数是 “传递率 卢”。只有当 <1时 ．悬置系统才能削减来 自于发动机的振动 ，起到隔振作用 。本文
较为详细地 阐述 了柴油机悬置系统 的工作原理 、匹配 设计方法 及设计 原则 。
随着 整 个社 会 汽车工 业 的发 展 ，人 们对 汽 车 的乘
坐舒适性 的要求越来越高。这不仅是对轿车 ，对重型车
也一样 除了车辆本身的技术性能以外 ．发动机悬置系
统匹配设计得合理 与否 ，也是影响汽车乘坐舒适性的
重要 因素 。
l 悬 置系统 的工 作原理
现代柴油机悬置系统大多采用弹性 支撑 支撑装
置承受着柴油机 、离合器 、变速器及其它附件所组成的
载荷。主要作用是减少柴油机 的振动传递和由柴油机
引起 的令人 不 舒 服的噪 声 ，改善 汽车 的乘坐 舒适性 。
汽车柴油机lr作时产生两个主要振源 ：一个是由
发动机内部运 动件 回转产生 ；另一个是 由柴油机气缸
内点燃力产生 ，我们可以把第一个忽略 ．在进行匹配设
计 时就 主要 考 虑点燃 力 。正 是 由于此力 引起 发 动机 的
侧倾(图 1)
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重庆康 明斯发动机专辑
图 1 传动装置六 自由度系统
心缆
气缸体内的点火频率 由气缸数 、发动机设计和发
动机转速来决定 。我们知道 四冲程发 动机每两个工作
循环气缸点火一次 ，那么直列 6缸发动机每个工作循
环有三次气缸点火。对于一个怠速为 600 r／min的发动
机来说 ．每秒完成 10个循环 ，发动机的点火频率就是
30Hz，同时也把 30Hz的振动传送到悬置系统上。衡量
一 个悬置系统性能的好坏通常用 “传递率 口”来表示 。
也就是把来 自于发动机的振动通过悬置系统传送到车
架的数量 当 口> l时，表明悬置系统正在增加来 自于
发动 机 的振 动 。这是 因为 悬 置 系统 的 自振 频 率接 近于
发动机 的点 火频 率 ，从而 产生共 振 ，也 就增 加 了振 动能
量的输入。当 <1时，表明悬置系统削减了来 自于发
动机的振动 ，起到了隔振作用 。
2 悬 置系统 的匹配设计
2．1 设计 悬置 系统 的 自振 频率
传递率 口和柴油机点火频率 ( )与悬置系统 自振
频率( )之比之间的关系可用图 2来表示。它直接反映
了悬置 系统 衰 减振 动 的能 力 。悬 置系统 上 常用 的几 种
弹性材料的传递特性都表示在图 2上。其 中橡胶材料
的相对阻尼系数为 0．1。当发动机转速升高时，点火频
率和输入到悬置系统的激振频率也在增加 ，在图 2上
可看出工作点向右移动 ，表明在低速时悬 置系统传递
率高 ，这意 味着 发动机怠速时悬置系统传递 特性极
差 因此在设计悬置 系统时必须考虑到这一关 键速
度 对于一个好的悬置系统来说 ，我们推荐 当发动机怠
速运转时 ，传递率应该等于甚至低于 0．4。参照图 2，对
于橡胶材料 ，其相对阻尼系数为 0．1，当传递率为 0．4
时，悬置系统激振频率 比为 2，即柴油机点火频率和悬
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置系统 自振频率之比为 2 也就是说当发动机怠速为
600 r／rain，点火频率为 30Hz时．那么悬置系统 自振频
率应该为 15Hz或更低 。
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图 2 常用 的几种弹性元件的传递特性
2 2 悬 置 系统弹性 支 撑的 方案
柴油 机工 作 时产生 的燃烧 脉 冲力和转 矩反 作用 力
使柴油机产生 “横摇”。“横摇”的转动轴线通过发动机
的重心并近似平行于曲轴 中心线． 因此前后支撑应具
有响应的弹性来适应这个转动。悬置系统前后弹性支
撑 的安装要求不 同，这是由于它们所承受的负荷和它
们相对于发动机传动轴的位置不同造成 的
图 3表明后支撑和传动轴之间的相对位置关 系。
由于后支撑更靠近柴油机的重心．基本位于纵 向轴线
上 ，使发动机转动中心始终 向上 ，因而只需较小的弹性
来承受燃烧冲力 ，这要求支撑在垂向上刚度低，转动更
加灵活。橡胶材料的拉伸韧性优于压缩 ，理想的后支撑
应该优先选用橡胶来隔振。由于后支撑必须承担柴油
机 的大部分重量和承受各个方 向上 的大部分惯性 负
荷 、反作用转矩以及传动机构的附加力 ，安装在飞轮壳
或离合器壳上的支架设计是非常重要的。后支撑的位
置越靠近发动机转轴 中 tk,线越好 ，从而提供 良好 的转
动并减小支架和壳体的弯曲应力 ，同时支架的设计也
应当使安装在飞轮壳上 的螺栓承受相同的负荷。
图 3 后悬置侧倾
图 4表明前支撑和传动轴之问的相对位置关系。
由于发动机的转动中心和前支撑之间的距离很大，使
发动机转轴中心横向运动，因此要求前支撑在横向上
刚度低 。
图 4 前悬置侧倾
为使悬置结构能吸收振动能量和适 应车架变形要
求 ，悬置垂 向的刚度应较小 ，横向应较大 (防止驾驶室
或车身在水平方向晃动 )。由于车身和车架连接的悬置
元件大多采用橡胶元件 ，承受很大负荷，如刚度低 ，挠
度大 ．从橡胶元件的寿命考虑 ，其允许应变不应大于
15％ ～20％，因此悬置刚度不得太低。
(汽丰研究 与开发'20o1增刊
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悬置系统橡胶元件 ，按所受力方向可分为压缩型
和剪切 型 ，如 图 5所 示 。剪切 型悬 置具有 垂 向刚 度低 、
横向刚度高等优点 ；压缩型悬置的动刚度系数 R用下
式表示 (参 见示 图 6)：
= b+
图 5 悬置 系统娄 型
车 身
图 6 压缩 型悬置 的动刚度示意图
当车架上跳时．上面的橡胶垫受压 ，下面放松 ，但
总体还是处于压缩状态。
由于橡胶元件寿命有限 ，所以应设计适当的支撑方
案 。悬 置系统制造商 提供安装方 案和应用 支持。典型 的
重庆糜孵斯发动机寺辑
图 7 典型的后支撑元件
露
图 8 典型的前 支撑元件
发动机悬置系统前后弹性支撑方案图见图 7和图 8。
2．3 限制飞轮壳和机体结台面处 的静态弯 曲力矩
当变速传动部分较长或较重时 ，柴油机飞轮壳和
机体后端面的挠度可能会超过标注在发动机数据栏上
的许用值。这时需要在变速器上增加一个辅助支撑 。它
不能设计成刚性 ，采用一个低弹簧刚度的辅助 支撑可
以使静态弯矩减小至零 ，但动态力矩却明显升高。较可
靠的设计是将后支撑后移至离合器或变速器壳体上 ，
既消除了静态弯矩，动态力矩又不会明显升高。图 9清
楚地表明了这个静态弯矩和悬置系统的分布位 置。我
们可以按 照图 10所示取得一些必要的数据后计算 出
这个静态弯矩 ，需要的数据资料有些可以从发动机数
据栏中获得 ，有些要从传动装置制造厂家取得 ，还要从
那些悬置系统 的设计要求获得。
图 9 发动机缸体后端 面静 弯矩
— — 发动机的湿质量 (1b)=发动机 的干质量 +
冷却水 质量 +机油质 量
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囝 l0 静弯矩计算 图
— — 发动机传动系统的总质量 =发动机变速
系统的湿质量 +离合器质量 +离台器壳质量 +其它附
属装备质量
-— — 前 支撑作用点
：— — 飞 轮壳 支撑点
— — 后 支撑点
— — 缸体后端面
厶～L 一一 水平距离 (in)(支撑点 、重心点和缸体
后 端 面之 间，见安装 图 )
发 动机 的安装位 置 R 、R：必 须是 定值 。要 达 到这
个要求 ，后支撑点 R，必须是一个预定值
R2(1b)=f L + 研 厶 一 R3L )／L3 【1 J
。(1b)= + 一R：一R3 (2 J
可决定飞轮壳和缸体后端面间的挠度 ：
(Ih· )=R2／．6+R，厶 一 L 3)
可供 检验 公式 为 ：
flb·in)=RI／．2一 (Lz—L ) 【4 J
转换 公式 ：
(Ih·in)／12= flb·n) 【5 J
(kg·II1]~1)×9．8／1000=M fNm J 6)
当 R．和 R 被 决定后 ，传 动 系统 支撑点 可按 以下
公式求得 ：
(Ih)： - ! 垒= 垒 f7)
厶 一 厶 厶 ／厶
接下来可以代^值进行检验 ，检验过程如下 ：
L 旦
求得 尼、R 后，代人 的检验公式 ，其结果应为0。
2．4 传 动机构 其 它组 件的悬 置 系统
在发动机 、传动系统和车架的连接处 ，必须预留有
充分的 自由度 ，否则将会把发动机的振动传到车架上 ，
从而产生噪声和令人不舒服的震颤 ，同时也会和车架
本身产生干涉，如果这些连接处不认为是发动机安装
件的一部分 ，设计时也不留出足够的 自由空间，他们的
寿命将很短。
应用于城市公交汽车上驱动空调压缩机的皮带安
装是一个 比较棘手的问题 。这种皮带驱 动类型是用一
根大皮带去驱动一个安装在发动机一侧的比较远的压
缩机 这就要求在发动机和压缩机之间的皮带具有很
大的张紧力 假如压缩机可以装在发动机前端 ，那会导
致 安装 位置的倾斜并且会减小安装系统侧面 自由度 ，
由于减小安装系统 的自由度，最终会导致振动问题的
加 大 。
如何解决这个问题呢?我们可以在发动机和驱动
部分之间加装一个可调节装置 ，以便在发动机和驱动
部分之间形成空气弹簧类型的皮带 张紧系统 ，供给皮
带必要的张紧力 ，同时避免此力施加到发动机前端安
装位置上。我们提供几种皮带张紧方案见图 11。
‘ 车研究与开发)2001增刊
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图 1 I底盘附属皮带驱动方 案图
3 结 语
发动机悬置系统的设计是关键而又烦琐的事情 ，
它应 遵循 以下 原则 ：
a．用减振元件将发动机和安装系统隔离开来 。对
于怠速为 600 r／min甚至更高的直列 6缸发动机来说 ，
要求这个安装系统 的自振频率必须经过严格计算 ，控
制在 15Hz或者 更低
b．限制发动机的运动 ，因为发动机工作时要输出
动力 ，受到振动 、反扭矩 、道路输入 、车架歪斜 ，必须避
免发动机和车架的刚性接触
． 限制发动机缸体后端面静态弯曲度 ，此值应参
照发动机数据栏，当车辆重载时，有必要使用辅助支撑
去消 减弯 矩 。
d．避免传动系统过载 。
e ． 在发动机和车架之问应当预留足够的空间，以
防诸如管道 、导线 和驱动皮带之类传递给车架额外的
振动
銎询电话 023—65335888—3245
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康明斯直列6缸柴油机悬置系统匹配设计.pdf
