基于能量解耦的汽車動力總成懸置系統參數設計

摘要：針對某車型怠速振動性能差的特點，建立了其動力總成系統的ADAMS模型，分析發現各自由度間的振動耦合較為嚴重。總結介紹了振動解耦理論，基于這些理論設計原則重新計算得出優化參數。使用優化結果重新進行模型的振動分析計算，驗證了新參數的有效性，為設計改進提供了方案。

關鍵詞：能量解耦；懸置系統；匹配優化

中圖分類號：U461.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0025-03

Parameters Design of Vehicle Powertrain Mounts Based on Energy Decoupling

LI Zheng，JI Jin-liang，YANG He-zhou，ZHU Cheng-hui

（Zhengzhou Nissan Auto Co. LTD.，Zhengzhou 450016，China）

Abstract：ADAMS model of a powertrain system whose vibration at idle speed was poor was built.using the model，it found that the vibration energy coupling between the 6DOFs was serious. Then the theory of vibration energy decoupling was concluded and based on the theory，parameters of mounts were redesigned. The effective of the new parameters were validated from the results of another new vibration analysis. Obviously，it is a solution to improve the performance of powertrain mounts.

Keywords：energy decoupling；mounts system；optimization

車身的振動不僅影響車輛的乘坐舒適性品質，而且還會影響操縱穩定性。分析振源主要來自于兩個方面：不平路面激勵或發動機運轉產生的往復傾覆力矩激勵。為了隔振降噪，在發動機與車身或車架之間用較軟的橡膠或液壓懸置連接，一方面隔離動力總成振動，包括控制發動機怠速時較大幅度的低頻抖動，隔離并降低高速時的高頻振動與噪聲，同時作為一吸振器，吸收路面傳遞到車身或車架上的振動。因此懸置系統的空間布置及性能匹配是車輛設計的重要環節。

本文結合某一怠速振動性能較差的實例車型，借助建立其動力總成系統ADAMS模型，從振動解耦設計理論上進行了參數驗證和重新設計。使用優化后的參數，從ADAMS模型提取系統總成的振動線性模態，得到各自由度間的能量分布，驗證了所達到的各階頻率和主要自由度解耦目標。

1 懸置系統的振動分析

本文采用FR車型，縱置4缸發動機、4點懸置。由于怠速振動性能較差，為分析動力總成懸置系統的振動特性，建立了其ADAMS動力學模型。

1.1 動力學模型的建立

動力總成懸置系統的臨界頻率一般在30 Hz以下，大大低于動力總成本身作為彈性體振動模態（最低60 Hz），圖1 為動力總成懸置系統的ADAMS模型。

在工程上認為動力總成的振動只存在剛體模態。因此將動力總成簡化為空間剛體，并把它通過懸置橡膠墊固連在地上［1］。輸入系統質量參數和各懸置的坐標位置、彈性參數（見表1、表2），建立ADAMS模型（見圖1）。

1.2 振動特性分析

對上述系統進行VIBRATION分析，抽取線性模態數據，并借助ADAMS計算各階模態振型在坐標系各方向上的能量分布。結果見表3。

該發動機怠速為850 r/min，則發動機怠速激勵頻率為850/30≈28.33 Hz，由于系統剛體振動最高模態頻率10.17 Hz小于發動機怠速激勵頻率的0.707倍，即10.17<28.33×0.707=20.03，滿足懸置系統剛體模態頻率的要求，說明該系統具備一定的隔振性能。

從表3中看出，6個剛體模態中Z/Y軸能量解耦程度較高，然而在繞x軸旋轉方向的耦合較嚴重，在X/RY/RZ方向上的振動能量耦合也很明顯。顯然在該動力總成懸置設計時，未充分考慮各自由度間的能量解耦或部分解耦。

由于當動力總成懸置系統六個自由度間振動耦合時，會導致動力總成的振幅增大，振動頻率范圍過寬，對隔振極為不利。且各自由度振動如果互為耦合，很難對產生共振的自由度上的頻率進行個別改進而不影響其他自由度上的隔振性能，所以在設計懸置系統時用盡量采用解耦布置［1-5］。下面就著重介紹懸置系統振動解耦的結構和性能參數設計原則。

2 懸置系統振動解耦的理論基礎

2.1 動力總成兩端垂向運動解耦

依據剛體撞擊中心理論，將后（前）懸置布置在前（后）懸置點的共軛點上，使前（后）懸置所受的沖擊在后（前）懸置處引起的動反力最小，從而達到良好的隔振效果。

LfLr=Iyy /m（1）

式中，Lf /Lr分別為動力總成質心到前后懸置組的距離；Iyy為動力總成繞主慣性軸Y的慣性矩；m為動力總成質量。

2.2 單軸平動及轉動振動解耦

為使動力總成垂向和俯仰自由度振動解耦，前后懸置在垂向上的剛度要滿足：

Kzf Lf=KzrLr（2）

式中，Kzf /Kzr分別為前后懸置組等效垂向剛度值。

2.3 扭矩軸理論

如果前后懸置的平面和扭矩軸垂直，并且前后懸置組的彈性中心均落在扭矩軸線上，則可使發動機在Y方向的橫向振動、Z方向的垂直振動和繞X軸的扭轉振動解耦。

對于V型懸置組，其彈性中心O點確定如圖2示。

式中，L=Kw /Kv稱為懸置的剪壓比；Kw 為懸置剪切方向剛度，Kv為懸置壓縮方向剛度，θ為懸置安裝傾斜角。

3 懸置系統參數的優化設計

根據表1發動機坐標系下的轉動慣量值，可計算得到系統的主慣性矩：Ixx=16.44 kg·m2，Iyy=43.74 kg·m2，Izz=35.47 kg·m2。主慣性軸X和扭矩軸在參考坐標系中的相對空間位置見圖3。

代入懸置系統其他參數，運用第2章中的設計原則，可以得到一組優化的系統參數，見表4、表5。這里為使懸置系統其他自由度間盡可能解耦，把后懸置組也設計成傾斜放置，使其彈性中心也落在扭矩軸上。

把上述重新匹配優化后得到的參數代入ADAMS系統模型，重新計算VIBRATION性能，結果見表6。

從表6可看出：采用優化的懸置布置方式及剛度參數后，系統模態頻率在限制范圍內，Z方向振動能量解耦率達到100%，繞X方向扭轉振動解耦率也達到86%，Y/RZ方向的能量解耦率也都在90%以上。雖然X/RY方向上解耦改善不明顯，但在這兩個方向并不存在主要激勵，因此對系統隔振性能影響不大。

4 懸置位移控制

為保證懸置系統的壽命，發動機在正常工作區懸置位移不能太大，而在啟動、加速、制動、大側向加速度轉向、沖擊等極限工況條件下，懸置系統要有足夠的剛度，以避免發動機與周圍部件干涉。而這些驗證也都可以在ADAMS中快速實現。

5 結論

（1）振動能量解耦率是動力總成懸置系統設計好壞的重要評價指標之一。本文從振動解耦設計理論出發，對某一懸置系統重新進行了參數設計與優化，使得系統具有良好的振動解耦率，為設計改進提供了方案。

（2）為使懸置系統具有良好的隔振吸能效果，在進行車輛總體設計及發動機開發時，就應該遵循設計原則，對懸置點的位置、安裝角度及懸置橡膠墊性能進行充分考慮。

（3）對于重量較大的動力總成，在使用四點懸置時，根據工程實際，可以采用不對稱的布置方式，但要盡量傾斜布置前后懸置組，以使它們的彈性中心都落在扭矩軸線上，從而最大限度的實現6個自由度上的振動解耦。

參考文獻：

［1］ 許立峰. 汽車動力總成懸置系統NVH性能優化與試驗驗證［D］.北京: 北京林業大學，2009.

［2］ 呂振華，羅捷，范讓林. 汽車動力總成懸置系統隔振設計分析方法［J］. 中國機械工程，2003，14（3）： 265-269.

［3］ 閻紅玉，徐石安. 發動機懸置系統的能量法解耦及優化設計［J］. 汽車工程，1993，（6）.

［4］ 徐石安. 汽車發動機彈性支承隔振的解耦方法［J］. 汽車工程，1995，（4）.

［5］ 王景蓉，陳無畏. 轎車動力總成NVH性能分析及懸置優化［J］. 汽車科技，2008，（4）.