一種前置后驅動力總成懸置系統正向開發方法研究

張光亞，付廣

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

?

一種前置后驅動力總成懸置系統正向開發方法研究

張光亞，付廣

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

摘要：前置后驅動力總成系統由于受布置結構限制，常不能達到很高的解耦率。為了在項目前期能夠對設計的懸置系統做一個較全面的評估，介紹一種利用計算機模擬進行正向開發的方法。基于MATLAB平臺建立13自由度動力總成-車身系統動力學模型，通過計算懸置支反力和車身振動響應對懸置系統進行優化，最終得到了較好的設計參數值，從而證明該正向開發方法相對于傳統僅基于懸置解耦率的方法更先進、有效。

關鍵詞：前置后驅動力總成系統；懸置系統；正向開發；13自由度動力學模型

0引言

近些年國內乘用車市場非?；鸨?，乘用車相對于商用車對NVH性能要求更高，所以提高NVH性能是很多整車主機廠的重要關注點。其中動力總成懸置系統開發降低來自發動機的振動和噪聲，是提高NVH性能基礎性的環節。很多文獻都介紹過通過發動機懸置系統的設計原則、基本概念及應用試驗，來降低車輛的振動和噪聲。提高發動機懸置系統的解耦率，被證明是一個有效的改善NVH的方法。解耦主要有扭矩軸(TRA)解耦和主慣性軸解耦，國外有文獻詳細對比了2種解耦的性能差別[1]。由于TRA是動力總成怠速時的振動軸，所以從發動機懸置的TRA解耦來作為切入點更方便。

一般情況，前置前驅發動機懸置均能得到比較理想的解耦率，但前置后驅發動機由于布置空間的原因，部分主自由度上的解耦率僅能達到60%左右。2種懸置系統布置對比如圖1所示。較低的解耦率使得前置后驅車型NVH優化更加復雜，需要利用計算機模擬進行正向開發來代替傳統的懸置系統開發方法，提高設計效率。

1正向開發過程與傳統方法的差別

傳統的懸置系統開發過程如圖2所示，此種方法需要先制作樣件，進行整車試驗才能了解該懸置方案在整車中的性能，如果性能欠佳，則需要重新設計懸置，周期很長。由于前置后驅動力總成解耦性能較低，常導致多次的反復更改設計和驗證，造成時間和費用的浪費。

文中主要介紹利用計算機模擬進行正向開發的懸置設計方案，開發過程如圖3所示。在這個流程中，通過建立帶車身和車輪的懸置模型，在設計前期評估設計方案是否滿足整車的NVH性能，并進行優化，提前發現問題，可有效節約寶貴的開發時間。

文中具體分析內容為振動固有特性分析(解耦率)、怠速激勵懸置支反力分析及路面激勵下振動響應分析3個工況，高頻問題相對于低頻問題較容易解決[1]，故文中只關注了低頻問題。

2數學模型建立及參數設置

2.1數學模型

當前國內外懸置簡化模型主要有6自由度、16自由度和13自由度3種模型。6自由度模型中假設懸置是搭載在剛性基礎模型中，僅考慮懸置的6個方向自由度，該模型簡潔高效，可在前期設計中對懸置性能做初步的評估，但無法反映實際整車響應；1998年，史文庫等[2]在前人基礎上提出了動力總成懸置支撐在彈性基礎上的16自由度動力學模型，考慮了動力總成及車架、副車架公共作用對整車振動的影響；2008年，王峰[3]在其碩士論文中介紹了動力總成連接在整車平順性7自由度彈性基礎上而建立的13自由度動力學模型。13自由度模型相對16自由度模型簡單，也同樣可以計算出懸置系統固有特性和分析怠速及行駛狀態下車身的動態響應，所以文中建立的為13自由度模型。整體模型如圖4所示。

不考慮外力和阻尼作用，可以得到系統固有特性分析方程為：

根據振動理論，其理論解為：

Xi=φisin(ωit+φi)

代入上式可得：

M-1Kφ=ω2φ

所以，系統的固有頻率和振形為：

fi=ωi/2π

動力學方程中，定義13個廣義變量：

x=[x1x2x3]T

其中：x1=[xyzθxθyθz]T為動力總成廣義坐標；x2=[zbθxbθyb]T為車身廣義坐標；x3=[zu1zu2zu3zu4]T為簧下質量廣義坐標。

根據動力學拉格朗日方程，得到動力總成-車身系統動力學方程為：

2.2參數設置

在MATLAB平臺下建立系統仿真模型。選擇的是一款搭載1.5 L發動機的前置后驅MPV車型，變速器為手動變速器，懸置系統為3點安裝。懸置位置參數和靜剛度參數如表1和表2所示。

表1懸置件位置坐標值

表2懸置靜剛度參數

動力總成質量參數及質心如表3和表4所示。

表4動力總成質心位置參數

另外，輸入的參數還包括：懸置坐標系與廣義坐標系的夾角，車身質量，懸架剛度、阻尼，車輪質量等，考慮到車型設計數據保密的需要，文中未給出這些詳細數據。

3計算結果及優化設計

3.1計算結果

懸置系統振動固有特性分析結果如表5所示，對于前置后驅動力總成來說，該結果已經屬于較高解耦率，可以進行下一步的分析。

怠速單位扭矩激勵下懸置支反力分析結果如圖5所示，可以看出：后懸置支反力遠高于其他2個懸置，且峰值超過25 N，有些偏高。

路面單位激勵力下車身質心振動響應分析結果如圖6所示。

圖5單位扭矩激勵力下懸置支反力曲線

圖6單位路面激勵力下車身質心加速度曲線

3.2優化設計

為了降低懸置支反力和車身質心的振動，設計小組對懸置的剛度參數進行了優化。優化后的參數如表6所示。

更新13自由度模型中參數后，計算得新懸置系統的解耦率見表7，新、舊模型懸置支反力和車身加速度響應對比結果分別如圖7和圖8所示。

表6優化后懸置靜剛度參數

圖7單位扭矩激勵力下懸置支反力優化前后對比

圖8單位路面激勵力下車身質心加速度優化前后對比

從分析結果中看：雖然新的懸置系統在解耦率上并沒有較大的提高，但各懸置的支反力和車身加速度均有一定幅度的下降，性能優化效果明顯。

4試驗對標

為了證明分析結果的準確性，懸置設計小組根據優化后的懸置參數制作了樣件，見圖9，并在試驗車上進行搭載試驗。

試驗測量了在發動機怠速和5擋80 km/h勻速工況下駕駛員座椅導軌處的振動加速度，試驗結果分別如圖10和圖11所示。從試驗結果中看出：0～100 Hz頻率內能量幅值均低于設計目標值100 mm/s2，說明該懸置系統在怠速下有較好的減振性能，振動峰值頻率在12 Hz處與仿真結果較好吻合，也證明了仿真結果有一定準確性。

5總結

文中主要進行了以下工作：

(1)介紹了動力總成-車身13自由度動力學模型的方法，并利用MATLAB軟件平臺對某款前置后驅MPV車型進行建模；

(2)在較低的懸置解耦率情況下，根據懸置支反力和車身振動響應分析結果對懸置參數進行優化，最終得到了較理想的車身振動響應；

(3)加工制造懸置設計方案樣件，并搭載在整車上進行怠速工況和5擋80 km/h勻速工況的駕駛員座椅導軌處振動，測試性能達標，并與仿真結果較好吻合。

實踐證明：這種正向開發方法可以在懸置設計前期更全面地優化懸置參數，縮短優化時間，與傳統僅依靠解耦率來評估懸置性能相比，是一種更先進的懸置設計方法。

參考文獻:

【1】JEONG T,SINGH R.Analytical Methods of Decoupling the Automotive Engine Torque Roll Axis[J].Journal of Sound and Vibration,2000,234(1):85-114.

【2】史文庫，林逸.發動機懸置支撐在彈性基礎上的隔振特性分析[J].汽車技術,1998,3(7):18-20.

【3】王峰.汽車動力總成懸置系統振動分析及優化設計[D].上海:上海交通大學,2008.

Study on a Forward Development Method for Engine Mount System of Front-engine Rear-drive Powertrain

ZHANG Guangya, FU Guang

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007,China)

Keywords:Front-engine rear-drive powertrain; Mount system; Forward development; Dynamic model with thirteen DOFs

Abstract:Engine mount system of front-engine rear-drive powertrain can’t obtain high decoupling rate normally, because of the structural constraint. For accurately assessing the mount system design at earlier stage of project, a forward development method based on computer simulation was introduced. A thirteen DOFs powertrain-body dynamic model was established based on MATLAB software. Through calculating mount reactive force and vibration response of body,the mount system was optimized and a better design was obtained. The results prove that this forward development method precede the conventional evaluation method in which only decoupling rate is used.

收稿日期：2016-02-22

作者簡介：張光亞(1983—)，男，碩士研究生，工程師，從事汽車CAE工作。E-mail:guangya.zhang@sgmw.com.cn。

中圖分類號:U461.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-042-05