基于乘坐舒適性的動力總成懸置系統性能優化

樊帆 莊毅勝 劉夢巖

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

近年來人們對乘坐汽車的舒適性要求不斷提高，其中動力總成振動對整車行駛舒適性的影響越來越受到重視[1]。動力總成本身作為一個剛體，在路面的激勵作用下，也受到汽車各部分共振的影響，最終傳遞給乘員，引起乘坐不舒適。懸置系統要求能充分隔離由發動機產生的振動，在向車架及駕駛室傳遞的同時能充分隔離由路面不平產生的通過懸置傳向發動機的振動。成功地控制動力總成的振動，主要取決于懸置系統的結構形式、幾何位置、懸置軟墊的結構和剛度及阻尼等性能參數。文章通過對懸置系統的剛度及阻尼等性能參數的優化，改善了整車乘坐的舒適性。

1 汽車地板抖動分析

在某乘用車的舒適性主觀評價中發現，汽車在粗糙不平路面激勵下出現地板連續抖動并且無法衰減的情況，其中前排更為嚴重。為查找該問題產生的原因，采用關閉發動機并以20 km/h的速度進行空擋勻速通過木塊的平順性試驗，并采集前排座椅導軌、前轉向節、前減振器塔座、發動機懸置主動端及發動機懸置被動端等測點的數據進行分析。發動機主動端/被動端/前排座椅導軌Z向振動時域圖和頻域圖，如圖1所示。

圖1 優化前某乘用車測點Z向振動時域圖和頻域圖

從圖1a可以看出，發動機主動端振動最大，懸置被動端及駕駛員座椅導軌隨懸置主動端振動，并且振動衰減較差；從圖1b可以看出，發動機主動端頻率在9.22 Hz時，加速度存在明顯峰值，前轉向節等測點無明顯峰值。因此，可初步判斷該車在粗糙不平路面激勵下頻繁出現的抖動是由發動機Bounce模態引起。

2 動力總成懸置系統優化匹配

2.1 系統模型

將動力總成視為空間彈性支承的剛體，為一個具有6個自由度的振動系統[2]，由n個（n=3）懸置支承，其中2個懸置在車身上支承動力總成，1個懸置在車架端控制動力總成運動。將各懸置簡化為沿空間3個相互垂直的（Xi，Yi，Zi方向）具有剛度的彈簧。動力總成懸置系統模型，如圖2所示。

圖2 汽車動力總成懸置系統模型圖

在外力作用下，用矩陣表示多自由度振動方程，如式（1）所示。

式中：[M]——慣性矩陣，包含動力總成質量、轉動慣量和慣性積等參數；

[K]——剛度矩陣，包含各懸置原件的動剛度、安裝角度和安裝位置等參數；

[F]——作用在動力總成上的力，包含力矩和力等參數；

q——廣義坐標向量。

根據以上簡化在ADAMS中建立動力總成懸置系統分析模型，如圖3所示。

圖3 動力總成懸置系統ADAMS模型圖

2.2 系統參數

動力總成質量、轉動慣量和質心、懸置彈性中心、初始剛度及動靜比等相關設計輸入，如表1～表3所示。

表1 動力總成的質量慣性參數表

表2 質心及懸置彈性中心坐標

表3 動力總成懸置初始靜剛度和動靜比

2.3 系統剛體模態計算

根據相關輸入計算動力總成懸置系統剛體模態頻率，如表4所示。

表4 優化前動力總成懸置系統剛體模態頻率Hz

由表4可知，該動力總成懸置系統在Bounce方向的模態頻率為9.1 Hz，與實測9.22 Hz的峰值頻率較為相近。

2.4 系統性能參數優化

因該動力總成左右懸置總成和抗扭拉桿總成均采用純橡膠懸置，為解決汽車在粗糙不平路面激勵下出現連續抖動并且無法衰減的問題，同時兼顧動力總成懸置系統的解耦要求，需要優化該動力總成懸置系統性能參數（包括重新優化動力總成懸置系統剛體模態頻率及增加懸置系統阻尼）。

2.4.1 剛體模態頻率優化

由于抗扭拉桿總成為沿用件，故需重新優化左右懸置總成剛度，這里以左懸置3個方向剛度（KXi，KYi，KZi）和右懸置3個方向剛度（KXj，KYj，KZj）共6個變量作為初始變量。

設計約束包括動力總成懸置系統垂向及繞曲軸方向剛體模態的頻率與其余模態的頻率間隔在1 Hz以上，其它模態頻率之間的間隔在0.8 Hz以上；垂向模態頻率位于8～9 Hz；各階模態頻率均需要大于6 Hz，且低于發動機怠速激勵頻率的倍[3]。

根據相關系統參數輸入，采用ADAMS insight進行優化[4]，得到動力總成懸置系統剛體模態頻率，如表5所示，Bounce模態從9.1 Hz降低到8.6 Hz，懸置靜剛度，如表6所示。

表5 優化后動力總成懸置系統剛體模態頻率Hz

表6 優化后懸置靜剛度及動靜比

2.4.2 懸置系統阻尼

原系統右懸置為橡膠，懸置阻尼較小。新設計右懸置采用液壓懸置，滯后角峰值頻率設計在10 Hz左右[5]，提高動力總成懸置系統對Bounce模態的振動衰減，液壓右懸置滯后角曲線，如圖4所示。

圖4 液壓右懸置滯后角曲線圖

3 試驗驗證

采用性能參數優化后的動力總成懸置系統進行試驗，主觀評價抖動改善明顯。關閉發動機并以20 km/h的速度進行空擋勻速通過木塊的平順性試驗，采集前排座椅導軌和發動機懸置主被動端等測點的數據進行分析，如圖5所示。從圖5a可知，懸置主動端振動明顯減小，懸置被動端在系統阻尼作用下衰減明顯改善；從圖5b可知，懸置被動端與駕駛員座椅導軌峰值頻率與懸置主動端明顯錯開，懸置主動端振動峰值頻率從9.22 Hz降低到9.03 Hz，加速度峰值明顯減小，時域最大振動峰值降低了36.4%，由路面連續激勵引起的汽車地板振動得到了有效的抑制。

圖5 優化后某乘用車測點振動時域圖和頻域圖

4 結論

1）文章通過對懸置系統性能參數的優化，使懸置系統Bounce模態處于合理范圍，解決了整車在粗糙不平路面連續激勵下出現的振動耦合，同時應用液壓懸置提高系統振動衰減能力，使地板振動峰值降低，振動衰減改善，試驗證明該方法能有效解決車輛地板抖動的乘坐舒適性問題；

2）不足之處在于，在懸置系統參數匹配過程中，需要同時兼顧動力總成怠速振動及乘坐舒適性的匹配，文章僅對乘坐舒適性要求下的懸置系統進行參數匹配。