動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH關(guān)鍵技術(shù)研究

李罡

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車最重要的振源之一，其產(chǎn)生的振動(dòng)若得不到很好控制，則會(huì)引起車身部件、車架以及與車架相連的其他零件異常振動(dòng)和噪聲。一方面會(huì)降低這些重要部件的疲勞壽命，另一方面劇烈的振動(dòng)使駕乘人員產(chǎn)生不舒服和疲憊感，對(duì)汽車平順性的主觀評(píng)價(jià)造成嚴(yán)重負(fù)面影響。因此如何通過設(shè)計(jì)性能良好的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，以減少動(dòng)力總成向車架及車身振動(dòng)能量傳遞，一直是車輛設(shè)計(jì)師們關(guān)注的重要課題。鑒于此，筆者在此基礎(chǔ)上主要研究了動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH關(guān)鍵技術(shù)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成;懸置系統(tǒng);NVH;關(guān)鍵技術(shù)

1懸置系統(tǒng)的功用

一般說來，動(dòng)力總成懸置的功用及設(shè)計(jì)要求，有以下四個(gè)點(diǎn)：第一，支承作用，動(dòng)力總成安裝在懸置橡膠上，一般由三至四各懸置支承其動(dòng)力總成的全部質(zhì)量，同時(shí)在動(dòng)力總成工作時(shí)還會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)扭矩，從而使懸置橡膠產(chǎn)生變形，所以每個(gè)懸置承受到的載荷應(yīng)該要合理地分配，這樣才能使所有懸置橡膠的使用壽命得到保證。第二，隔振作用，懸置系統(tǒng)是動(dòng)力總成與車架中間的連結(jié)，它的隔振作用體現(xiàn)在兩方面。一方面，它有效隔離發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中發(fā)出的各個(gè)方向的振動(dòng)。另一方面，它也起到阻隔路面?zhèn)鱽淼母鞣N沖擊與振動(dòng)的作用。第三，限位作用，發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的工況十分多樣，有啟/停，換擋、加速、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等等，各種動(dòng)力總成工況受到的激勵(lì)方向及大小都不盡相同。這樣工況都會(huì)使動(dòng)力總成產(chǎn)生相應(yīng)的位移，懸置系統(tǒng)應(yīng)擁有足夠的限位功能，使得動(dòng)力總成不會(huì)產(chǎn)生過大位移，而與旁邊其他區(qū)域的部件產(chǎn)生撞擊，保證動(dòng)力總成與四周部件的安全。第四，安全可靠，懸置系統(tǒng)經(jīng)常處于諸多惡劣的工況，要保證系統(tǒng)的強(qiáng)度、疲勞壽命滿足要求，這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)安全正常的工作。

2動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)化建模

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于動(dòng)力總成彈性模態(tài)頻率，因此在對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)常將動(dòng)力總成和車架假定為剛體。用于發(fā)動(dòng)機(jī)和車架連接的橡膠懸置，由于阻尼不大，且動(dòng)力總成是小幅振動(dòng)，因此建模時(shí)其阻尼予以忽略;懸置的3向剛度則用3個(gè)相互垂直的彈簧連接表示，這3條軸線為彈性主軸。此外，建立模型時(shí)需建立幾個(gè)坐標(biāo)系：①定坐標(biāo)系G0-XYZ，原點(diǎn)G0位于動(dòng)力總成靜平衡時(shí)的質(zhì)心;Z軸平行于曲軸軸線，指向發(fā)動(dòng)機(jī)前方;Y軸垂直于曲軸方向向上;X軸按右手定則確定。②動(dòng)坐標(biāo)系GXYZ，原點(diǎn)G固結(jié)在動(dòng)力總成質(zhì)心處，靜平衡時(shí)動(dòng)、定坐標(biāo)系重合。動(dòng)力總成剛體振動(dòng)是由動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于定坐標(biāo)系平動(dòng)和繞3個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)合成。因此廣義坐標(biāo)為X、Y、Z、θx、θy、θz。基于此，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)化力學(xué)模型和ADAMS模型分別如圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)為4點(diǎn)懸置，前后各2點(diǎn)，變速箱前面與發(fā)動(dòng)機(jī)后部螺栓連接，后面為1點(diǎn)懸置，每個(gè)點(diǎn)為3自由度，故動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型共15自由度。

3動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH關(guān)鍵技術(shù)

3.1動(dòng)力總成懸置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1優(yōu)化變量及目標(biāo)

在前期對(duì)懸置安裝硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行相關(guān)匹配后，一般不會(huì)再進(jìn)行改動(dòng)。僅把懸置的主軸方向動(dòng)剛度及懸置安裝角度作為優(yōu)化變量，來進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。懸置動(dòng)剛度必須首先滿足制造的可行性要求，同時(shí)為滿足限位及隔振要求，懸置動(dòng)剛度還需要限制在一定的范圍內(nèi)。如果已經(jīng)擁有懸置參數(shù)，優(yōu)化時(shí)可在原來基礎(chǔ)的±20%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化;可以結(jié)合匹配的動(dòng)力總成參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初略的設(shè)定各懸置各彈性主軸動(dòng)剛度范圍。懸置的安裝角度則需要考慮安裝的方便性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可在原安裝角度±30%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。出于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH性能的考慮，希望動(dòng)力總成振動(dòng)傳遞率及幅度盡可能小，所以把怠速工況的傳遞力矩及啟停工況的動(dòng)力總成最大加速度設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)，使其最小化。

3.1.2優(yōu)化手段及方法

懸置系統(tǒng)優(yōu)化變量較多，如果手動(dòng)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，效率較低。本研究通過參數(shù)優(yōu)化軟件ISIGHT進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)優(yōu)化，能夠大大提高效率。ISIGHT可以與其他計(jì)算軟件聯(lián)合仿真，調(diào)用并優(yōu)化其他計(jì)算軟件模型的相關(guān)參數(shù)。Isight提供了Matlab接口，可用于操作Matlab腳本（.m）、模型、以及工具箱的各種功能。ISIGHT建模在DesignGateway，它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制流的視圖化，可以通過鼠標(biāo)拖動(dòng)，把不同的工程加入整個(gè)優(yōu)化流程，使得整個(gè)設(shè)計(jì)流程呈樹狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型如圖2所示，模型由MATLAB以及Optimization兩部分構(gòu)成，MATLAB包含動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、輸入變量（用于定義優(yōu)化參數(shù)）以及輸出變量（用于定義約束變量以及目標(biāo)變量）。Optimization用于優(yōu)化算法的選擇，優(yōu)化參數(shù)、約束變量范圍的設(shè)定，優(yōu)化目標(biāo)的選取。模型運(yùn)算時(shí)，二者不斷地通過數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并通過優(yōu)化算法搜索優(yōu)化方向，朝著優(yōu)化目標(biāo)逼近。優(yōu)化結(jié)果查看在運(yùn)行門戶（Runtime Gateway），它可以監(jiān)控整個(gè)優(yōu)化過程，包括數(shù)據(jù)的收斂狀況以及優(yōu)化程度，它還相當(dāng)于程序的后處理，通過該界面可以查詢優(yōu)化分析報(bào)告和各種類型的圖表。

3.2懸置支架設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成通過懸置支架安裝在車身上。動(dòng)力總成側(cè)和車身側(cè)各有一個(gè)支架，一般動(dòng)力總成側(cè)被稱為主動(dòng)側(cè)支架，而車身側(cè)支架被稱為被動(dòng)側(cè)支架。兩側(cè)支架分別跟動(dòng)力總成和車身側(cè)用螺栓固定連接，懸置支架間則通過懸置橡膠連接。主動(dòng)側(cè)支架-懸置-被動(dòng)側(cè)支架組成了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的傳遞路徑。考慮懸置支架的剛度，主動(dòng)側(cè)支架-懸置-被動(dòng)側(cè)支架三者視為一個(gè)剛度彈簧串聯(lián)系統(tǒng)。而且被動(dòng)側(cè)支架安裝在車身上，受到車身剛度的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要把白車身的一起考慮。在早期設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)懸置支架進(jìn)相關(guān)校核，及早地發(fā)現(xiàn)問題，并提出改進(jìn)方案是十分必要的，懸置支架的分析項(xiàng)目包括模態(tài)、動(dòng)剛度以及強(qiáng)度。其中模態(tài)、動(dòng)剛度直接關(guān)系到懸置支架的NVH性能。同時(shí)在保證懸置支架基本性能的前提下，對(duì)懸置進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，也具有積極的降成本及減重意義。有限元法是進(jìn)行懸置結(jié)構(gòu)分析常見方法，有限元法作為工程領(lǐng)域中最常見的數(shù)值分析方法，其基本思想是：將需要研究的物體劃分為有限個(gè)數(shù)的單元，然后再根據(jù)工況施加特定的邊界條件求解。本研究采用的有限元軟件為Hyperwork，Hyperwork軟件是性能優(yōu)良的網(wǎng)格劃分軟件，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，具有無(wú)與倫比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。Hyperwork的前處理模塊Hypermesh可以對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分外，Hyperwork還有自帶強(qiáng)大的求解器Optistruct，該求解器不但可以對(duì)有限元模型進(jìn)行解算，還可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等優(yōu)化工作。

3.3懸置系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)校

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)測(cè)試以及調(diào)校項(xiàng)目包括以下幾點(diǎn)：第一，怠速及原地起步時(shí)，懸置系統(tǒng)的隔振性能，主要體現(xiàn)在方向盤以及座椅處的振動(dòng)情況，汽車內(nèi)部的噪聲量級(jí)，以及動(dòng)力總成通過懸置向車內(nèi)傳遞的振動(dòng)的大小;第二，在汽車擁有一定的速度后，車輛以某一檔位加速過程中，懸置系統(tǒng)的隔振能力。以上的為整車級(jí)的測(cè)試，此外還包括一些零部件級(jí)的NVH測(cè)試，如1.懸置橡膠的動(dòng)、靜剛度測(cè)試2.懸置金屬支架的模態(tài)測(cè)試;3.懸置系統(tǒng)的模態(tài)、解耦率測(cè)試等。因?yàn)榱悴考前惭b在整車上的，其性能受整車的影響非常大。所以在做好零部件級(jí)測(cè)試的基礎(chǔ)上，整車級(jí)的測(cè)試對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)更加具有意義。

參考文獻(xiàn)

[1]隋永樂.動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的NVH性能設(shè)計(jì)開發(fā)[D].吉林大學(xué)，2012.

[2]張興，王方，彭宜愛.Hypermesh在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH改進(jìn)中的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017，16：152-154.

[3]洪樂.某轎車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)特性仿真優(yōu)化及位移控制設(shè)計(jì)[D].青島理工大學(xué)，2014.

（作者單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司）