動力總成懸置系統對車內振動和噪聲影響研究

趙媛媛 田偉 叢張興

摘 要：影響汽車乘坐舒適性的兩個重要指標為車內振動和噪聲。動力總成工作時產生的激勵經過懸置系統，傳遞到車內，引起車內振動和噪聲。動力總成懸置系統是汽車重要的隔振系統之一。本文主要介紹了懸置系統對整車NVH性能影響，車內噪聲及振動產生，懸置系統分析及測試方法懸置系統優化等研究。

關鍵詞：車內振動；車內噪聲；懸置；優化

前言：

汽車動力總成懸置系統的好壞將直接影響到汽車乘坐舒適性，良好的動力總成懸置系統可以減少振動向駕駛室的傳遞，從而降低車內振動和噪聲的產生，提高汽車的NVH性能。動力總成懸置系統對車內振動和噪聲的影響研究是汽車減振降噪研究的重要環節之一。

1概述

目前評價汽車乘坐舒適性的主要性能指標是NVH，它主要通過振動、噪聲和聲振粗糙度三方面來評價汽車的性能。其中振動與噪聲是最重要的兩個指標。駕駛室內的振動和噪聲給乘客的感覺最直接。振動和噪聲不僅影響乘客的乘坐舒適性，造成駕駛員疲勞駕駛，還會影響駕駛員對汽車的操縱性和行駛平順性等。因此各大汽車企業和學者也逐漸將NVH性能的研究作為整車研究的重心之一。

動力總成通過彈性元件與車身連接的系統稱為汽車的動力總成懸置系統，發動機工作時產生的周期性振動和路面產生的激振力，通過懸置系統和懸架系統傳遞到車身（車架），引起車內的振動和噪聲，從而使駕駛員和乘客產生疲憊和不適。

2車內振動和噪聲的產生

2.1動力總成振動引起車內振動和噪聲

汽車怠速或低速行駛時，車內振動和噪聲主要來源于動力總成，動力總成工作時產生的振動，經過懸置系統，傳遞到車身或車架，引起車身壁板振動，并向車內輻射噪聲，從而產生車內振動和噪聲；汽車高速行駛時，車內振動和噪聲一部分來源于動力總成振動，另一部分來自于路面和外界環境的激勵。在有限元理論的基礎上，通用汽車公司開始使用有限元分析軟件 NASTRAN 進行車內振動和噪聲的研究，并取得了成功。隨后，ANSYS仿真軟件依靠可靠高和穩定性高等特點，被應用于噪聲振動分析中。近年來，車內振動和噪聲的研究主要采用實驗與信號處理技術結合的方法。即通過試驗的方法，使用聲壓計、振動加速度傳感器等設備，進行車輛振動和噪聲信號采集，利用信號處理方法，分析車內振動和噪聲產生的原因。主觀評價法是最簡單的車內振動和噪聲研究方法，主要是依靠人的主觀感受來評價車內振動和噪聲的大小。

隨著計算機科技和信號處理技術的發展，各種數值計算方法、實驗與信號處理技術結合等研究方法應用到車內振動和噪聲的研究中，這些研究方法大大降低了車內振動和噪聲的產生，提高了汽車乘坐舒適性。

2.2車內振動的產生

汽車車內振動和噪聲的大小給乘員的感受是最直接的。車內振動主要由發動機工作時氣缸的周期性運動產生的振動和各個系統工作時產生的振動經懸置元件傳遞到車身，引起車身振動，從而引起壁板振動，再傳遞到車內引起的振動，另一個是路面不平激勵通過輪胎和懸架系統傳遞到車身，引起壁板振動，再傳遞到車內，引起車內振動怠速。

2.3車內噪聲的產生

車內噪聲主要來源于發動機振動噪聲、車身車架振動噪聲、各個系統工作噪聲和風噪聲等。按照傳遞方式的不同，車內噪聲主要可分為兩類：以發動機為主體的動力總成和各個機械系統工作時產生的振動，經過懸置元件的衰減傳遞到車身和車架，引起車身壁板的振動，路面不平激勵和輪胎的不平衡力通過輪胎和懸置元件直接或間接的傳遞到車身，引起汽車內外部件的振動，并向駕駛室輻射噪聲，稱為結構噪聲。

結構噪聲一般產生在5-300Hz的低頻段；發動機與各個機械系統在工作過程中輻射的噪聲和外部噪聲通過車身板件及門窗孔隙直接傳入車內的噪聲稱為空氣噪聲。車身結構密封的好壞將直接影響車內噪聲的大小。當汽車怠速或低速行駛時，發動機激勵是車內噪聲的主要來源。當汽車高速行駛時，風激勵噪聲成分很大，特別是當車速達到100km/h時，風噪聲對車內噪聲的產生有很大的影響。

3動力總成懸置系統優化

3.1設計變量

由于實際限制，一般動力總成本身物理參數如質量、慣量等通常難以改變，支承位置和安裝角度受到其他器件和空間的限制，也很難改變。所以只以4個懸置元件的u向、v向、w向的剛度k=（kiu，kiv，kiw）（其中i=1，2，3，4）為設計變量，故共有12個設計變量。

3.2目標函數

3.2.1能量解耦

系統在作某階固有頻率振動時，振動占優方向所占的振動能量百分比Pil其值越大，系統解耦程度越高。因此系統的能量解耦目標函數可確定為

式中，wi為第i階頻率的加權因子。考慮到發動機的激勵主要集中在垂直方向和繞曲軸旋轉方向上，因此優化過程中將這兩個方向的加權因子都取為5，其余取1。

3.2.2車內振動

根據優化前車內目標點振動情況，將工況下整個轉速范圍分為3個部分，每部分給予不同的加權因子，將車內所有目標點各方向振動平均水平綜合在一起考慮，確定目標函數為

式中，r1、r2、r3、r4為車輛定置升速過程中所對應的轉速，wj為對應于車內第j個目標點的加權因子。考慮到車內駕乘人員對轉向盤和座椅導軌振動主觀感受明顯，優化過程中將車內轉向盤、主副駕座椅導軌這3個考察目標點的加權因子取為5，其余目標點取為2。結合優化前實測目標點振動情況，將轉速范圍的前一段加權因子wf取為3，中間一段加權因子wm取為2，后一段加權因子wb取為4。

3.3約束條件

根據隔振理論原理，懸置系統的最大固有頻率必須小于發動機激振頻率的根號2分之1，大于來自路面的激勵頻率。另外，懸置剛度不能過小，否則會使動力總成位移過大，導致懸置剪切破壞，縮短懸置的使用壽命；也不能過大，過大會導致系統傳遞率降低，故懸置的剛度約束為ki，min≤ki≤ki，max（i=1，2，…）。

3.4算法運行參數

具體優化過程中取種群大小10，粒子大小12，目標函數個數2，最大迭代次數nmax=60，學習因子c1=c2=2，最大粒子速度vmax=5。慣性權重因子w的最大值wmax=0.9，最小值wmin=0.4，迭代計算過程中w（t）=wmax-（wmax-wmin）t/nmax。

3.5算法流程

將灰色關聯度引入粒子群算法中，具體優化流程圖如圖所示。

（1）初始化粒子種群：給定種群規模m、學習因子c1、c2、慣性權重因子w、目標函數的個數和最大迭代次數。

（2）根據約束條件隨機產生10個粒子的位置和速度。

（3）利用粒子群算法分別求出兩個子目標函數的最優解，然后組成基準矢量序列。

（4）將粒子群位置代入目標函數，計算出目標函數值，將目標函數值組成目標矢量序列。

（5）利用給出的式子求出每個粒子形成的目標矢量的關聯度，比較關聯度的大小，將種群中關聯度最大的作為全局極值，粒子飛行中最大關聯度的作為個體極值。

（6）記錄全局極值粒子對應的最優變量和最優值。

結束語：

車內振動和噪聲是評價汽車乘坐舒適性的重要指標。良好的動力總成懸置系統可以減少發動機振動向駕駛室的傳遞，從而降低車內振動和噪聲的產生，提高汽車的舒適性。

參考文獻

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