動力總成懸置系統對汽車動力學性能的影響探討

孫士杰 王治平

摘 要：隨著我國社會經濟的快速發展，人民群眾的生活水平不斷提高，對汽車的需求量也在不斷增多。汽車行業要想滿足人民群眾的實際需求，必須要積極提高對汽車性能的評價。動力總成懸置系統作為整個汽車振動系統的重要組成部分，其振動的傳遞特點對汽車行駛的舒適性具有非常大的影響。本文通過對動力總成懸置系統對汽車動力學性能的影響進行分析，詳細探究汽車動力總成懸置系統的重要作用，分別建立汽車前軸垂向振動模型和3自由度汽車側向動力學模型，積極探究動力總成懸置系統對汽車動力學性能產生的影響。

關鍵詞：動力總成懸置系統；汽車動力學性能；影響分析

隨著汽車行業的快速發展，人民群眾對汽車乘坐的舒適性要求也在不斷提高。動力總成懸置系統的合理優化能夠有效提高汽車NVH性能，保障汽車穩定運行的重要參數。汽車動力總成懸置系統就是指連接發動機、離合器、變速箱等動力系統與汽車底盤之間的元器件系統。由于汽車動力總成懸置系統的振動會與路面激勵傳遞給車身，汽車動力總成懸置系統的性能，對車輛的NVH性能具有非常直接的影響。

一、動力總成懸置系統對汽車垂向動力學性能產生的影響

（一）動力總成懸置系統對系統固有屬性的影響

動力總成懸置系統在設計的過程中必須要進行解耦設計，因為通過解耦設計能夠將整個動力總成懸置系統劃分為獨立的振動，有效降低設計的難度[1]。如果假動力總成懸置系統垂向振動完全解耦，則動力總成的質心類似于在前軸上方，由此所建立的動力總成軸垂向振動模型。

根據動力總成懸置系統對系統固有屬性產生的影響進行分析，能夠明確動力總成懸置系統，其自身的振動頻率與發動機的怠速轉速，結構類型和格陣設計具有非常明顯的關聯，對于整車以及其他子系統來說，在配置頻率確定的條件下，頻率越第一，則接任頻率越高，根據不同車型整車系統的配率顯示，由于動力總成懸置系統自身的配率下限為5-6Hz左右[2]。

在設計動力總成懸置系統時，一般情況下應該適當的簡化無運動剛體，盡管整個系統的頻率分布范圍已經明確，但是不同頻率依然需要對各鎮城鎮進行詳細的設計。例如在垂向振動頻率分析時，如果忽略具體結構限制，則頻率在可配置頻率上必須要保證其分布區間為系統分布的可行范圍[3]。

在動力總成懸置系統偏頻的整個變化范圍中，動力總成懸置系統固有頻率自身必須大于偏平直，而且簧載質量偏平的變化，對整個汽車動力總成懸置系統的固定頻率不會產生影響，根據這樣的規律也能夠說明在動力總成懸置系統固有頻率計算時，由于剛性固定基礎假設不夠準確，動力總成懸置系統的彈性系統對整個系統的固有頻率會產生一定的影響，但是變化效果并不明顯。

隨著偏頻的不斷增高，動力總成懸置系統的剛度值也在擴大，此時動力總成與車身的固有振動偏直浮卻依然保持不變，根據這樣的理論，能夠使得整個動力總成懸置系統的固有頻率與偏頻差逐漸增加，根據計算結果顯示。當差值在5-15Hz時，水平的彈簧載質量偏頻動力總成懸置系統偏平的變化對車身自有頻率并不會產生影響，而如果動力總成懸置系統偏頻位于5Hz以下時，則會對整個車輛產生明顯的影響。由此可見，動力總成懸置系統偏頻的變化對非簧載質量固有偏頻沒有明顯影響，但是動力總成懸置系統在垂向頻率設計時，應該避免對非簧載質量頻率造成的影響，否則會導致兩者之間產生強耦合[4]。

（二）動力總成懸置系統對垂向動力學性能產生的影響

根據1/4車輛模型的動力學性能判斷，在垂向動力學性能評價時，主要依據車身加速度，懸架動撓度以及車輛輪動迫在當車身加速度，過快時很容易導致乘客身體前傾，影響乘坐的舒適度。懸架動撓度則直接影響懸架線位塊的作用頻率，給整個乘坐舒適度造成影響。車輪動載荷會直接影響車輪接地的變化情況，給汽車駕駛造成影響，通過在1/4車輛模型中增加動力總成懸置系統，能夠使整個車身加速度形成全新的模型，其汽車加速度，實際上屬于簧載質量的加速度，而懸架動撓度、車輪載荷與1/4車輛模型的定義相同[5]。

汽車各點速度關系：假設汽車沿x軸方向的速度保持恒定，則可忽略動力總成相對車身的縱向運動，而只考慮其側向運動。汽車質心速度、前軸速度（動力總成）和后軸速度的關系如圖2所示，三者在x軸方向的投影均為u。 建立汽車3自由度側向動力學模型的運動方程：

式中：mp為動力總成的質量，kg；m和I分別為以車身為主體的汽車其他子系統的總質量和通過質心繞垂直軸的轉動慣量，kg和kg·m2；k1和k2分別為前軸和后軸的側偏剛度，N/rad；a，b和l分別為其他子系統的質心至前軸軸線、后軸軸線和動力總成質心沿x方向的距離，m；k和c分別為懸置系統在側向的剛度和阻尼；u和v分別為汽車在x軸、y軸方向的速度分量，m/s；ω為汽車橫擺角速度，rad/s；yp為動力總成相對車身的側向位移，m。 在2自由度模型中，假設整車的質量為M，繞z軸的轉動慣量為I0。當模型中引入動力總成懸置系統后，整車可分為兩部分：一部分是動力總成；另一部分是以車身為主體的汽車其他子系統。根據直接測得的整車與動力總成的質量和轉動慣量，計算3自由度模型中車身的質量、轉動慣量和質心位置。

由于行駛工況的變化，并不會對模型分析產生影響，系統分析能夠在任意工況條件下進行，根據阻尼變化高低的情況，對動力總成懸置系統偏頻判斷，當阻尼比較低時則動力總成懸置系統偏頻會明顯上升，車身的加速度也會呈現先大后小的趨勢。汽車總成的運動與非簧載質量的運動具有比較強的耦合。如果動力總成懸置系統頻頻與非簧載質量頻率相等時，汽車的乘坐舒適性以及動力總成對垂向運動控制都將受到不利影響，而如果阻尼偏大，則系統的懸置偏頻會明顯升高，汽車加速度平滑下降。汽車速度比較低的狀況下變化趨勢也并不明顯，對于動力總成懸置系統的偏頻，會呈現明顯下降趨勢。由此可見，當汽車動力總成懸置系統，對車輪剛度影響與車身柔度影響基本保持一致，但是懸架動撓度，在動力總成懸置系統偏頻和阻尼比變化范圍中，車輪動剛度的變化范圍也并不明顯，汽車動力總成懸置系統對車輪動剛度影響，可以忽略不計。

二、動力總成懸置系統對汽車側向動力性能產生的影響

（一）角階躍輸入下的汽車瞬態與穩態響應分析

根據國家標準《GB/T 6323—2014汽車操縱穩定性試驗方法》顯示，在汽車前輪通過增加角階躍輸入進行順態響應試驗時，整個汽車的最高車速按照70%確定，以140km/h為例，角階躍輸入的最終轉角與汽車穩態側向加速度具有明顯的關聯，通過對汽車動力總成懸置系統測向偏頻為5-20Hz的曲線能夠說明，當動力總成懸置系統的偏頻為5-20Hz時，整體的橫擺角響應速度相差不大，但兩者之間的自由響應速度卻存在明顯差別，根據這樣的實驗模型能夠分析，動力總成懸置系統偏頻在可行范圍內，對汽車橫擺角速度影響偏小，當汽車動力總成懸置系統引入之后，卻會對汽車橫擺角速度具有非常明顯的影響，當自由度模型橫擺角速度響應最大值，大于3自由度值。為了能夠準確的對汽車轉向輸入進行響應，必須對汽車動力總成懸置系統進行判斷與分析，當汽車在轉向角階躍輸入下穩態響應之后，整個汽車運動曲線會趨于穩定，最終的穩態值也明顯，預約響應速度保持一致。

（二）角脈沖輸入下的汽車瞬態響應分析

根據汽車最高行駛速度的70%，確定為140km/h，脈沖輸入最大轉角，根據汽車側向加速度來判斷在1s內開始進入，角階躍輸入施加過程為0.3s，當汽車轉向輸入與橫擺角的速度進行復利液變換時，兩者的比值就是橫擺角速度的頻率響應特性。自然流產的相關因素進行分析，現將研究報告總結如下。根據動力總成懸置系統的偏頻進行分析，當橫白角的偏頻響應速度與兩者之間的自由度具有明顯的關聯，當轉向輸入頻率較低時，則2自由度模型與3自由度模型之間的橫擺角速度增益并不顯著，轉向輸入頻率，接近系統的諧振頻率時，兩者之間的橫擺角速度增益，具有非常明顯的差別，當向位置后角頻率小于0.8Hz時，2自由度模型的之后角小于3自由度模型，而當激勵頻率增加到0.8Hz以上時，則2自由度模型的滯后角會明顯高于3自由度模型隨著頻率的增大，兩者之間的差值也明顯增多，這也說明了2自由度模型具有良好的低頻響應速度，3自由度模型具有良好的高頻轉向響應速度，當動力總成懸置系統的偏頻升高時，諧振頻率諧振峰值以及向位置后角也會明顯增加，但是當偏頻升高到15Hz之后，則增加的速度明顯放緩。

三、動力總成懸置裝置對汽車動力學性能的影響分析

如果汽車動力總成懸置系統對垂向偏頻設計合理時，整個動力總成懸置系統的固有頻率應該大于偏頻值，車身以及非簧載質量的固有頻率比沒有明顯變化，且載質量偏頻保持在合理范圍內，動力總成懸置系統的固有頻率也不會發生明顯的變化，如果動力總成懸置系統的垂向阻尼比較低，而且車身加速度會隨著垂向偏頻升高，出現先增大后減小的變化趨勢，這也說明動力總成懸置系統的垂向阻尼較高，對汽車加速度垂上偏頻速度影響較小。如果動力總成懸置系統的頻率比較接近，非簧載質量的頻率會汽車系統的垂向阻力較小，則汽車的加速度也明顯增加，說明動力總成懸置系統的垂向偏頻與阻尼會對整個汽車的懸架動繞度以及車輪載荷量影響沒有明顯關聯，為了判斷汽車對轉向輸入的響應，必須充分考慮汽車動力總成懸置系統，在汽車轉向角階躍輸入下，汽車的橫擺角速度響應也明顯變化，但是測向偏頻的響應時間響應風速和超調量影響較小。隨著動力總成懸置系統的側向偏頻不斷升高，則整車頻率有明顯升高趨勢，也會隨著諧振峰值的增大。但是當向位之后，角增大到一定程度之后，其變化趨勢會明顯減小。

結束語：

本文通過對汽車總成動力總成懸置系統對汽車動力學性能產生的影響進行分析，分別從汽車前軸垂向振動以及3自由度汽車側向動力，兩個方面來探究動力總成的影響變化。根據本文的研究結果顯示，動力總成懸置系統作為低頻減震高頻建造的重要組成部分，對汽車行駛的穩定性和舒適性具有非常重要的影響，如果汽車動力總成懸置系統設置不符合要求，則很難有效提高汽車的乘坐舒適性，必須要確保汽車動力動力總成懸置系統的穩定性。

參考文獻：

[1]孫秋. 基于有限元法的動力總成懸置系統解耦分析方法研究[D].重慶理工大學，2019.

[2]孫志剛，徐偉剛，王軍，劉保國.重型汽車動力總成懸置系統解耦設計[J].山東交通學院學報，2018，26（02）：18-24+31.

[3]周宇杰. 考慮彈性基礎的動力總成懸置系統研究及軟件開發[D].重慶理工大學，2018.

[4]鄭利鋒. 重型載貨汽車動力總成懸置系統匹配分析及實驗研究[D].太原理工大學，2017.

[5]劉貴平. 純電動微型客車動力總成懸置系統對車內NVH性能影響分析[D].沈陽工業大學，2017.