基于振動靈敏度的某商用車動力總成懸置改進

沈保山，劉治彩，王康

(無錫職業技術學院，江蘇無錫 214000)

0 引言

動力總成的工作方式決定了它將作為一個較為強烈的振源，影響著車輛的NVH性能。而動力總成懸置系統除具備支撐動力總成質量、避免動力總成與周邊附件發生干涉的基本功能外，減少動力總成與其支撐部件間的振動傳遞也是其主要功能之一。合理的匹配設計，不僅可以有效衰減振動，提高車輛的NVH性能[1]，而且能夠延長動力總成的使用壽命。但是，對在產車輛性能提升的過程中，受成本、服務、空間布置、通用性、開發周期等因素影響，無法對整個懸置系統進行全新開發，如何在改動較小的情況下，明顯提升車輛的NVH性能成為了需要重點解決的問題。

本文作者在對懸置各安裝點進行振動靈敏度分析后，明確了前懸置位置對車身關鍵點振動影響較大，然后利用能量解耦及多目標優化算法，以前懸置剛度為變量，以頻率分離和解耦率為約束條件，以解耦率加權和最大為目標函數，進行了懸置系統的優化，并完成了振動性能試驗測試，驗證了改進效果。

1 整車振動問題簡介

1.1 現象描述

怠速(發動機轉速約 600 r/min)時，車身抖動較大，且持續存在。在駕駛員座椅導軌處布置振動加速度傳感器進行測試，測試結果顯示，抖動頻率約為30 Hz，與發動機二階激勵頻率相吻合。

1.2 原因分析

通常，對于整車抖動的系統問題，需要分別分析振動源和傳遞路徑。文中振動問題的振動源較為明顯，即發動機對外做功產生的二階振動激勵。該激勵通過懸置—車架—車身懸置—車身—座椅等部件將振動傳遞至人體。在對動力總成懸置及車身懸置隔振測試中發現，動力總成懸置的綜合隔振率低于70%。動力總成懸置隔振率低是引起整車怠速抖動的主要原因。

2 關鍵點振動靈敏度分析

為了兼顧成本及效率，保證整改效果，文中利用HyperMesh軟件建立了包含車架總成(含發動機懸置支架)、車身懸置、車身總成等部件的有限元模型，如圖1所示。在動力總成4個支撐點上施加一定頻率范圍的單位載荷的掃頻激勵，以座椅導軌安裝點為響應點，求解系統的振動傳遞函數如圖2、圖3所示，考察車內關鍵點對主懸置點的靈敏度。

圖1 傳函計算有限元模型

圖2 動力總成左前(后)-座椅導軌路徑振動傳遞函數

圖3 動力總成右前(后)-座椅導軌路徑振動傳遞函數

由圖2和圖3可以看出，在怠速頻段附近，座椅導軌的振動對前懸置激勵的靈敏度較大，即提升前懸置的隔振性能對降低車身抖動問題更有效果。因此，文中在保證后懸置結構不變的情況下，重點通過優化前懸置剛度，提升懸置隔振性能，從而提升乘坐舒適性。

3 懸置系統的優化

該動力總成支撐為四點懸置，懸置的局部坐標U、V、W分別與整車坐標系X、Y、Z對應，即懸置與水平面夾角為0°。

3.1 數據準備

懸置系統優化所需的參數包括動力總成的質量、質心、轉動慣量及懸置剛度等。文中利用慣性參數識別試驗臺測得動力總成各參數，具體數值見表1。采用剛度測試試驗臺獲得各懸置的各向剛度，具體數值見表2，其中局部坐標U、V、W分別與整車坐標系X、Y、Z對應。

表1 動力總成慣性參數

表2 懸置各主軸動剛度 N/mm

3.2 原懸置系統解耦計算

根據上述參數，使用ADAMS軟件運用能量解耦理論進行解耦計算[2]，計算結果見表3。

表3 前六階頻率和解耦率

由計算結果可知，第一、三階解耦率低于75%，且第一、二階頻率間隔較小，不符合頻率分離和解耦要求。

3.3 前懸置剛度優化及效果

使用MATLAB編寫多目標優化程序[5]，得出最優的一組動剛度組合，圓整后的前懸置X、Y、Z方向的剛度值分別為488、488、1 200 N/mm，并將優化后的動剛度輸入ADAMS中，進行動力總成懸置系統計算，計算結果見表4。

表4 優化后方案的固有頻率和解耦率

由表4可知前六階解耦率均大于85%，主方向的頻率間隔大于2 Hz，次方向的頻率間隔均大于1 Hz，滿足頻率分離和解耦要求。

4 試驗驗證

試驗之前，首先對目標車輛進行熱車，將冷卻液的溫度升到70 ℃。然后，將數據采樣頻率設定為512 Hz，按照試驗信號記錄時間不低于1 min的要求，采用多通道數據采集系統分別測試前、后懸置在怠速及緩加速工況下主、被動側的加速度及怠速時座椅導軌的加速度。經過數據處理得到以下結論：

(1)怠速工況，動力總成懸置的綜合隔振率達到了86.92%，較改進前提升了17.50%，其中前懸置的綜合隔振率提升了20.3%，懸置隔振率得到較大提升；

(2)緩加速工況沒有出現共振現象；

(3)怠速時，座椅導軌處的振動烈度由4.2 mm/s降為1.9 mm/s，改善明顯。

5 結論

(1)通過對座椅導軌振動加速度、動力總成懸置隔振、車身懸置隔振等的測試，明確了動力總成懸置系統隔振率低是產生整車抖動問題的主要原因，為怠速振動問題的解決提供了思路；

(2)通過建立包含車架總成、車身懸置、車身總成等部件的有限元模型，計算了從懸置點到座椅導軌安裝點的振動傳遞函數，并結合原懸置隔振測試結果及實際生產需要，確定了通過改變前懸置來提升懸置系統隔振性能的思路；

(3)利用能量解耦合多目標優化算法，得到了前懸置各向剛度的最佳值，并對新懸置系統的解耦率進行了預測，為懸置系統隔振性能的優化匹配提供了方法；

(4)懸置系統的隔振試驗及導軌安裝點的振動測試結果表明，該方法能夠在產品改動較小的情況下，明顯提升懸置系統的隔振及車輛的NVH性能，對產品改進具有較大的工程指導意義。