【技研】某前横置动力总成悬置系统的匹配设计

随着汽车制造业的不断发展和人们日益提高的生活水平，人们对汽车的性能提出了更高的需求，汽车的NVH(Noise、Vibration、Harshness)性能便走进人们的视野。

从整车系统来看，产生振动主要原因有两个：一个是来自路面对汽车的随机激励；另一个是动力总成工作时的振动激励。随着我国公路交通的迅猛发展和日益完善的汽车悬架系统，路面的随机激励所产生的振动对整车舒适性的影响已经越来越小。但是目前车身多采用轻量化结构，车身弹性增加，动力总成所引起的振动问题便日益凸显出来。虽然各大主机厂已经在发动机上做出了很多的减振设计（例如三缸机的平衡轴设计），但是发动机工作时仍然存在较为强烈的振动，作为振动传递路径中主要的减振系统——悬置系统的设计就变得越来越重要了。所以如何为动力总成匹配到最优的悬置系统成为了汽车减振理论的主要研究内容之一。

动力总成悬置系统在整车系统中是一个较为复杂的子系统。它需要满足车身对动力总成的静态要求，还需要满足整车NVH的动态要求，其设计过程中需要考虑悬置布局形式、悬置的结构形式及悬置软垫的刚度等多方面因素。

1. 动力总成悬置系统匹配优化前的准备
   

汽车工业经历百年的发展，已经具备了一整套的理论知识体系。基于相应的理论模型我们需要获取动力总成系统中各个部分的基本参数（包括：动力总成的质量、质心位置、转动惯量和惯性积等）。本章节将对此次研究的车型的动力总成悬置系统的基本参数的测量方法进行简要的叙述。

1.1常用单位的定义

首先我们先简单介绍一下我们基于工业生产常用的单位定义，具体如表1所示。

表1单位体系

由于动力总成悬置系统作为整车系统中较为复杂的系统，具有着独自的坐标系系统，下面介绍常用的坐标系：

1.整车坐标系

根据实际车型原点在整车数模坐标原点；X轴由车头指向车尾；z向垂向上；Y向按右手定则确定。

2.发动机坐标系

原点位于发动机后端面与曲轴轴线的交点处，X轴沿曲轴轴线从变速箱指向发动机，Z轴与气缸轴线平行并指向上，Y轴按右手法则确定。

3.动力总成质心坐标系

原点位于动力总成质心处，各轴指向与发动机坐标系对应平行。

除了上述的三个常用坐标系悬置主轴坐标系

为了描述方便，我们在后面的所有描述中非特殊注明的条件下，一般默认选用整车坐标系，测定动力总成基本参数时一般采用的是发动机坐标系，在单独研究动力总成的其他相关问题时多采用动力总成质心坐标系。除此之外，我们还常用一个坐标系——悬置主轴坐标系：针对每个悬置的局部坐标系，以悬置的三个弹性主轴作为坐标轴，原点位于悬置的弹性中心（或硬点）处，用于描述悬置刚度与悬置安装方向。

1.3常用测量仪器

动力总成的质量、质心位置、转动惯量和惯性积等基本参数的测定已经实现了工业化测试，已经由最为简单的三线摆测试试验台进化到多体动力测试试验台，测试误差已经可以控制在1%以内。

图2 三线摆测试试验台（左）     MPC500惯性参数测试系统（右）

1.4动力总成基本参数测量

使用所述仪器得出的动力总成的基本参数一般都是基于发动机坐标系，为了方便描述，我们统一选用整车坐标系，故根据相关定理（例如转动惯量的平行轴定理）等运算转换，或者可以直接借助ADAMS等商业软件实现坐标系间的转换。我这里基于Matlab矩阵计算实现了坐标系间的转换，其结果如表2所示。

表2某车型动力总成基本参数

注：由于商业保密原因，无法提供原始测量数据，表2所有数据均是基于原始数据进行坐标系转换得出整车坐标系下的数据。

2.动力总成悬置系统的设计目标

动力总成悬置系统的基本功能，是将动力总成安装到车辆上并满足舒适度要求，因此动力总成悬置需具备以下功能：

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1. 将动力总成定位和支撑在设计的静态位置，在整车寿命内保持动力总成位置在制定范围内。

2. 降低发动机传到底盘和车身的振动。

3. 控制动力总成的运动满足布置要求和驾乘舒适性要求。

4. 承受动力总成上来自动力总成的力和扭矩。

3.动力总成悬置系统的解耦目标

根据成熟的理论分析计算给出动力总成悬置系统刚体模态及其解耦率的目标见表3所示。

表3 模态及其解耦率的目标

注：未加注明的需要满足各自由度的频率间隔大于1Hz

4.动力总成悬置系统的匹配设计

动力总成是通过悬置系统与车架相连，从而达到衰减发动机工作时产生的振动向车身传递的目的。因此悬置类型、悬置的布局等因素对动力总成悬置系统的固有特性和解耦情况起着十分重要的作用。常见的乘用车对动力总成为前横置布局，本章节就以是横置动力总成为例，阐述其悬置系统的匹配与优化。

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1. 悬置系统中悬置点数目的选择及悬置类型的选择

悬置点的数目是根据动力总成的尺寸、重量、用途和安装方式决定的。乘用车一般采用三点式悬置与四点式悬置。三点式悬置与车架的顺从性最好，并且自振频率低，抗扭转振动的效果好，并且具有构造简洁、安装所需求空间小、设计简便和不易产生定位干涉等优点。四点式悬置的稳定性好，能够克服较大的扭矩反作用力，但是扭转刚度较大，不利于隔离低频振动。实际生产中，主机厂大多根据空间限制，在保证安全性的前提下多选用三点式悬置。本实例中我们选择三点式悬置布局

目前的悬置类型也是多种多样的，总的来说分为橡胶悬置、液压悬置两大类。通常情况下，右悬置多选用液压悬置，左悬置多选用橡胶悬置，后悬置多选用大小衬套的拉杆设计。

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   2.悬置系统布局的选择与硬点的确认

普通乘用车的布置方式主要分为三点式与四点式，三点式一般比四点式少一个前悬置，且后悬置多为拉杆式。三点式与四点式的布置方式示意图如图3所示。

图3 三点式（左）与四点式（右）的布置方式示意图

这两种布置型式布局简单，便于安装。本实例中选用左图中的三点式布局。在此种布局中左、右悬置承载了动力总成绝大部分的重量，多布置在扭矩轴上。根据扭矩轴解耦理论，当弹性轴和扭矩轴重合时动力总成悬置系统的六个方向的振动可实现完全解耦，但是在实际应用中由于空间限制往往不能实现此种布局。故退而求其次，我们一般要求在俯视图（YOX平面）中弹性轴和扭矩轴夹角较小即可。

针对本实例中，结合实际空间位置，尽量的将左、右悬置在俯视图（YOX平面）内布置在扭矩轴附近，其Z向坐标值根据空间位置确定。最终的硬点位置如下表所示，

表4、各悬置硬点位置

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3.悬置系统解耦优化计算

依据能量解耦理论，我们在各悬置硬点处建立正交的坐标轴，将悬置简化为沿坐标轴的的粘性弹簧，然后可以借助ADAMS等商业软件或者自行编辑的优化软件通过多种优化算法计算得出最优的解耦刚度值。本实例中各悬置最优刚度值如表5所示。

在优化计算时应注意悬置三向刚度的比例关系，排除一些纯理论或实际生产中不易实现的刚度比例。另外结合目前橡胶的生产工艺，要确保得出的最优解在±15%波动内仍然满足解耦要求。鉴于对悬置刚度模型的简化，目前绝大部分公司多采用独立编辑的计算小软件进行解耦优化计算。我这里借助集成了一些优化算法MATLAB程序自动寻求最优解，软件界面如图4所示

表5、各悬置刚度值的最优解

图4、基于MATLAB的优化软件截图

在图4中,我们可以看到在悬置系统解耦频率分布方面：动力总成悬置系统的六方向固有频率间隔均大于1Hz，并且Fore/atf与Pitch、Roll间隔均大于2Hz、Vertical与Roll间隔大于2Hz、Roll与Vertical间隔大于2Hz、Pitch与Lateral间隔大于2Hz，满足频率解耦输出要求；悬置系统解耦能量分布方面，悬置系统各个方向能量解耦率均达到输出要求，主要方向Bounce解耦率做到99%以上，Pitch方向解耦率95%以上，其余均在93%以上。综上，这组刚度值满足解耦的固有频率与能量分布的要求。

另外我们输出悬置空间布局（如图5所示）：在俯视图（YOX平面）中弹性轴和扭矩轴夹角为1.224°，前视图（YOZ平面）中弹性轴和扭矩轴夹角为0.126°。满足悬置空间布局要求。

图5、悬置空间布局图

综上所述，我们根据动力总成的尺寸、重量、用途和安装方式悬置了三点式悬置扭矩轴布局，根据悬置类型与车身实际空间分布确定了每个悬置的硬点位置，最后通过优化程序得出满足输出要求的最优刚度解，完成此车型动力总成悬置系统的匹配设计。但这只是完成了静态匹配，后面还需要根据所得最优刚度值设计悬置的刚度曲线以满足动力总成悬置系统的动态输出要求。这一部分我们在后续文章中分享。

5.总结

本文通过某车型的动力总成悬置系统的匹配优化计算讲解了悬置系统的匹配设计的基本过程：由基本概念的定义出发，经基础分析数据的测定、匹配设计的输出要求到后面的悬置点数目的确定、悬置布局的选择、解耦刚度的优化等过程，基本涵盖了解耦匹配的各个过程。

本文旨在根据我个人的工作经验帮助刚刚学习动力总成悬置系统的同学了解整个动力总成悬置系统解耦匹配的基本过程，掌握悬置布局的基础输出要求。至于文中未提及的一些理论或优化方法我会陆续的整理出来。当然由于个人工作经验所致，文中或许会出现一些漏洞或者描述错误，也欢迎大家批评指正。