汽车前置前驱动力总成悬置系统设计优化
【摘要】本文介绍宝骏一款前置前驱动力总成悬置系统优化设计方案，包括发动机悬置的结构方式选择、发动机舱布置、悬置刚度匹配优化以及实车的主观评价及测试等内容。可以供相关技术人员作为设计参考。动力总成悬置系统作为连接动力与车身的重要结构,它主要起以下几个作用：1.固定和支撑动力总成：将整个动力总成安装在车身上。2.限制动力总成的最大位移:发动机在各种工况下，受到极限的力，悬置应能有效的限制其最大位移，以避免与相邻零件的碰撞与干涉。3.隔振作用：不仅隔离总力总成内部激励引起的振动及高频噪声传递到车身，也隔离由于不平路面的引起的车辆振动反向向动力总成的传递。技术的突飞猛进，人们对汽车的舒适性有了更高的期许。本文设计优化了一套适用于前置前驱发动机的悬置系统，能有效的隔离振动和噪声，改善了整车NVH性能，提升了乘坐的舒适性。悬置系统设计需要获取相关的动力总成参数作为设计的基础，主要的动力参数有: 发动机缸数、最大功率动及最大扭矩，怠速的转速，变速器的各档速比及主速比，动力总成的质量、质心及转动惯量，动力总成质心坐标与整车坐标夹角。具体数据见表？所示此车型采取的是已量产的平台车身，承载式车身结构，动力驱动为前置前驱，发动机排量1.5L匹配手动变速箱。悬置系统匹配车身及动力总成，采取的是常见的三点钟摆式布置，左悬置为橡胶悬置，右悬置为液压悬置，后悬置采取拉杆悬置的形式，左右悬置作为承载悬置支撑绝大部分动力总成重量，拉杆悬置用于控制动力总成在扭矩作用下的位移和转角。根据动力总成参数，计算出动力总成TRA轴在空间的位置，悬置的位置选择很关键，悬置弹性中心点与扭矩轴的X向距离要在20mm内，这样NVH性能会较好。悬置布置简图见图1，TRA轴悬置分布见图2、图3。
本文以能量解耦为目标函数，合理分布各阶频率，以三个悬置的三向刚度为变量，计算动力总成的能量解耦分布。 悬置系统的基本作用是隔离动力总成产生的振动及路面传递给动力总成的振动。系统对振动隔离程度的大小通常用传递率来描述。传递率是动态输出与动态输入的比率。当激励频率fd较低、固有频率fn较高时，即频率比小于1，传递率T大于1且随频率比的增加而增大；当激励频率接近于固有频率时，传递率幅值出现最大值，此为共振；当激励频率与固有频率的比率小于时，传递率总是大于1，因此只有当激振频率fd与固有频率fn之间的比值大于，悬置才能起到隔振作用，见图4。
此项目发动机为四缸四冲程，发动机怠速转速为750RPM，根据计算（激励频率＝发动机转速×阶数/60），得出固有频率需小于18Hz。而人体对振动比较敏感区域为5~7Hz，则固有频率需要大于7Hz。因此确定动力总成悬置系统固有频率范围为7~18Hz。动力总成和悬置所组成的系统是一个复杂的弹簧—质量系统，动力总成悬置系统的振动耦合在6个自由度之间均可能存在，振动耦合不利于隔振，因为两个耦合振动的模态可能产生相互激励，导致振动放大，并使某些自由度的振动频带变宽，从而使隔振性能下降，通过合理的选择悬置的位置、方向及刚度等参数，可以有效的减小或消除耦合振动。根据以往的经验，在两个主方向上的解耦率均需达到90%以上，解耦率目标见表1。
MATLAB是美国Math Works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。ISIHGHT通过一种搭积木的方式快速耦合各种仿真软件，将设计流程、优化算法、近似模型组织到一个统一的框架中，自动运行仿真软件，完成“分析-优化-模型修正-再分析再优化”整个流程，使整个设计流程实现全数字化合全自动化。首先将现有相似车型的悬置刚度作为基础值，应用MATLABR的解耦计算，输入新的动力总成相关参数，会得到一组新的模态及解耦率。如频率或解耦率不符合要求，刚需进行刚度优化。打开Optimization,如图5，先确定可以作为优化的输入变量，一般为悬置的位置及刚度，同时确定约束变量，如频率的范围，悬置的变形量等。接下来确定需优化的输出变量，如将主方向的解耦率最大化。运行程序，将会计算出许多组刚度值，及对应的模态和解耦率。最后需考虑悬置主簧的制造因素，三个方向的刚度是否可以实现，选择一组能符合条件的刚度值。此项目选取的刚度见表2，优化后的解耦率见表3 。
解耦分布的结果很好，但最终还是得以实车的测试数据为准。实车测试一般包括悬置的隔振率，方向盘及座椅的振动，前后排的噪声测试。测试悬置隔振率，主要依靠测试悬置的主动端及被动端的振动加速。三个悬置隔振率，尤其是主方向的，需达到大于20dB的目标值。隔振率的测试工况包括迨速开、关空调及三档WOT。此项目的隔振率测试结果见表4，结果基本合格。
表5为振动/噪声的测试结果，从结果显示基本满足要求。测评者主观感受良好，没有感受到明显的振动及异响啸叫声。
实车测试结果表明，此项目的悬置NVH性能良好，符合设计要求。目前国内外对于悬置系统的研究已十分成熟，而本文通过一个新项目，根据实际的工件需要，通过对解耦率进行优化，分析结果以及实车的测试结果都很好。因此，该优化方案具有可行性及一定的设计指导意义。[1] 上官文斌，黄天平，徐驰，等．汽车动力总成悬置系统振动控制设计计算方法研究［Ｊ］．振动工程学报，２００８，２０ （６）：５７７-５８３．[2]范让林, 吕振华. 刚体－弹性支承系统振动解耦评价 方法分析[J]. 工程力学, 2006,23(7): 13－1[3]吕兆平.能量法解耦在动力总成悬置系统优化设计中的运 用[J].汽车工程,2008,30(6):523-526.往期相关推荐
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首次发布时间：2023-04-13
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