某轻卡动力总成悬置系统振动传递特性试验研究与优化设计

吴文江¹，王务林²，顾灿松²，李洪亮² ，何森东²

（1.天津大学,天津,300072；2.中国汽车技术研究中心,天津,300162）

摘要：文章针对某轻型卡车驾驶室振动剧烈、室内噪声较大等问题，对其动力总成系统进行了振动传递特性的试验研究。通过研究动力总成悬置系统对振动的传递特性，找到引起整车振动的主要问题。通过建立ADAMS分析模型，并针对原系统建立切实可行的优化模型，应用该模型有效的解决了原车振动剧烈的问题，并为工程实践提供了思路。

关键词：动力总成；NVH；传递特性；优化设计；能量解耦

1 引言

发动机及与其刚性连接的变速器、离合器等组成的动力总成系统是汽车车体中最大的集中质量，发动机工作中产生的不平衡惯性力和力矩是引起汽车振动的主要激励源之一。动力总成的振动通过其悬置系统传递给车身。因此，动力总成悬置元件参数的正确选择与合理布置对提高整车的NVH性能相当重要^[1]。本文针对某轻卡驾驶室振动剧烈，对其动力总成悬置系统的隔振特性进行了试验研究，并根据悬置件特性建立其ADAMS简化分析模型，直接以车架一侧的振动加速度为优化目标，建立其悬置系统优化模型，有效的解决了原系统中存在的问题。

2 动力总成振动测试

2.1测试车辆状态描述

在驻车状态下，车身的振动主要是由发动机作为激励源通过悬置系统传递过来的。本试验研究的轻卡装配的是直列四缸四冲程柴油发动机，发动机最低稳定转速750rpm、额定转速3400rpm。相对台架试验来说，直接在发动机装车状态进行振动测量能更好的与实际相吻合。为了减少发动机不平衡干扰力对车架的影响，该车的动力总成系统是采用三点橡胶弹性支撑安装在车架上的，出于解耦的目的，在发动机的两侧呈V型布置了两个悬置点，在变速箱上布置了另外一个悬置点，悬置点的布置如图1。三点悬置与车架的顺从性较好，不受车架变形的影响，而且固有频率低，抗扭转振动的效果好^[2]。

图1 动力总成悬置及其布置示意图

2.2测点布置

我们在各个悬置点附近车架与发动机上分别布置三向加速度传感器，为了保证测试结果的准确性，测点应尽量与悬置靠近且传感器应粘贴在刚性较强的结构上。因为影响车辆乘坐舒适性的主要是发动机Z向（与地面垂直方向）激振力，因此对这个方向的测试信号进行重点处理，另外两个方向信号仅作参考。

2.3信号采集及数据处理

本试验采用北京东方所的INV振动噪声测试设备及压电型加速度传感器。为保证能准确描述额定转速范围内车辆的振动状况，采样频率范围应包括发动机从稳定转速到10倍最高转速时发动机的发火频率。测量工况应能反应车辆各种状态下的振动特性。参数设置如下：

分析频率：1000Hz

采样频率：2500Hz

采样时间：5s

三向加速度传感器灵敏度：I_x=1.3mV·s²/m；I_y=0.83V·s²/m；I_z=1.13V·s²/m

测量工况：空载、驻车状态、发动机转速分别为750rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm、3000rpm、3400rpm

3 测试结果分析

为了验证各对应测点信号的相关性，我们对同一悬置点、同一方向的测试信号进行了相干分析，从比较结果来看，各对应测点振动加速度信号的相干系数均较高，说明测试数据可以用于后续的分析^[3]。对各工况下采集的振动加速度信号进行频谱分析如图2，得到各悬置点在不同工况下的加速度有效值，对其Z向加速度传递率进行对比分析如表1。

图2测试信号频谱分析

从表1可以看出，动力总成左右两侧悬置衰减后振动加速度的有效值相对于衰减前均比较小，传递率普遍高于20dB，表明悬置系统具有较好的减震效果；而后悬置衰减前后的加速度有效值变化不是很大，传递率也只有6~7dB，可以断定后悬置没有起到隔振效果。后悬置布置在变速箱顶部，从下表数据也能看出，变速箱的振动较发动机的振动剧烈，其振动加速度有效值比发动机普遍要高出进一倍。

传递率是指主动边振动大小与被动边振动大小的比值，如果传递率越大，那么隔振器的隔振效果就越好。通常当传递率大于20dB的时候，这个隔振器被认为是满足设计要求的隔振器^[4]。

加速度的传递率用分贝形式表达为：

表1不同工况下各悬置点振动加速度传递特性

数据和图表均表明，发动机左、右悬置对振动起到了较好的衰减作用；变速箱的振动较发动机要剧烈，而且后悬置对衰减变速箱的振动没有起到理想的效果，究其原因可能是以下几点：

（1）后悬置点的位置布置不当，没有将其定位在动力总成歪曲振型的节点上；

（2）后悬置弹性橡胶减震器的参数选择不合理，通过调整减震器的刚度、阻尼也许能起到较好的隔振作用。

另一方面，采用Matlab软件进一步编程计算出动力总成悬置系统模态能量分布矩阵，如表2所示。可见，除第1阶模态能量解耦程度很高之外，其他各阶模态能量解耦程度均较差。因此有必要对原悬置系统进行优化设计。

表2系统模态能量分布矩阵

4.系统建模与优化设计

4.1动力学模型的建立

基于以上分析，利用ADAMS/VIEW建立动力总成悬置系统简化模型如图3所示,该简化模型隐去了发动机机体的实体模型，但保留了动力总成的质量及转动惯量等参数；其中后悬置由于有两个橡胶块，建立模型时简化成了两个悬置点，这样原动力总成悬置则相当于为四点悬置。

图3动力总成悬置系统简化模型

4.2优化模型

4.2.1目标函数

动力总成在其内在激励作用下产生振动，并通过悬置向车架、车身传递振动，最终为车内乘员所感知。显然，如能降低悬置点处车架一侧支反力的动态响应幅度，则可有效抑制传向车架、车身的振动。因此，这里以4个悬置点处车架一侧支反力动态响应的幅度之和为最小作为实施优化的目标函数。

4.2.2设计变量

该车型动力总成的选型已定，总布置也不允许轻易改变。因此，按照主机厂要求，改进的重点是对悬置件刚度进行合理调整。注意到悬置结构的左右对称性和材料一致性，这里引入如下6个设计变量：

（1）前悬置弹性主轴w方向（沿螺栓轴线）的拉压刚度；

（2）前悬置弹性主轴u方向（平行于曲轴轴线）的剪切刚度；

（3）前悬置弹性主轴v方向（垂直于w、u平面）的剪切刚度；

（4）后悬置弹性主轴w方向（沿螺栓轴线）的拉压刚度；

（5）后悬置弹性主轴u方向（平行于曲轴轴线）的剪切刚度；

（6）后悬置弹性主轴v方向（垂直于w、u平面）的剪切刚度；

4.2.3约束条件

从工况条件出发，依据有关振动理论并结合工程经验，确定出如下的优化设计约束条件：

（1）悬置点处动力总成一侧的位移动态响应幅度不大于10mm；

（2）质心处的位移动态响应幅度不大于5mm；

（3）为避免系统模态频率干涉悬架偏频，w方向刚度不小于200N/mm；

（4）为避免系统模态频率接近怠速频率，w方向刚度不大于800N/mm。

4.3优化结果

调用ADAMS/View的“DesignEvaluationTools”之“Optimization”，求解上述优化模型，获得如表3所示的设计变量优化结果，其优化效果见图8。可见，优化后的目标值降低45%以上，效果非常明显。并且，优化后前悬置主刚度（螺栓轴线方向）获得增强、后悬置主刚度（螺栓轴线方向）获得减小。这里需要说明的是，考虑到悬置弹性元件结构几何尺寸的协调性，在优化时将u、v方向的刚度置为一致。

另一方面，再由Matlab计算出优化后的系统模态能量分布矩阵，如表4所示。与表2对比可见，系统模态能量解耦状况总体上获得了一定程度的提高。

表3设计变量的优化结果

（a）目标函数

（b）前左悬置处车架一侧支反力响应    （c）前右悬置处车架一侧支反力响应

（d）后左悬置处车架一侧支反力响应     （e）后右悬置处车架一侧支反力响应

图8优化效果：实线——优化前；虚线——优化后

表4优化后的系统模态能量分布矩阵

5结论

（1）通过对不同工况下悬置点的振动加速度传递特性的研究分析，从而判断出悬置件对发动机振动衰减的优劣，为后续的分析与改进分析提供了依据。

（2）针对动力总成系统，提出切实的优化模型，为工程中研究或解决此类问题提供了思路。

参考 文 献

[1]陈 南主编.汽车振动与噪声控制[M].北京：人民交通出版社，2005：100~115

[2]汽车工程编委会.汽车工程手册，设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001：281~288

[3]陈连云，韦超毅，周孔亢.新型发动机悬置系统的设计[J].广西大学学报（自然科学版）2005，30(2)

[4]庞剑，谌刚，何 华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006，6：256~262

[5]周垚翁,建生.R11动力总成悬置系统设计分析与试验研究.汽车科技，2006，04-0035-05