动力总成悬置系统设计要关注的几大问题

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动力总成悬置基本概念

在设计动力总成悬置系统时，首先要考虑的是悬置位置和数量。通常，此步骤主要受其他车辆考虑因素的影响，例如布置约束和车辆平台之间对通用零件的需求。有几种用于确定动力总成悬置位置的技术：弹性轴悬置方法、打击中心布置，最常见的是使用扭矩轴轴线（TRA）位置[1,2]的方法。该方法确定了无约束动力总成的扭矩轴，然后设计了悬置系统，使承担大部分动力总成重量的支架尽可能靠近TRA。这样做是为了减少发动机在悬置处的Roll激励，并使动力总成的刚体Roll模态解耦。

TRA方法最常用于东西摆放的发动机布置，尤其是I4发动机，因为它们的二阶含量相对较高。因此，这种动力总成通常具有三个或更多的悬置，其中两个悬置承担着动力总成的大部分重量，而其余的则起着限扭的作用。承载动力总成静态重量的悬置通常位于动力总成左右两侧（在车辆坐标系中查看）的TRA上或附近，而防扭限位器用于前部和/或后部。安装南北向动力总成的典型方法是使用三个悬置，两个悬置位于发动机左右两侧的重心附近，用作防扭限位器，支撑着动力总成的大部分重量。第三个悬置位于动力总成的后部。悬置在南北发动机上的位置通常由车架横梁的位置和/或总布置约束来决定。

越来越多的动力总成悬置类型使得悬置的物理特性设计过程比仅仅选择橡胶刚度和阻尼值更复杂，但这仍然是任何悬置设计的第一步。悬置设计的初始阶段应满足系统的静态刚度要求，包括以下[1]：

动力总成重量

最大静态扭矩

车辆加速和转弯

动力总成和车辆共振解耦

在满足静态要求后，应解决动态问题，例如在各种发动机工作条件下的响应和道路/车轮输入。液压悬置可用于降低车轮输入（不平衡激励）在高车速下激励动力总成Bounce频率的影响。然而，使用液压悬置会导致严重的怠速行为。因此，可切换（半主动）液压悬置设计为在更高车速下在怠速和刚性下兼容，通常用于在怠速条件下以及在高车速下提供优越的NVH性能[3]。在发动机振动传输到车身之前，也可以使用全主动悬置来主动消除这些振动。

这些决定需要根据具体情况作出，但行业标准正朝着至少使用液压悬置的方向发展，许多制造商转向可切换（半主动）版本。甚至还有一些豪华车制造商在选定的生产车辆中使用全主动式发动机悬置的例子[4,5]。

发动机激励

动力总成振动的主要激励源是发动机内的惯性力和燃烧力。作为一个例子，图1显示了各种发动机配置的惯性力和力矩的预期阶数内容[6]。基于多体仿真的模型可用于计算发动机激励力，包括惯性力和燃烧力的影响。这种模型的一个例子如图2所示。基于多体仿真的程序的优点是，它适用于传统的和不寻常的发动机概念，并可用于稳态和瞬态分析。使用这种方法，使用以下输入参数计算发动机激励。

旋转、摆动和平衡质量和位置

曲轴系几何结构，包括活塞总成、连杆和曲轴

在所有所需工作条件下，曲轴旋转720度时的气缸压力轨迹

图1：各种发动机配置的惯性力和力矩的顺序内容

图2:V6曲柄传动系统的多体仿真模型

根据发动机的点火顺序，气缸压力轨迹（通过发动机过程模拟、实验测量或数据库获得）应用于活塞表面区域，以提供燃烧力输入。该模型允许根据转速和气缸压力输入模拟谐波和瞬态工况。此外，仿真模型还考虑了曲轴质量分布和燃烧力

动力总成集成仿真

进行动力总成集成仿真的第一步是开发合适的仿真模型。这种模型应该能够评估车辆中动力总成的刚体模式，以及分析动力总成在发动机和轮胎输入（车轮不平衡和道路激励）下的运动。图3显示了一个可用于执行动力总成集成分析的多体仿真车辆模型示例。

具体地说，该模型包括动力总成和车体的刚体表示，具有适当的重心、质量和质量惯性矩的位置值。使用简化的车轮和悬架总成，并提供适当的质量、几何结构、刚度和阻尼信息。动力总成悬置包括使用特定的悬置模型，捕捉静态非线性和频率依赖的动态行为（刚度和阻尼）。发动机激励力（从发动机多体模拟中获得，如图2）应用于车辆模型（图3）中的动力总成（在曲轴位置的中心）。

图3 整车多体动力学模型

通过在车辆模型中的轮胎接触位置施加力，可以研究动力总成对道路输入和车轮不平衡激励的响应。使用该模型还可以模拟四柱振动筛上的车辆试验，以了解车辆对道路输入的敏感性。类似的方法可用于了解车辆对轮胎/车轮不平衡激励的敏感性。这种模拟模型在车辆开发项目早期的实用性描述如下。

如前所述，开发动力总成悬置特性的第一步是针对动力总成的静态要求进行设计。布置要求通常决定了静态负载下动力总成移动的可用空间。根据经验，悬置件的设计应确保在所有三个方向上分别施加到动力总成重心上的力，在每个悬置件上（在给定方向上）产生相等的变形。这样的设计使得动力总成的平移刚体模态解耦。施加力等于动力总成在前部、侧向和垂直方向上的重量提供了在最大线性加速度、转弯和动力总成自重下的悬置处的静态位移。

作为满足静态要求的一部分，最大静态发动机扭矩用于确定在满负荷条件下约束动力总成的运动所需的悬置刚度。在第一传动齿轮中的操作提供了动力总成上的最大扭矩，因此在设计悬置系统时，最大发动机扭矩应该乘以相应的齿数比。

为了保持在动力总成的空间限制范围内，抗扭悬置的设计应随着位移的增加而逐渐变硬。因此，仅在最低齿轮的最大扭矩条件下，所述悬置应在高刚度区域中运行。这将有助于在正常工作条件下（低悬置刚度）将结构噪声传输到车辆中的可能性降到最低，但在高扭矩运行期间仍会限制动力总成的运动。图4显示了I4发动机抗扭拉杆的静态刚度曲线示例。此外，还显示了静态动力总成重量下的抗扭拉杆的工作点（负载和变形）以及发动机满负荷条件下（整个发动机转速范围）的2档扭矩。在本例中，抗扭拉杆在2档的中间刚度区域工作。

图4:I4发动机抗扭悬置的静态刚度

橡胶悬置的阻尼特性由悬置材料的损耗角值决定。如果损失角过高（超过4度），则会牺牲悬置的疲劳寿命[7]。

因此，应选择3-4度的损耗角，以便在不影响耐久性的情况下利用悬置的阻尼特性。

在选择了悬置系统的静态特性后，应评估动力总成的刚体模态。假设动力总成连接到固定在无限刚性表面（地面）上的支架上，就可以对刚体模态进行初步分析。然而，经验表明，车辆和悬架系统会对动力总成的刚体模态频率产生显著影响（高达15%）。因此，应使用车辆模型（图3）对动力总成刚体模式进行评估。该模型应用于确定在怠速时，刚体模态充分地相互解耦和分离，并与发动机的点火频率相分离。

在南北向动力总成上，使用具有相对较高压缩刚度和较低剪切刚度的倾斜发动机悬置来获得较低的动力总成滚动模态频率并不少见[3]。这种悬置系统将Roll模态频率与怠速点火频率分离。通过控制悬置的抗剪刚度，可以使Roll模态与动力总成其他刚体模态进行适当的解耦。

当车辆以公路巡航速度运行时，轮胎/车轮不平衡力会激发动力总成的Bounce模态，从而导致车辆振动问题。液压悬置可以非常有效地衰减动力总成的Bounce模态。这是通过调整液压悬置，使其峰值阻尼频率匹配动力总成Bounce频率来实现的。因此，液压悬置的位置应使其能够承载大部分的动力总成重量，以达到有效的目的。对于东西向的动力总成悬置，这是左右悬置位置（车辆坐标）为了确定动力总成的Bounce频率，利用安装有动力总成的车辆模型，对发动机悬置的静态特性进行了模拟模态分析。一旦确定了Bounce模式的频率，就可以对液压悬置进行建模，以使峰值阻尼效应针对弹跳频率。应注意的是，由于动态刚度的变化，增加液压悬置会改变Bounce频率，因此应相应地针对阻尼。

为了确定使用液压悬置的好处，可以在模型中的轮胎和地面之间的接触位置施加正弦扫掠力，以模拟四柱振动台试验。例如，从0HZ到30HZ、振幅为0.5毫米的扫描足以激发通常位于10HZ到15HZ之间的动力总成的Bounce模式。带或不带液压悬置的动力总成和车辆响应可以用作比较，以确定在给定车辆上应使用哪种类型的悬置。由于车辆模型将动力总成和底盘视为刚体，因此车辆振动水平只能用于与其他刚体仿真结果的相对比较。然而，仿真结果可以与车辆传递函数相结合，以评估车辆在客户接口点的响应。图5显示了在装有I4发动机的车辆上增加液压悬置后，动力总成振动的变化。由于增加了液压悬置，悬置加速度水平降低了60-70%，频率偏移为3-5HZ。

图5 I4动力总成主动侧在四柱振动筛中的响应

测试模拟

如前所述，使用液压悬置的一个缺点是，由于液压悬置的动态刚度增加，可能会导致怠速性能变差。这个问题可以通过使用可切换（半主动）液压悬置来解决，这样，在发动机转速较低时，悬置可以充当普通橡胶悬置，在发动机转速高于1300转/分时，也可以充当液压悬置。这样的设计将减少发动机在怠速条件下的振动传递给车辆，同时提供巡航速度下的舒适驾驶。多体模拟车辆模型（图3）可用于有效设计此类悬置系统。

包括全主动悬置的技术目前也可用[4]。这种悬置在传递到车架/车身之前会主动消除发动机振动。现有技术提供了主动取消某些发动机阶次（通常是点火阶次）以及某些频段的潜力[7 ]。虽然目前主动悬置在的生产中使用的比较有限，但这仍然是一个重要的研究兴趣领域。

气缸缺缸技术因其在提高燃油经济性方面的潜力而受到汽车行业的关注[10]。然而，从NVH的观点来看，气缸缺缸的主要缺点是：主要发动机激励顺序内容的变化、发动机激励幅度的变化（取决于发动机配置）以及气缸激活/失活期间经历的瞬态效应。例如，对于V8发动机，在正常工作条件下，第四级发动机激励是主要问题。如果八个气缸中的四个被停用，二阶激励将占主导地位，通过发动机悬置的动力振幅也相应增加。图6显示了使用基于多体系统的发动机（图2）和车辆模型（图3）获得的通过发动机悬置的模拟力示例。

图6:V8发动机中气缸停用的发动机悬置力顺序内容

与I4发动机的二阶内容相比，现代V8发动机的四阶内容通常不会引起很多振动问题。因此，V8发动机的悬置布置通常不如I4发动机的重要。然而，当V8发动机在四缸模式下工作时，二阶内容变得重要，相应的问题可以通过TRA悬置方法解决。现有的主动悬置技术可用于抑制发动机在四缸模式下运行时的二阶振动。还需要解决与气缸激活/停用相关的瞬态振动，并对发动机管理系统进行适当的修改，这超出了本文的讨论范围。

参考文献

1. T. Vietor, R. Deges, N. Hampl, K.Burger, “Robust Design of Elastic Mounting Systems”, SAE Paper 971933

2. M. Muller, U. Weltin, D. Law, M.M.Roberts, T.W. Siebler, “Engine Mounts and NVH”, Automotive Engineering, July1994, pp. 19-23

3. C. Lewitzke, P. Lee, “Application ofElastomeric Components for Noise and Vibration Isolation in the AutomotiveIndustry”, SAE Paper 2001-01-1447

4. Website: http://www.nissanglobal.com

5. Website: http://www.envisys.com

6. Bosch Automotive Handbook (4th Edition),pp. 390391

7. W.C. Flower, “Understanding HydraulicMounts for Improved Vehicle Noise, Vibration and Ride Qualities”, SAE Paper850975

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来源：汽车NVH云讲堂

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首次发布时间：2023-04-12

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