发动机悬置策略对汽车NVH的影响

Effect of Engine Mounting Strategy onVehicle NVH

D. S. Sachdeva and R. Hadi

Vibracoustic North America/Freudenberg-NOK(FNGP)

Copyright . 2003 SAE International

摘要

动力总成悬置系统的主要任务是保持动力总成在车辆中的正确位置，提供良好的运动控制和良好的隔离。虽然有各种其他的要求和约束，本研究的重点是NVH方面。虽然大多数悬置系统具有相同的主要功能，但在汽车工业中使用的悬置系统种类繁多。本文研究了动力总成-刚体-模态耦合和解耦的设计策略。这些策略要求固定在地面上的动力总成的刚体模态具有一定的耦合或解耦特性。由于与动力系统相关的NVH受其在车辆中的行为影响，这通常与地面上的行为大不相同，因此本研究探讨了此类策略的有用性。本研究比较了三种常用的策略。通过观察车辆模型对车轮和动力系统输入的响应，比较了所有解耦模式、耦合弹跳扩展模式和耦合弹跳滚动模式策略。然后对这三个系统进行优化，使车辆对这些输入的响应最小。将优化后的动力系统的地面刚体模态与其初始出发点进行了比较。这项研究强调了使用这种基于建模的技术来优化动力总成悬置系统，这种技术可以在程序的早期阶段使用，在任何资源用于构建原型之前。

前言

动力总成悬置系统的主要任务是保持动力总成在车辆中的正确位置，提供良好的运动控制和良好的隔离。虽然大多数发动机（动力总成）悬置系统具有相同的主要功能，但在汽车工业中使用的悬置系统种类繁多。基于不同的设计理念，我们采用了大量的设计策略，以达到更好的隔离、运动控制和耐久性的目的。事实上，除了安全和当今高度竞争的行业环境的其他需求之外，还有许多其他要求和限制。这项研究的重点是NVH方面的动力总成悬置策略。

以NVH为中心的设计策略，最常用的，倾向于分为两种基本类型，在方式上是截然不同的。一种是基于研究和操纵动力系统相对于车身和底盘系统模式的模态对准，目的是尽量减少它们之间的有害相互作用。另一种方法是基于车辆级的直接优化，通过操纵设计参数来最小化给定激励下的车身响应。这项研究将两种方式对立起来，因为它从模态方法开始，然后使用直接优化来查看设计是否可以进一步改进。

本文研究的策略属于模态对准方法，或者简单地说，模态方法。在接下来的讨论中，术语策略意味着一种基于模态对齐的方法。在汽车工业中，通常听到的一些关键策略涉及扭矩轴、惯性轴、模态耦合系统以及模态解耦系统等术语。不同的制造商可以使用不同的方法实现相同的策略。根据成本、重量、性能、NVH和特定品牌和/或产品形象的其他目标等，可以找到三个、四个甚至五个安装系统，通常与一个或多个支柱或滚动限制器组合在一起。这些都是不同的方式或方法，试图实施特定制造商或系统供应商所采用的设计策略，以实现其设计标准和优先级方面的目标。

本研究所探讨的悬置策略包括动力系统在其悬置上的模态耦合与模态解耦。这些也被称为动力总成的刚体模态，因为它会坐在与地面相连的底座上，即忽略车身、底盘、悬架等的影响。这些模式被称为“对地”模态。当所讨论的模态是针对安装在车辆中的动力传动系统时，如果车身、底盘等的影响不被忽略，则它们被视为“对车”动力传动系统模式。在本文中，“模态”一词在没有限定条件的情况下，将意味着对地模式。当上下文清楚地表明正在谈论的是哪种模态时，可以省略限定条件，以避免不必要的重复。

作为一个刚体，动力总成通常有六种振动模式。在汽车工业中，这些通常被称为垂向，横向和纵向的平动模态和Roll，Pitch和Yaw的转动模态。最常用的车辆坐标系是这样设置的，即x轴是纵轴线（正后方），y轴是横向轴（正对着车辆的右手或乘客侧），z轴是垂直轴（正向上）。Roll模式是绕X轴旋转，Pitch约为Y轴，Yaw是绕Z轴的旋转。

关于横向安装动力系统（也称为东西安装）的模态，如这里的情况，需要澄清的是，这里使用的模态定义是关于车辆坐标系的。因此，与曲轴Y轴（横向）平行的曲轴系的动力总成旋转被视为Pitch模式。类似地，动力总成Roll是围绕车辆X轴（纵向）旋转的。

在完全解耦的系统中，这些模态都是相互独立的，也就是说，z方向的激励输入只在该方向上产生响应，而在任何其他模式下都不产生响应。然而，耦合了Pitch和Bounce（垂直）模式的系统，其行为将使得垂直输入产生垂直响应和Pitch响应。类似地，在Roll和Bounce中耦合的系统，即使只有一个输入（Z或Roll）存在，也会在系统中产生Z和Roll运动。

模态耦合通常用模式间的动态能量分布来描述。动力总成的每一个刚体本征频率都有其能量分布在不同的振动或运动模态——X、Y、Z、Roll、Pitch和Yaw。在一个完全解耦的系统中，每一个刚体模态的所有能量都集中在一个模态上，使得每个本征频率（模态频率）与一个振动模态对齐。通过在柱状图上绘制模态能量与模态频率的关系图，可以很容易地将给定的动力总成悬置系统定性和定量地划分为耦合或非耦合。图1显示了100%解耦系统的动能图，图2显示了Z（垂直）和Roll之间耦合系统的能量图。应该注意的是，图1中的图完全是假设的，在实际系统中几乎不可能实现，因为所有的布置和其他限制都施加在实际系统上。通常，如果一个本征模态在一个单方向中具有大约90%或更大的能量，那么该模被认为是解耦的。

图1 各模态完全解耦的能量分布图

 图2 Bounce和Roll模态耦合的能量分布图

驱动各种悬置方法的基本信念是，激励动力传动系统的能量，无论其来源如何，都必须以某种方式进行管理，要么通过耗散，要么通过将其引向远离乘客舱的方向。没有完美或理想的系统，而且大多数系统，毫无疑问，将涉及这两个过程，以不同的比例组合，这在确定车辆的“味道”方面起着主要作用。例如，一辆豪华车，其设计非常豪华和安静，将有一个非常不同的动力总成悬置策略和设计方法，从说，一辆跑车，这是一个非常紧凑和反应迅速的市场车辆。运动型汽车的驾驶员可能不介意，甚至可能更喜欢运动型动力总成的更高振动和声音水平，它具有很大的扭矩和功率，这可能需要一个更硬的悬置系统来限制动力总成在硬加速和制动时的旋转和行程。豪华车战略的重点很可能是隔离相同的动力总成振动和“噪音”，因此需要更柔和的动力总成悬置调整。换句话说，对一个车辆动力总成套件有好处的东西对另一个可能是完全不可接受的。

然而，不管车辆的NVH目标是什么，通过使用分析工具来了解动力总成悬置策略与车辆响应特性之间的关系，我们可以更有效、更经济地实现这些目标。下一节详细介绍了分析评估耦合与非耦合模态悬置策略的整个过程。它包括将车辆响应与典型道路激励以及动力总成激励进行比较，并与正在研究的每个悬置系统进行比较。

主要部分

问题描述

为了评估耦合与解耦悬置系统的策略，选择了一个动力总成车辆系统作为分析试验台。该试验台系统在各种分析运行之间保持恒定，并允许在被评估的悬置系统之间进行A-B比较。所比较的设置之间的唯一区别是定义悬置系统的参数，如安装位置和悬置刚度率。支架的阻尼在两个方案之间保持不变。通过将试验台模型置于一组激励下，并测量响应，可以研究和比较悬置系统的效果。使用的激励是（1）前轮输入，（2）后轮输入和（3）动力总成输入，一次一个。

对于所研究的每个悬置策略，基于特定悬置策略的设计准则合成了一个悬置系统。例如，为了评估bounce-pitch耦合模式策略，设计了一个系统，使其具有接近50-50耦合的bounce-pitch模态（意味着这两个模式中的每一个模式在该模式下具有约50%的动能），而其他模式将至少90%解耦。使用在MathWorks Matlab环境中工作的内部软件，优化悬置位置和悬置刚度率，以提供每个悬置策略所需的模态特性。创建动能图，以检查能量分布及其对设计策略的可接受性方面的结果。如果不可接受，则重复上述过程。一旦能量分配被认为是可接受的代表特定的设计策略，设计参数---三轴刚度和位置数据的动力总成悬置被转移到试验台---全车ADAMS模型（多体动力学模型）。然后分析了车身对前轮输入、后轮输入和发动机扭矩输入的频率响应。

研究了三种安装系统策略：1）解耦系统，2）bounce and roll模态耦合的系统，3）bounce and pitch模态耦合的系统。图3显示了解耦系统的能量分布。这代表一个实际的系统，因此所有模式都不是100%解耦的。如前所述，图1的能量图是一个假设的、100%解耦的系统，它实际上并不存在。图4显示了bounce and roll耦合系统的能量分布，而上面的图2显示了bounce and pitch耦合系统的能量图。

图3 一个实际解耦系统的模态能量分布图

 图4 bounce-pitch耦合系统模态能量分布图

结果和讨论

前轮输入

为每个输入和设置创建车辆响应图并进行比较。图5显示了车身垂直（Z方向）加速度对前轮垂直同相输入的响应。对于前轮垂直方向的输入，通过Bounce-Pitch耦合模态调谐得到了最低的车身垂直响应，而最高和最差的响应来自bounce-roll耦合的情况。当然，响应越低，对NVH越好。

图5 车身对前轮垂直同相输入的垂直加速度响应（越低越好）

图5的结果告诉我们哪个模态耦合对这个输入是最好的，哪个是最差的。从最佳调谐的悬置速率（即bounce-pitch耦合模态）开始，并使用整车adams模型进一步优化悬置速率，以最小化车身对相同前轮垂直输入的垂直响应。这种优化类似于前面提到的直接优化方案，在这种方案中，对给定输入的悬置刚度进行操作，以直接最小化车身响应。唯一不同的是，优化的起点来自于一个特定的策略。由于知道优化的起点对优化结果至关重要，因此对其他两个调整也重复了此过程。对于每种情况，悬置位置都没有改变，而不是每个特定的调整所要求的位置。只有悬置刚度的优化操作。执行这些优化的目的有两个：1）查看直接优化是否可以改进这些结果，2）查看如何使用这些调整作为起点，影响优化。当然，这涉及到发动机悬置设计的模态对准方法与响应优化方法的基本问题。在某种程度上，这项研究试图通过将两种方法对立起来来解决这个问题。

由于大多数优化方案通常只找到局部优化，因此上述调整被用作单独优化运行的起点。通过调整12个悬置刚度（每4个悬置有3个方向），优化方案能够在局部设计空间收敛到最优调整。图6显示了与起点的响应相比，优化的响应。此图显示了六条曲线，其中前三条是图5中三次调整的响应曲线，如前所述，这三条曲线用作三次单独优化的起点。另外三条曲线是车辆模型直接优化得到的三条调谐响应曲线，以前三条曲线的调谐为起点。更详细地说，图6中的曲线4是通过优化车身响应的发动机悬置获得的调谐响应曲线，使用车辆模型和所有解耦模式的调谐作为优化的起点。换言之，给予曲线1响应的调谐是给予曲线4响应的优化的起点，曲线4被标记为“从所有装饰中优化”。类似地，给出曲线2响应的调谐是给出曲线5响应的优化的起点，曲线5被标记为“从bnc pitchcoup优化”。曲线6，标记为“从bnc rollcoup优化”，是以曲线3的响应为起点的优化响应。

图 6三种模态策略与以这些策略为起点的优化响应的响应比较（详细说明见正文）

从图6中的响应曲线可以看出，在所有解耦模式的情况下，从起点（比较曲线1和4）不能有太大的改善。这同样适用于bounce & roll耦合情况（比较曲线3和6）。然而，bounce and pitch耦合的情况已经是三种情况中最好的，通过优化进一步得到改善（比较曲线2和5）。实际上，曲线4和6看起来与它们各自的起点相同，因为优化只稍微改变了悬置刚度。然而，从bounce and pitch耦合调谐开始的优化，将结果提高了约35%（曲线5），也导致了悬置刚度的显著变化，变化范围从-2%到+105%。不过，值得注意的是，由此产生的系统的模态耦合特性与其起点的模态耦合特性相比仍然没有太大的变化。换句话说，最优系统也有耦合的bounce and pitch模式，就像它的起点一样（图4的系统）。优化系统的模态图如图7所示。

这似乎表明，这三个优化的起点都接近于给定目标的局部优化，即车身的垂直响应（前轮垂直激励）。前两种情况比后一种情况更为严重，即bounce-pitch耦合情况。最初的bounce-pitch耦合调谐在bounce模式和pitch模式之间有将近50-50的耦合。优化的调谐在10HZ时有53%的垂直-47%的Pitch，在14.7HZ时有45%的垂直-53%的Pitch。

图7 以Bounce-Pitch耦合调谐-悬置刚度为优化起点，对车身z响应进行优化的系统的模态及解耦

应该强调的是，本文讨论的动力总成悬置系统的模态特性是相对于地面的模态，即如果发动机悬置固定在地面而不是车辆底盘或车身上，动力总成将具有的模态。由于悬架与车身/底盘等的相互作用，车内动力总成的模态特性与非车内动力总成的模态特性有很大的不同，实际上车内动力总成的模态往往与地面动力总成的模态特性不太相似。图8和图9分别显示了所有分离模式情况和俯仰-弹跳耦合情况下的车内动力系统模态图。与地面模态图一样，车内模态图也仅显示动力总成模态能量，即使在这种情况下，任何给定模式下的部分或全部总能量可能在车身或悬架/车轮中。提供这些只是为了表明车内动力传动系统模式不一定保留系统在地面条件下设计的耦合/解耦特性。

图8 地面全解耦动力总成悬置系统的车内模态及解耦

13-14HZ范围内的间隔是由于这些模态是车轮hop/tramp模态，因此这些模态下的所有能量都在车轮中，动力总成中没有。

图9：图4中地面Bounce-Pitc耦合模式动力总成悬置系统的车内模态解耦

图3和图4所示的图表显示了不同的模态——所有模态都在前一个模态中解耦，bounce and pitch仰模态在后一个模态中耦合。当将相同的系统放入车辆并比较其模态特性（图8和图9）时，通过查看这些图表，与原始（对地）模态特性没有明显的相似性。从对车动力总成模态图上看，似乎没有任何明显的信号可以用来猜测对地动力总成模态特性。换言之，尽管动力总成的对车模态能量分布与对地模态特征没有任何特别的相似性，但车辆响应似乎确实受到对地模态特征的影响。上图5中的车辆或车身响应曲线表明，当使用bounce and pitch耦合模态调谐设置车辆时，车辆响应比其他两次调谐的响应低得多。如前所述，这些响应曲线来自带有悬架和车身的整车模型，这些响应曲线来自系统之间的唯一区别是悬置调整，即悬置刚度和安装位置。因此，基于对地模态耦合特性的动力总成悬置调整似乎是减小车辆对前轮垂直输入响应的有效策略。

后轮输入

为了研究车身对后轮输入的响应，采用了类似的分析方案。图10显示了前面提到的悬置策略调整情况下，车身对后轮垂直输入的响应比较。这些对应于图2-4所示的模态图。对于后轮输入，bounce-pitch耦合情况，给出了最高的响应，然而，其他两个情况出来完全相等。因此，无论是全解耦模式系统还是bounce-roll耦合模式系统，都给出了最低和最佳的响应。

图10：车身对后轮垂直同相输入的垂直加速度响应（越低越好）

这些系统再次被优化，以最小化车身响应，这次是后轮输入。这组优化的结果如图11所示。这一次，优化能够在最差起点的情况下改进，即bounce-pitch耦合系统，而其他两个已经好得多的情况下，只略有改进。同样，这可能表明这些优化案例处于该输入和响应的局部最优状态。

图11：三种模态策略与以这些策略为起点的优化响应的响应比较（解释与图6相似）

 这些优化系统的模态图如图12-14所示。再次，在每种情况下，通过优化，原系统的耦合/解耦特性有所降低，以降低车身响应。然而，模态特征的一般性质仍然保留下来。换言之，解耦模态系统虽然程度较低，但基本上仍是一个解耦系统。同样，bounce-roll耦合模态系统也保留了这一特性，但程度较低。这似乎也再次表明，完全解耦的系统或50-50耦合模态系统并没有什么神奇之处，尽管这些调整点似乎接近设计空间中的某些局部最优值。这是一个值得注意的重要问题。这意味着，一旦您从这些调整策略中的一个开始，那么尝试优化悬置刚度以直接优化车辆响应可能不会导致显著的改善，因为起点可能接近于局部最优值，并且大多数优化方案都会停止。

图12：针对车身Z响应优化的系统的模态解耦，使用所有解耦的模态调整悬置刚度作为优化的起点

图13：为车身Z响应优化的系统的模态解耦，使用Bounce-Pitch耦合调整-悬置刚度作为优化的起点

图14：为车身Z响应优化的系统的模态解耦，使用Bounce-Roll耦合调整悬置刚度作为优化的起点

发动机扭矩输入

上面的系统和策略也用在曲轴上的动力传动系上施加的扭矩输入来测试。如前面所述，动力传动装置的安装是横向安装的，这将使曲轴轴线平行于车辆的横向轴线。因此，相对于车辆坐标系，施加的扭矩将在动力传动系统和车辆中产生俯仰力矩。扭矩输入被设计为动力系统扭矩的替代品，由点火脉冲产生，扫频范围为20-50HZ。与车轮激励情况一样，首先比较三个系统对发动机扭矩激励的响应，然后将三个系统或调谐作为三个单独优化的起点，以最小化车身对扭矩输入的响应。图15比较了由图2-图4所示的三个系统的发动机扭矩引起的车身对激励的响应。必须设置此输入类型的分析，并将其运行方式与前两种输入情况稍有不同。与前两种情况不同，车身对发动机扭矩输入的响应不受任何一个方向的支配。因此，选择优化后的响应函数为组合加速度幅值，即三个方向加速度幅值的矢量和。优化结果如图16所示。

图15：三种调谐策略的车身对发动机扭矩输入的响应（越低越好）

图16：以三种策略为起点的优化身体反应（详细说明见正文）

 优化系统的模态能量图如图17-19所示。有趣的是，在优化前后，bounce-roll耦合情况是三种情况中最好的。再次，最好的系统是耦合模态系统，尽管在bounce和roll之间明显偏离了50-50的起点耦合水平。这种优化的另一个有趣的结果是，解耦系统收敛到一个耦合模式系统（yaw-pitch），而bounce-pitch耦合系统最终收敛到一个解耦模态系统。这三个优化的系统都比它们的起点有了显著的改进。

图17：从车身对发动机扭矩优化的响应导出的系统的模态解耦，该系统使用全解耦模式调谐作为起点（最优系统未解耦）

图18：以Bounce-Pitch耦合模态调谐为起始点的发动机扭矩优化的车身响应得出的系统模态KE（最佳系统已解耦）

图19：以Bounce-Roll耦合模态调谐为起点的发动机扭矩优化的车身响应得出的系统模态解耦

结论

这项研究的目的是为了确定动力总成刚体模态对其车内NVH行为的重要性。肯定是有关系的。对于所研究的三种输入情况，最佳系统是耦合模态系统之一。然而，它表明，不同的模态耦合/解耦特性将有利于不同的输入和系统响应。没有一个理想的模态特性设置是所有输入和所有响应的理想设置。

前轮/后轮输入产生车身的vertical和pitching响应，并且似乎被动力总成的耦合bounce & pitch模态所青睐。完全解耦系统或50-50耦合模态系统似乎没有什么“神奇”之处。所有三种发动机悬置设计策略都提供了悬置调整，这些调整往往处于或接近车身对前轮/后轮输入响应的局部最优值，因此无法从这些调整作为起点进行进一步优化。为了优化发动机悬置以使车身对这些输入做出响应，需要使用一些其他发动机悬置刚度值作为优化成功的起点。

对于车身对动力总成扭矩输入的响应，动力总成模式的最佳耦合方式是bounce-roll耦合。这里再次强调，完全解耦系统或50-50耦合模式系统似乎没有任何“神奇”之处。直接优化发动机悬置刚度，降低机体对发动机扭矩输入的响应，显著降低了各系统的机体响应水平。由此产生的系统也具有与这些策略一致的地面模态特征，尽管不一定与启动策略相同。这也表明，由这些模态策略导出的配置在设计空间中绝对处于局部最优。

本研究中所使用的直接优化方法是非常成功和有效的，并且可以根据本研究的发现和观察结果轻松推荐。由于优化通常只从设计空间的起点找到最近的优化，因此最好使用多个起点并对这些点进行优化。在车辆的早期设计阶段，当没有足够的系统信息和定义可用时，根据输入和响应的性质综合系统配置是有意义的，这在这些典型的车轮输入和动力总成激励情况下是已知的。但是，只要有足够的车辆系统信息，并且可以将车辆模型组合在一起，那么方法应该是优化系统参数，以最小化所关心的响应（或响应）

对于本研究的未来改进，可以研究具有传统南北动力系统配置的系统，并将其与上述结果进行比较。在本研究中，悬置的阻尼系数保持不变；在未来的工作中，可能需要考虑悬置阻尼与动力系统模式之间的相互作用。研究液压发动机悬置的效果以及它们如何与动力总成模态相互作用也可能是有趣的。其他有趣的研究思路可能包括动力系统支架和支架，其中支架的隔震和模态特性可能对动力系统和车辆行为有重大影响。

REFERENCES

1. J. P. Den Hartog, Mechanical Vibrations,Dover Publications, 1985

2. Thomas D. Gillespie, Fundamentals ofVehicle Dynamics, SAE, 1992

3. Chung Ha Suh and Clifford G. Smith,Dynamic Simulation of Engine-Mount Systems, SAE Proceedings, 971940, 561-572,1997

4. Akinon Matsuda, Yasutaka Hayashi andJunzo Hasegawa, Vibration Analysis of a Diesel Engine at Cranking and IdlingModes and Its Mounting System, SAE Proceedings, 870964, 139-146, 1987

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