动力总成刚体和副车架模态的精确建模

Accurate Modeling for the Powertrain andSubframe Modes

Mohamad Qatu

Ford Motor Co.

Copyright . 2003 SAE International

摘要

动力总成悬置是汽车的重要设计特点之一。动力总成主要安装在前副车架上，一旦安装在车辆上，动力总成的悬置对确定车辆的振动特性有着重要的作用。良好的悬置系统可将发动机输入振动与车身隔离，并将道路输入对客户的影响降至最低。本文讨论了几种与噪声、振动和不平顺性（NVH）有关的动力学模型的结果，并对这些模型的精度进行了比较。研究了各种动力总成模型，并与整车模型进行了精度比较。

前言

NVH是驱动客户整体满意度的重要车辆属性。事实上，NVH是最新汽车的五大属性之一。车辆的各种NVH特性包括动力总成、道路和风NVH。动力系统NVH可以在各种条件下进行评估，包括怠速、节气门全开（wot）和部分节气门。

发动机和副车架悬置的振动传递是动力总成子系统工程的重要任务之一，是客户级（即车辆）振动的重要组成部分。利用计算机辅助工程（cae）工具可以在动力总成设计的早期阶段优化悬置系统。cae结果可以在不需要昂贵的原型的情况下提供。研究结果可用于确定汽车悬置系统的策略，优化悬置位置和悬置刚度。

为了达到动态问题的优化设计，有许多设计工具和参数。寻找固有频率是评估NVH的一个实用参数。特别地，Roll模态被发现对客户级NVH有显著的影响。

怠速NVH是动力总成最重要的特性之一。它直接关系到客户对车辆质量的印象。当车辆处于怠速时，档位通常处于行驶状态，制动器完全踩下。在交通堵塞或在红绿灯处等待的客户经常遇到空闲状态。在怠速状态下，不存在其他车辆噪声（道路和风），动力总成NVH是由顾客检测到的主要噪声。

只有在源头降低NVH或在源头和顾客之间的路径上控制噪声或振动，才能降低顾客水平上的怠速噪声和振动水平。因此，我们可以通过以下方法减少怠速NVH：

• 通过改进的传输损耗（或声音）包减少空气噪声源并将车体与该噪声源隔离

• 减少前端附件驱动（FEAD）振动源

• 降低通过动力总成悬置传递的结构噪声

早期在发动机悬置领域的许多研究都涉及开发一般隔离策略等主题[1-5]。其他研究集中在建模策略的准确性（6与更高自由度（DOF））上[6-8]。研究人员还花了相当大的精力研究安装位置和/或刚度值的优化方案[9-13]。还对非经典液压悬置进行了一些研究[14,15]。直到最近，才出现了对安装系统灵敏度和鲁棒性的研究[16]。其他工作讨论了动力总成频率中悬置刚度变化的影响[17]。

建模和分析

选择由典型的V6东西向发动机和变速器配置组成的动力总成进行分析。此外，除了选择一个变速器悬置和一个抗扭悬置之外，还选择了两个发动机悬置的发动机安装策略，一个在右前侧，另一个在右后侧（从乘客角度看）。这种策略被称为重心（cg）策略。它提供了优良的第二阶发动机隔离和良好的滚动和/或模态解耦比传统的TRA轴策略产生更好的换档品质。它提供较少的三阶隔离，因为其相对刚性Roll模态。

图1 动力总成模型（发动机和副车架）

悬置的刚度是通过固定悬置的被动（即副车架）侧来确定的。实际上，上述方面预计会有一些折中情况。

第一级模型SM1

在第一级建模中，动力总成被视为由弹簧系统（悬置）支撑的刚体。这个刚体有6个自由度：3个平动自由度和3个转动自由度。在此级别中，发动机安装在刚性副车架上（即接地）。利用先进的有限元程序或惯性试验，获得了合适的惯性矩阵和特性。

四个悬置：Engine Front Mount (EFM), Engine Rear Mount (ERM), Transmission LeftMount (TLM), Upper Roll Restrictor (RR)。其中，前三个悬置每个悬置都有三个刚度，而最后一个悬置仅在扭力杆的轴线方向提供刚度。

第二级模型SM2

第二个模型是通过添加一个柔性副车架模型来定义的。副车架的振动是其固有模态的线性组合。发动机悬置连接到副车架，副车架悬置假定连接到接地（即接地）。

前副车架由四个悬置连接到车身:

1. Right Rear Subframe Mount (RSBFFMTR)

2. Left Rear Subframe Mount (LSBFFMTR)

3. Right Front Subframe Mount (RSBFFMTF)

4. Left Front Subframe Mount (LSBFFMTF)

第三级模型(SM3)

第三个模型是通过在第二级模型中添加以下细节来定义的：控制臂、减震器、半轴和转向系统。在这个级别上，Trim body被建模为一个刚体，发动机和副车架悬置件与之相连。总模型仅固定在轮胎主轴上。其他细节（在车的后面）没有在这个级别建模。

第四级模型(SM4)

第四个模型与第三个模型相似，但模型中考虑了轮胎。这里考虑的轮胎模型是轮胎固有模态的模态叠加。模型固定在轮胎底部的地面上。

整车模型

最后一个模型是一个完整的车辆模型，包含了所有的详细细节。整车获得的NVH结果可作为前级车型结果的参考。

图2研究动力总成的简化车辆模型

表1、2和3显示了各种模型的结果。福特专用软件用于先前描述的模型和随后执行的分析。随着更大程度的复杂性，以前的建模策略可以用许多可用的商业软件包来实现。

模型分析结果

表1给出了发动机模态和能量矩阵的示例。这些结果可以从模型的所有先前描述的层次获得。但是，它们是从第一级建模中获得的直接结果。

表2显示了相同动力系统质量和惯性特性、相同安装位置和刚度的各种型号的动力装置频率。当将最简单的模型（即SM 1）与整车车型进行比较时，此表显示了roll模态下的0.39 Hz差异和bounce模态下的0.61 Hz差异。与整车模型相比，2型（sm 2）的roll模态相差约1.47hz。SM2与整车的bounce模态相差约2.00Hz。

表3显示了副车架固有频率。注意，副车架被建模为具有从高水平有限元模型获得的传递函数的柔性体，并用于分析中。由于某些数据未在所需范围内观察到，因此在表3中对其进行了阴影处理。还请注意，bounce和roll模态是重要的模式。SM2型与全车型的bounce模态和roll模态分别为21.49赫兹和6.35赫兹。这些差异表明，第二级不足以预测副车架模态。这是由于其他车辆提供的合规性。

表1最简单模型的频率和能量分布

表2不同模型的固有频率

表3前副车架在不同模型中的固有频率

表3还显示，最后一个简单模型（SM4）要好得多，比其他所有模型提供更接近全车模型的频率。在SM3车型中，bounce模态的差异减少到最精确车型（整车）的10%左右。roll模态更是如此。与SM3相比，SM4车型提供的频率更接近整车。

结论

本文研究了几种NVH动力总成模型的精度。它使用一些简单的系统来建模刚体模态的动力总成（假设在柔性悬置上的刚性动力总成）。

本研究的主要结论是，六自由度模型可以在初步设计阶段进行动力系统刚体模态分析。更高级别的NVH车型包含动力总成、刚性装饰车身、前副车架、悬架、转向机构和轮胎，是一个非常精确的车型，应该在车辆开发过程的后期使用。

今后将进行进一步研究，尽可能将调查结果与测试结果进行比较。

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