控制动力总成运动及提升NVH性能的抗扭悬置开发

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2011-28-0090

Developmentof Roll Mount for the Movement Control of Powertrain and the Improvement of NVHPerformance

BongHo. Lee, Byung Hyuk. Lee and Jae Kwon. Kim

Research& Development Division for Hyundai Motor & Kia Motors Corporation

摘要

最近，为了减轻重量和降低成本，新的悬置及副车架系统一直在进行研究。因此，通过H型副车架的应用，提出了一种具有发动机、变速器和防扭悬置的钟摆式发动机悬置系统。然而，设计的自由度很大程度上被限制在动力总成位移控制和隔振之间，从而同时影响悬置的耐久性和nvh性能。

因此，本研究在同一平台下进行，将4种不同类型的抗扭拉杆考虑在内并进行了实验验证，以优化负荷分担和nvh性能的贡献。结果表明，在降低耐久性和NVH之间的效率方面，CTR型抗扭拉杆比其它类型的抗扭拉杆更为有效。综上所述，通过对轰鸣噪声、内部噪声和过大振动的实验研究，在1档WOT内，抗扭悬置的分担载荷降低了35%。在2200rpm以上的频段，AI性能提高了3%，2700~3700rpm频段，c2内部噪声提高了3~5dba，但启动时振动过大了达到了0.5m/s2（座椅前后方向）。此外，为了满足要求的性能，还提升了H型副车架的动刚度。

前言

图1 整车重量和驱动扭矩对标

到目前为止，三点钟摆式发动机悬置系统由于其较高的发动机扭矩，很少被汽车制造商应用于中型和豪华车。如图1所示，配备三点摆式发动机悬置的竞争车型的最大驱动扭矩小于35kgf.m。现代还为发动机扭矩小于30kgf.m的中小型车改装了三点钟摆式发动机悬置和H型副车架。当这种发动机悬置系统尝试应用于中大型车辆平台时，必须考虑以下现象。假设采用三点支承系统支承动力总成驱动力矩的扭力杆支承的均布力是四点支承的两倍。当大中型车辆的发动机悬置系统由四点支承摆式改为三点支承摆式时，扭力杆悬置的分担载荷，特别是与三点支承钟摆式发动机悬置的小型车辆的分担载荷之差增加了5倍，如图2所示。

图2 不同的驱动力对拉杆分担载荷的影响

此外，考虑到三点钟摆式发动机悬置适用于重量比普通轿车更重的运动型多用途车（SUV），发动机的商用转速范围将增加，以满足相同的驾驶条件。最终，由于高性能动力传动系统，发动机悬置的分担载荷增加，导致发动机悬置橡胶的硬度增加，以控制动力传动系统的运动并确保耐久性。它可以使代表整体情感品质的NVH表现更差，因为耐用性是通过与NVH表现相关因素的权衡来满足的。这明显说明了三点钟摆式发动机悬置系统的局限性。因此，决定耐久性和NVH性能的参数平衡对于通过最小化抗扭拉杆的共享力来扩展H型副车架和三点钟折中摆式发动机支座的自适应性是至关重要的，同时保持良好的折中效果（减轻重量节约成本）。因此，为了实现这一目标，人们考虑增加一根抗扭拉杆。各种类型的附加抗扭拉杆被应用到一个预原型车上。通过CAE计算了抗扭悬置的最大反作用力，验证了NVH的性能，并与实验结果进行了比较。

附加抗扭拉杆

为了检验附加抗扭拉杆的影响，对越野车（FF，横向安装的发动机，重型车辆和高驱动扭矩）的抗扭悬置施加的分担载荷进行了计算。

CAE分析了2例。一种是用于传统的三点钟摆式发动机悬置，另一种是带有附加抗扭拉杆的发动机悬置。当考虑柴油机（I4，2.2..）、柴油机（I4，2.0..）和汽油机（V6，3.5..）3种不同发动机的最大扭矩（仅考虑1wot、fgr和几何尺寸）时，施加在3点钟摆式发动机悬置中的抗扭拉杆上的最大均布力超过2000kgf。揭示了三点安装系统在满足耐久性和NVH性能方面的局限性。但是，通过安装在连接前纵梁的横梁上的附加抗扭拉杆，最大均布力可以减少约35%，如图3所示。

图3 前抗扭拉杆承担的载荷

利用这一概念，H型副车架和3点钟摆式发动机悬置为SUV配备了3.5L.. V6发动机,最初采用#型副车架和4点钟摆式发动机悬置的。然后，通过将上抗扭拉杆（通常用于控制发动机悬置的大位移）和前抗扭拉杆（分析如上所述）构造为附加抗扭拉杆，分担抗扭拉杆杆上的力，计算了动力总成的转角和发动机悬置的位移变化，并与实验结果进行了比较，确定了抗扭拉杆的最佳位置。用于研究的抗扭拉杆位置示意图和为每种支承类型计算的均力示意图如下所示。

图4 抗扭拉杆的分担力CAE结果

研究1试验结果

在车辆上实施的每种动力总成支撑系统在行驶工况（2WOT和D/WOT）下的抗扭拉杆驱动反力试验结果如图5所示。评价结果表明，各悬置均布力贡献o3-f的计算值与驱动条件下的实测值有很高的相关性。

图5 抗扭悬置支反力试验结果

经分析预测，用于动力传动系统瞬态特性控制的上拉杆的实测反力贡献约为5%，说明该方法的应用是不可行的。也就是说，在一般的驱动条件下，上抗扭拉杆不能分担传统抗扭悬置的反作用力。然而，在采用前拉杆作为附加拉杆的情况下，在构造三点钟摆式发动机悬置系统的条件下，它可以分担抗扭悬置高达41%的反力。特别是在需要大扭矩的传动区域，前拉杆对分担抗扭悬置反力有很大的贡献。从D/WOT可以看到。另外，在发动机性能相当的轿车上采用H型副车架和三点摆式发动机悬置时，抗扭悬置的反作用力也与SUV相似。因此，它为将这一概念应用于其他平台提供了合理的证据。

在附加前拉杆的情况下，评估了动力系统的性能以及抗扭拉杆的均布力贡献。图6显示了动力总成从D/WOT前后方向的旋转运动和平移运动的角度偏移。同时，衬套的空穴方向（从前后方向到顶部和底部方向）也同时存在。

图6 动力总成运动的试验结果

在使用前拉杆的情况下，当动力总成显示出最大的转动角和前后方向的平动运动时，检查发动机、变速器和抗扭悬置的变形。前拉杆可以与抗扭拉杆共享作用力。还控制动力总成的旋转和平移运动。这意味着可以通过采用前拉杆获得有关发动机悬置动态刚度的设计自由度。图7显示了每个发动机悬置的最大位移。

图7 发动机悬置的变形量

性能验证

将所提出的前杆应用于扭矩比汽油机大的柴油机车辆上，可以使NVH性能得到较大的改善，特别是在高转速范围内的车内隆隆噪声和在商用转速范围内的车内噪声明显降低。具体来说，2600~3800rpm的c2轰鸣噪声降低为8dBC，1500~3000rpm的内部噪声提高为4dBA。此外，在起动条件下，动力总成的激励可以使瞬态振动响应提高50%以上。NVH性能的改进如图8所示。

图8 前抗扭拉杆对NVH性能的影响

附加抗扭拉杆研究2

基于已验证的h型副车架和三点惯量支承法，对中高级轿车的开发在成本、重量、结构布局等方面的适用性进行了实际评估。除了前一节概念性评估的前抗扭拉杆（FRT）和上抗扭拉杆(URR)外，为了最大限度地提高平台的扩展效率，还考虑了抗扭拉杆和侧抗扭拉杆，以研究取决于拉杆位置的影响。各拉杆的大致布置示意图如图9所示。

图9 附加拉杆布置图

侧抗扭拉杆(SRR)通过连接变速器底部和侧MBR来支撑动力总成，侧抗扭拉杆(SRR)具有传动轴轴承座和副车架之间的连接结构。从设计上对四种拉杆的适用性进行评价，特别是对前副车架的需求特性进行验证，因为中抗扭拉杆(CTR)安装在副车架上，与NVH的驱动性能密切相关。

图10 各种附加拉杆对支反力分担的CAE结果

直接应用于前方车辆，预测了各种附加抗扭拉杆分担驱动力的贡献，以保证实际效果。对装有汽油机（V6，3.5….）的车辆进行了驱动反作用力的CAE预测和试验，并对装有柴油机（I4，2.2….）的车辆进行了NVH贡献试验。两辆车有相同的平台，与车身和悬架有关。在预测过程中，前抗扭杆(FRT)和抗扭悬置共同承担约30%的驱动力，而上抗扭拉杆(UPR)和侧抗扭拉杆(SRR)仅得到10%的效果。因此，在试验过程中排除了上、侧抗扭拉杆。

2阶试验结果

采用H型副车架和三点惯性支承法，对中高档轿车进行了集中在抗扭拉杆上的驱动反力试验验证。如果通过另一种抗扭拉杆的实现来减小抗扭悬置的驱动力，则可以同时控制动力总成的运动。因此，在本实验中进行了驱动力和NVH性能的贡献试验，并与仅采用三点惯性支承法的情况进行了对比，结果表明：在1WOT工况下，抗扭悬置分担驱动力52%，抗扭拉杆分担驱动力35%。各传输条件的贡献趋势如图11所示，最大影响如表1所示。

图11 抗扭拉杆反力试验结果

表1 工况下抗扭悬置反力

CTR中抗扭拉杆效果的估算与评价结果相似。但是，与预测结果相比，FRT前抗扭拉杆的效果在15%以上。特别是在满负荷工况（高扭矩、低位移）下，明显超过了TRT前抗扭杆的均反力。也就是说，从振动传递路径的角度出发，得到抗扭拉杆的隔振特性和附着点的动刚度是非常重要的。

在NVH性能的验证过程中，这种情况更加明显。在比较H型副架与抗扭悬置连接点的振动水平时，FRT型前抗扭拉杆比CTR型中抗扭拉杆的减振效果好。然而，由于在前滚道连接处产生过大的振动，加剧了车身振动的副作用。在图12中，显示了车身连接点和前排座椅处的每个振动。

图11 扭力杆对车身振动的影响

由于中抗扭拉杆（CTR）连接动力总成和前副车架，副车架在振动传递路径上的作用变得更加重要。对于中抗扭拉杆（CTR），所有来自抗扭悬置和抗扭拉杆的激振力通过前副架。因此，如果副车架没有足够的刚度来承受来自动力总成的激振力，则附加一根附加抗扭拉杆是没有好处的。

因此，为了改善副车架的动态特性，有必要消除由中抗扭拉杆（CTR）引起的加重因素。为此，通过优化副车架的内部结构和抗扭悬置支架的加强以获得足够的局部刚度，证实了中抗扭拉杆（CTR）的副作用是可以控制的。在图13中，显示了降低振动水平和提高中抗扭拉杆（CTR）支架的局部刚度。可用于开发不同平台的前副车架，作为指导。