基于传递特性的汽车动力总成悬置性能优化研究

贺景环 喻涛

摘 要：作为一个运动系统，汽车的共振现象是不可避免的，从机理上分析共振问题的原因是非常困难的。随着CAE技术的发展，非线性多自由度振动分析已成为一种常用的方法。本文以一个具体的设计案例为例，介绍了Adams在共振分析和其它典型车辆系统动力学分析中的应用。特殊车辆停放时，发动机空转时，前轴左右轮胎振动明显。发动机以850转/分怠速运转。当怠速调整到900±50转/分时，前轴左右轮胎抖动消失，但保险杠两端和护栏上两端仍有明显振动。

关键词：传递特性;汽车动力;总成悬置;性能优化

1 固有频率计算

1.1 发动机固有频率

根据底盘关键结构模态试验，测得动力总成系统的固有频率在23.6～33.6Hz之间。

发动机的激振频率实际上就是发动机的点火频率，其计算公式为：

其中：n-发动机转速，转/分钟;i-发动机缸数;τ-冲程系数，两冲程为1，四冲程为2。

该车辆采用直列4缸、四冲程发动机，因此当发动机转速为870rpm时，发动机的激振频率为29Hz。

1.2 悬置系统固有频率

把动力总成看作是空间弹性支撑的刚体。橡胶悬置简化为沿着空间三个正交轴线具有弹性的弹簧，这三个轴线称为主弹性轴，即橡胶悬置软垫的U、V、W轴线。

为方便采用计算机计算，这里对于无阻尼自由振动系统，利用其微分方程的矩阵表达形式：

上式中：M为动力总成的惯性矩阵，K为悬置的刚度矩阵。其中，。因此，只要知道振动系统的惯性矩阵和刚度矩阵就能够表达振动的微分方程。

多自由度振动系统的固有频率实际上在数学上是求解特征值问题，设微分方程的解为：

1.3 共振问题分析

怠速下的发动机激振频率为29Hz，根据发动机悬置设计要求，为保证减震效果，减震块的固有频率fn与发动机的怠速振动频率f的关系须为：

为确保发动机正常工作，悬置系统固有频率必须满足：。系统固有频率21.3Hz>20.5Hz，因此不符合避震要求。

2 仿真分析

2.1 建模

利用ADAMS/view建立了简化的车辆（垂向）模型和动力系统动力学模型，形成了结构完整的多体振动分析仿真环境。

在动力总成安装系统中，悬置的一端与动力总成固定，另一端与车架固定。动力总成的振动通过悬置传递到车架上，引起与车架连接的相关部件的振动。动力总成的主要参数包括动力总成的质量、动力总成质心的位置、动力总成的惯性以及各种工况下的发动机转速和输出扭矩。利用ADAMS建立了可视化环境下的装配动力学模型。根据所提供的动力总成模型和数据，建立的动力总成模型包括发动机、离合器、减速器等作为刚体的结构件（部件）。在车辆正常运行过程中，三个部件没有相对运动，因此三个部件通过两个固定接头相互连接。动力总成采用四点式悬置，前两点式悬置（Eng R，Eng L）连接车身和发动机，后两点式悬置（diff R，diff L）连接车身和变速箱。在该模型中，采用衬套来模拟悬置。由于衬套有三个相互垂直的刚度和阻尼，以及围绕这三个方向的扭转刚度和阻尼，只要衬套的扭转刚度和阻尼值设置为零，就可以认为是三个相互垂直的弹簧，所以它具有悬置的机械特性。四个悬置垂直安装，只有垂直悬置是自由的。

2.2 参数优化

（1）变速器悬置对车身振动的影响。减振块选用发动机悬置，邵氏硬度值70，变速器悬置刚度3333N/mm，可变范围在±40范围内计算（计算步数设为10步）。

分析结果表明，悬置刚度对车身振动的影响是非线性的，当悬置刚度为2815.1N/mm时，振动响应最小。

（2）发动机悬置对机体振动的影響。发动机悬置为2020N/mm，可变范围在±40以内（计算步骤设为10）。安装刚度对车身振动的影响是非线性的，刚度为1616-1705.8N/mm时，振动响应最小。

求解前、后悬置均为变量，发动机悬置为2020N/mm，计算变量范围为±40，变速器悬置刚度为3333N/mm，计算变量范围为±40，计算步数为88步的优化结果。由于计算结果较多，故不再图示。分析结果表明，当变速器悬置和发动机悬置刚度分别为3111.4N/mm和1616.3N/mm时，振动响应最小。

3 试验验证

根据车体布局布设加速度传感器，共设置了11个可形成闭环的传递路径测试点，重点关注车辆前进方向和垂向。以测点1、2为例，测试通道CH1与CH4、CH2与CH5、CH3与CH6构成三组传递路径。下面以测试通道CH1与CH4为例介绍数据分析过程。

发动机悬置X方向至纵梁X方向两个测点数据，在频率25.5Hz和51.5Hz相干性较好。发动机悬置X方向至纵梁X方向在上述频率处频响均小于1，振动传递表现为衰减，衰减率为51.6%，衰减效果非常明显。

通过其他数据分析，表明优化后的悬置均起到了较好的衰减特性，整车无明显共振现象发生。

4 结论

针对车辆使用过程中常见的振动异常的问题，利用ADAMS/view建立简化车辆（垂向）模型和动力总成系统动力学模型，形成一个结构完整的车辆多体振动分析模拟环境。仿真分析时，考虑了发动机倾倒力矩和D级路面的复合激励条件。

通过模拟不同发动机运转工况及不同车速工况下的路面激励，比较不同工况下的车身和发动机振动加速度，加速度PSD，并针对新悬置刚度方案进行仿真比较，对整体设计工作具有指导作用，减少了由振动问题造成的动力性及平顺性问题。

参考文献：

[1]胡韶文.汽车动力总成悬置系统仿真分析与优化设计[D].青岛理工大学，2016.

[2]曾少波.动力总成悬置动态特性模型与优化研究[D].江苏大学，2016.