汽车动力总成悬置优化设计分析

佘振成 张露

摘  要：合理的汽车动力总成悬置系统可以降低汽车动力总成和车体的振动。从系统固有频率配置及振动解耦角度分析悬置系统的振动特性;根据实际条件，以提高系统振动解耦率为目标，对动力总成悬置系统隔振性能进行优化设计，有效提高系统固有频率配置合理性和系统振动解耦率，使系统的隔振特性有了较大提升，从而改善了系统的稳定性。

关键词：动力总成;悬置系统

一、汽车动力总成悬置系统的作用

1、隔离振动

在发动机所有工作转速范围内，发动机产生的振动必须通过悬置系统加以隔离，尽可能降低传给汽车底盘和车身的振动。同时，悬置系统还必须隔离由道路不平引起的车轮、悬挂系统的振动，防止这一振动向发动机传递，避免发动机振动加剧，以满足车辆运行时的平稳性和舒适性，并保证怠速和停机时发动机的稳定性。

2、发动机支承和定位

在发动机本身振动和外界作用力驱动下，发动机和底盘之间必然存在着相对运动。所以悬置系统必须具有控制发动机相对运动和位移的功能。

3、保护发动机

车辆在行驶过程中承载着动态负荷和冲击负荷，悬置系统应具有保护发动机的能力，防止发动机个别部位因承受过大的冲击载荷而损坏。

4、发动机与底盘之间的连接

零件必须要有足够的柔性 如：排气管、进气管、燃油管、冷却水管、油门操纵机构及变速箱操纵机构等。如果他们的刚度较大，发动机的振动容易损坏这些零件，尤其在怠速停机、出现共振时。

5、悬置系统的零件必须具有足够的强度和可靠性，在严重的冲击负荷下应保证不发生损坏。

二、动力总成悬置系统的优化设计方法

1、动力总成悬置系统的解耦设计

通常动力总成悬置系统的六个自由度的振动是耦合的，这样会导致动力总成悬置系统的振幅加大、振动频带过宽。因此在设计时悬置应尽量采用解耦形式布置。从理论上讲，当前后悬置的弹性中心与动力总成的质心完全重合时，则悬置系统在六个方向的振动完全解耦。但由于受到整车布置等各种条件的制约，完全解耦难以实现，因此通常的做法是将与激振力有关的几个主要振动方向的振动模态解耦，即部分解耦。解耦对于动力总成的隔振来说，是一种非常方便的措施。传统的解耦方法主要是通过合理布置悬置系统的结构来实现的，其基本原则是以悬置系统的中心主惯性轴为坐标系来布置支承元件，以消 除惯性耦合;使橡胶悬置的弹性中心位于系统的扭矩轴上或质心处，消除弹性耦合。

2、打击中心及机身一阶弯曲振动问题

（1）打击中心理论：对于直列式四缸发动机，当曲柄间隔为 180°时，各个汽缸存在着严重的二次不平衡惯性力，它将引起机组剧烈的纵摇振动。为解決这个问题，我们经常采用以下办法。在确定前、后悬置的位置时，一般希望前悬置布置在发动机动力总成的一阶弯曲模态的一个节点上，当前悬置的位置确定后，可用打击中心理论来确定后悬置的位置。使得路面等输入力给前悬置或后悬置施加冲击力时，施加在前悬置的力不能传到后悬置，而施加在后悬置的力也不能传给前悬置，即前、后悬置所遭受到的冲击不致相互影响，从而达到良好的隔振效应。

（2）机身一阶弯曲振动问题：如今汽车发动机机组作为一个弹性体其一阶弯曲振动的固有频率并不是很高的，而功率强大的发动机在高频段的激励频率却是很丰富的，因此很有可能导致机身产生一阶弯曲振动共振。在这种情况下如能将支承点安置在振型曲线的节点处，对于减轻隔振器的附加载荷是很有利的。

3、振动系统固有频率的配置

固有频率的配置是以动力总成系统的固有频率的合理分配为目 标，以悬置参数为设计变量的优化方法。使系统的固有频率得到合理的匹配且各振动模态尽量不重合，以便让系统尽量避开共振区。根据振动理论，悬置系统的隔振设计主要从系统的固有频率考虑。当系统的固有频率和相应的扰动频率相同时，振动系统将发生共振，此时相应振幅大大增加。对发动机而言，低频范围内其主要扰动力为绕曲轴方向的转矩，当此扰动频率和绕曲轴旋转方向的固有频率重合时，系统发生共振。通常使绕曲轴旋转方向的固有频率处于发动机正常 工作时的扰动频率之外。同时，从整车各子系统的动力特性合理分配考虑，悬置系统的固有频率还应避开其它子系统相应的振动频率，如悬架、车身及车轮的振动频率，以防由此引起发动机和其它子系统间的共振。所以，无论从发动机悬置系统还是汽车其它子系统的动力特性合理分配考虑，对发动机悬置系统的设计都必须从解耦和固有频率的合理安排入手。

4、系统振动传递率或支承处响应力最小

悬置支承处响应力最小，是积极隔离振动的重要出发点。因为可能导致发动机动力总成产生平移或旋转运动的力与力矩都是悬置支承处响应力的函数，响应力越小，说明其综合隔振效果越好。对于发动机稳态工况的激励，悬置支承处会产生与激励频率相同的交变响应力，这个交变响应力的幅值越小，说明悬置系统对该频率的激励力的隔振效果越好。所以设计中 应尽量降低振动传递率的大小，减少支承处响应力，以达到较为理想的隔振效果。

5、动力总成悬置系统的建模

动力总成悬置系统的振动是一个复杂的多自由度振动过程，在对动力总成的振动进行分析时，首先作以下假设：

1）支承动力总成的车架视为绝对刚体，质量为无限大高频时，车架的弹性对系统的振动有一定影响，使隔振性能变坏;

2）力总成是个刚性块动力总成悬置系统的固 有频率在范围，而把系统作为弹性体的最低模态频率大约在以上，因此动力总成悬置系统只存在刚体模态;

3）考虑橡胶支承本身的质量;

4）胶悬置具有空间弹簧的性质，因此把每个橡胶支承简化为沿空间三个轴有弹性的弹簧由于动力总成各个悬置位置的距离比起悬置本身 的尺寸要大得多，橡胶垫的扭转弹性不明显，常略去不计;

5）忽略橡胶悬置的阻尼橡胶的阻尼不大，且是小幅振动，所以不考虑其阻尼的作用。

结语

对发动机悬置参数进行优化，能够实现悬置系统动态特性与整车动态特性的合理匹配，有效地控制发动机振动干扰力对汽车振动的影响，改善汽车乘坐舒适性。

参考文献

[1]  王科富;卢汉奎;陈树勋;;柴油机汽车悬置系统优化设计[J];装备制造技术;2012年11期

[2]  胡金芳;计及弹性基础的动力总成悬置系统特性分析与解耦研究[D];合肥工业大学;2012年