现代汽车动力总成悬置系统的发展

现代汽车动力总成悬置系统的发展一、汽车动力总成悬置系统设计的发展概述从上个世纪五十年代起，汽车行业对动力总成的隔振、降噪研究做了大量的工作，取得了显著的效果。

较为成熟的六自由度解耦理论和计算方法由Anon、Harison和Horovitz完成的，他们将汽车发动机动力总成和车架视为刚体，将减振橡胶块视为单纯的弹簧，利用发动机动力总成惯性主轴特性和撞击中心理论阐述了如何调整橡胶悬置的安装位置和悬置刚度，使发动机动力总成的前后悬置的振动互相独立，然后分别按照单自由度线性振动系统处理，他们认为系统垂直方向的固有频率与绕曲轴方向的固有频率应小于发动机怠速时相应扰动频率的三分之一，这样可以获得较好的减振效果。

这些较早提出的设计理论对于后人的深入研究有着积极的指导作用。

1965年，美国通用汽车公司的Timpner F.F通过合理布置发动机悬置元件来进行发动机动力总成悬置系统解耦设计。

他指出通过合理的布置悬置元件，使它们的弹性中心位于发动机动力总成悬置系统的质心处或主惯性轴上，己达到发动机动力总成悬置系统振动解耦的目的。

1979年，美国通用汽车公司的Stephen R.Johnson首次将优化技术应用于悬置系统的设计，以合理匹配系统固有频率和实现各个自由度之间的振动解耦为目标函数，以悬置元件刚度和悬置元件安装位置为设计变量进行优化计算，并推出COEMS软件，结果使系统各振动自由度之间的振动耦合大为减少，同时保证了悬置系统六阶固有频率在期望的范围内。

1982年，R.Racca以限制悬置空间、悬置位置、悬置刚度、固有频率和振动解耦等方面来考虑悬置的减振隔振性能，对传统的FR式悬置系统进行了全面地总结。

1984年，Geck P.E.等人将发动机悬置系统的最主要作用看成隔离低频域振动，这就要求它的侧倾固有频率要低，以吸收发动机不平衡扭矩引起的振动。

因此，他们以侧倾解耦，低化侧倾模态为目标对悬置系统进行优化，并提出了较合理的悬置设计原则。

1987年，H.Hata和H.Tanaka对怠速工况下发动机动力总成悬置系统的振动进行了深入的研究，指出优化悬置刚度的效果不如优化位置好，因为刚度只能控制振幅，不能控制相位；车身弯曲共振频率应高于怠速频率，且越大越好；发动机动力总成悬置系统共振频率应小于2/1倍的怠速频率。

1990年，M.Demic以悬置点响应力和响应力矩为目标函数，对悬置系统位置与特性进行了优化，该方法具有适合橡胶悬置和液力悬置的优化设计的特点。

1993年,John Brett提出了一种和传统发动机动力总成悬置系统设计理论不同的方法——最小响应设计方法。

他的方法是以车厢的振动响应最小为设计目标，而不像传统的设计方法以合理的汽车动力总成的刚体模态为设计目标。

1999年，Tsuneo Tanak等人将动力总成悬置系统纳入整车模型，并利用有限元分析技术，描述了降低怠速时整车振动的方法。

国内汽车行业对动力总成悬置系统的研究起步较晚，随着近年来汽车工业的快速发展，吉林大学，清华大学，一汽技术中心，二汽等有关单位结合不同国产车型的结构、特点，从不同角度对发动机动力总成悬置系统进行了研究分析，在提出改进方案的同时，也逐渐提出了自己的设计理论和方法。

吉林大学史文库和林逸以Audi 100轿车为研究对象，认为其发动机悬置支承在弹性基础上。

在建模计算分析时，考虑了弹性基础的作用。

通过四端参数理论，重点分析了弹性基础在发动机动力总成悬置系统隔振方面的影响，得到了如下的结论：发动机悬置支承基础的弹性作用是悬置在高频域隔振效果变差的原因。

阎红玉和徐石安应用发动机动力总成悬置系统的能量解耦方法进行发动机动力总成悬置系统的优化设计。

他们根据发动机动力总成悬置系统的能量分布得到系统的解耦的能量指标，并以该能量指标为优化设计目标，以系统的固有频率为约束条件，应用DSFD(转动坐标轴直接搜索可行方向法)算法进行优化计算。

并对某一轻型货车发动机动力总成悬置系统进行优化计算表明，仅通过调整悬置刚度参数可提高解耦水平。

徐石安根据传递函数分析振动的方法，探讨了发动机模型简化的理论基础、隔振和解耦的关系，以及更适合于计算机寻优的解耦方法。

上官文斌和蒋学锋以发动机动力总成悬置系统的固有频率为目标函数，提出了优化设计方法。

他们引入了扭轴的概念，并在扭轴坐标系中建立悬置系统的振动方程，对悬置系统进行优化，其优化参数可直接用于设计。

长安汽车股份有限公司的周舟，王晓光等人运用Adams/View建立某轿车整车多体动力学模型，在建模过程中，通过定义高阶传递函数实现对悬置的动刚度和损失角特性的模拟；在仿真过程中，通过刚体模态分析、动力总成质心位移和转角计算以及典型工况的仿真，成功地预测了悬置系统的性能。

上海交通大学马海军，赵建才等人针对某国产轿车的橡胶悬置系统，应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了动力总成橡胶悬置系统六自由度的动力学模型，将悬置元件的平动位移和角位移作为重点比较对象，讨论了悬置元件的安装角度和刚度系数对上述性能参数的影响。

重庆大学周昌水，邓兆祥等人以某前置前驱四缸四冲程横置发动机悬置系统为研究对象，利用Maxwell模型对橡胶悬置和液压悬置进行动力学参数化并实现其频变特性，在Adams/view中建立悬置系统动力学分析模型与整车刚柔耦合动力学模型。

通过模态解耦优化，提高动力总成悬置系统主要激励方向的模态解耦程度。

合肥工业大学方锡邦，陈树勇等人应用Adams软件，建立了动力总成悬置系统六自由度的动力学模型。

采用模型参数化分析方法，讨论了悬置的性能参数对系统隔振性能的影响，以悬置的性能参数为设计变量，以系统振动传递率最小为目标函数，对动力总成悬置系统进行了优化设计。

东南大学的张蓓蓓，张启军等人应用汽车发动机悬置系统刚度矩阵解耦法，向的振型解耦，对悬置参数进行优化计算，实现了发动机悬置系统沿Z向和x以达到控制整车振动的目的。

浙江大学叶向好，郝志勇等人运用MATLAB的强大数值分析和矩阵运算，对发动机总成悬置系统动力学建模和理论分析，在合理匹配悬置系统固有频率的过程中，引入了六自由度能量解耦原理，根据能量分布矩阵对某一发动机的悬置参数进行了改进设计。

南京理工大学王显会，李守成等人应用ADAMS软件对动力总成悬置系统模型进行动力学仿真分析，合理配置各阶固有频率；综合运用弹性中心理论和能量解耦方法对动力总成悬置系统进行了优化设计。

清华大学范让林，吕振华等分析了汽车动力总成－悬置系统的振动激励、质量矩阵、刚度矩阵各元素的特点及其相互关系，阐释了系统弹性解耦设计的理论基础和重要性。

应用V形悬置组的弹性解耦原理，论述了目前普遍应用的三点式悬置系统在弹性解耦设计方面的问题，提出了悬置布置设计匹配的有效方法。

这些作者提出的分析动力总成悬置系统的方法，以及悬置系统支承参数的设计、优化方法，基本都是对悬置系统的固有频率进行配置，使之移出激励的激振频率范围；对系统各自由度进行解耦设计；使支承处的动反力最小进行设计。

都是针对动力总成低频隔振进行的。

二、汽车动力总成悬置的发展状况一个多世纪以来，发动机悬置经历了从无到有，逐步发展的过程。

最初发动机是直接刚性的连接在车架上的，随着科学技术的发展及人们要求的提高，汽车开发者在发动机与车架之间加入了各式各样的元件，如软木、皮革、钢弹簧等，但隔振性能还没有得到明显的提高。

到了1920年，随着人们对橡胶的认识水平的提高，最初的橡胶悬置元件开始在汽车上得到了应用。

此后，各种成分和形状的橡胶悬置被研制出来，以求能最有效的减小发动机与车架之间的振动传递。

橡胶具有很多优点：橡胶的弹性模量比金属的小，隔振效果显著；橡胶件的形状不受限制，各方向的刚度可在一定范围内自由选择，具有空间弹簧特性，能承受多向载荷；利用内摩擦产生的阻尼，能较好的吸收振动和冲击能量，所以兼有弹簧和阻尼器两种作用；容易与金属牢固的粘结在一起，大大简化了固定和支承结构，使悬置的整体质量降低；且结构简单，价格低廉，适合成批生产。

一般来说，天然橡胶综合的物理机械性能较好，而合成橡胶能满足某些特殊的要求。

防振橡胶要求有良好的消音、隔振及缓冲能力，能耐一定的温度、性能稳定，制造方便、易于制成所需形状，单位面积的承载能力大以及使用寿命长等。

图1 橡胶悬置的结构型式橡胶悬置的弹性特性与结构型式、自由表面形状、橡胶硬度等因数有关。

按其结构型式橡胶悬置基本可分为三类：剪切型，压缩型，复合型，如图1所示。

压缩型负荷大，体积小，相对复合型来说结构简单，但对压缩—剪切刚度比有限制，一般要求大于4。

不同形状的橡胶悬置，用于不同车型的前支承或后支承，结构型式一旦完成，可以通过改变橡胶硬度来改变弹性特性。

图2 橡胶悬置的机械模型图3 橡胶悬置的动刚度曲线橡胶悬置可以由图2所示由Swanson建立的模型表示，它由一个弹簧和一个粘性阻尼构成。

因为阻尼的原因橡胶悬置的动刚度在高频时会比在低频时显著增加，如图3动刚度曲线所示。

橡胶悬置的这个特点使得要设计一个满足所有要求的悬置很困难。

高刚度大阻尼悬置在低频时可以提供很好的隔振性能，但在高频时性能很差；而低刚度小阻尼可以很好的隔离噪声，却在低频时降低了隔振性能。

随着人们对汽车的舒适性和平顺性的的要求越来越高，纯橡胶块的结构已不能满足要求。

人们在此基础上，开发出了具有附加质量的橡胶悬置和并联液力减振器的橡胶悬置。

附加质量的橡胶悬置是利用附加质量吸收发动机悬置系统的振动，采用的是动力吸振器原理。

并联液力减振器的橡胶悬置是利用液压阻尼来增加悬置阻尼。

六十年代，通用公司申请了第一个液力悬置专利。

到了七十年代末，大众公司开始在Audi上应用液力悬置。

随后的二十年里，世界上各大汽车公司都相应的研究开发了用于不同汽车的液力悬置系统，其控制方式也从被动控制式液力悬置发展到主动控制式液力悬置，并取得了满意的效果。

相比于橡胶悬置，液力悬置具有良好的动特性，它能满足汽车不同的减振降噪要求：在低频大振幅时有较大的阻尼，可有效衰减汽车振动；在高频小振幅时又具有较低的动刚度，可以降低车内噪声，特别是降低车腔共鸣声。

图4 某汽车动力总成液压悬置结构1. 联接螺柱2. 金属骨架3. 橡胶主簧4. 缓冲限位盘5. 解耦盘6. 惯性通道入口7. 惯性通道体上半部分8. 惯性通道9. 惯性通道体下半部分 10. 底膜 11. 底座12. 安装定位销13. 联接螺栓 14. 空气室 15. 气孔 16. 补偿孔液压悬置的基本原理如图4所示。

当橡胶主簧承受动态载荷上下运动时，产生类似于活塞的泵吸作用。

当液压悬置受到低频、大振幅的激励时，如果橡胶主簧被压缩，上腔体积减小，压力升高，迫使液体流经惯性通道被压入下腔；如果橡胶主簧被拉伸，上腔体积增大，压力减小，下腔内液体流经惯性通道被吸入上腔。