汽车动力总成悬置系统振动分析及优化设计

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上海交通大学硕士学位论文
第一章
绪 论
1.1.1 动力总成悬置的作用
汽车发动机动力总成在工作状态下所受的力主要有静力(力矩)、瞬态和周期性激 振力(力矩)。发动机悬置系统既是弹性元件，又是减振装置，它的设计一般需要满足 以下几方面的要求[1]： （1）支承作用：悬置系统的最基本的作用是支承发动机动力总成，必须考虑发 动机动力总成重量及驱动反力矩引起的悬置变形，合理地分配每个悬置所承受的静 载，这样才能保证汽车发动机处于合理的设计位置，保证整个悬置系统的使用寿命。 （2）限位作用：当发动机在受到各种干扰力（如制动、加速或其他动载荷）作 用的情况下，悬置应能有效地限制动力总成的最大位移，以避免动力总成与相邻零部 件发生碰撞与干涉，确保发动机正常工作。 （3）隔振作用：悬置作为底盘与发动机的连接件，一方面它要阻止发动机向车 架传递振动力，另一方面它也必须阻止路面不平激励对发动机的振动和冲击。可见悬 置系统必须起到积极隔振和消极隔振的双重作用。 从隔振的角度而言，要求悬置越软越好，以将振动隔离到最小；而从支承和限位 的角度而言，考虑到空间结构的有限性，要求悬置越硬越好，以避免动力总成有很大 的位移，影响动力输出。正是由于这样的矛盾性，因此在悬置的设计中如何最优化地 选择悬置刚度是一个极为重要的问题。
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符号与标记
符号与标记
m
动力总成质量 (kg ) 簧下质量 (kg ) 动力总成转动惯量 (kg ⋅ m 2 ) 车身转动惯量 (kg ⋅ m 2 ) 悬置件主轴刚度 曲柄半径 (mm) 曲柄连杆长度比 发动机输出转矩 ( N im) 发动机曲轴角速度 (rad / s ) 主动侧加速度幅值 (m / s 2 ) 前、后悬架刚度 (N / mm) 前、后悬架阻尼 (N i s / mm) 系统振型 悬置点坐标位置 悬置主轴方向单位矢量 一阶往复惯性力 ( N ) 系统广义坐标 六自由度系统阻尼矩阵 方向转移矩阵 六自由度系统外力矩阵
1.1.2 动力总成悬置的动特性要求
从车辆的不同工况来看，分析发动机的激励和路面不平度对汽车振动的影响，可 以得到理想动力总成悬置应具有的动特性[3]：悬置应具有较高的静刚度以支承动力总 成重量和输出转矩；悬置应具有低频大阻尼高刚度的特性，以迅速衰减汽车起动、制 动、换档以及急加速、减速等工况下因发动机输出扭矩急剧变化而引起的大幅振动； 悬置在路面激励范围内（7-12Hz）应具有大阻尼，以迅速衰减因路面不平和轮胎不均 匀滚动引起的动力总成低频振动；悬置在怠速频率范围应具有较低的动刚度，以衰减 发动机剧烈的怠速抖动； 悬置应具有高频小阻尼、 低刚度的特性， 以降低振动传递率， 提高降噪效果。 综上所述，悬置系统应该具有低频高刚度大阻尼、高频低刚度小阻尼的特性，以 满足车辆不同工况下的响应需求。
学位论文作者签名：王 峰
日期：2008 年 1 月 30 日
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m2 mb
活塞及往复运动质量 (kg ) 车身质量 (kg ) 动力总成惯量积 (kg ⋅ m 2 ) 悬置件三向弹性主轴 悬置主轴与坐标轴夹角 (deg) 连杆长度 (mm)
二三缸中心线至质心距离 ( mm)
mu I xx I yy I zz
I xy I yz I zx
u v w
I b xx I b yy ku k v k w
k sf k sr csf csr
ϕ
xi yi zi i′ j ′ k ′ PjI q
C
广义坐标方向单位矢量 往复惯性力 ( N ) 二阶往复惯性力 ( N ) 六自由度系统质量矩阵 六自由度系统刚度矩阵 位置转移矩阵 十三自由度系统质量矩阵
T F
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符号与标记
C′
十三自由度系统阻尼矩阵 十三自由度系统外力矩阵 左悬置 后悬置
上海交通大学 硕士学位论文 汽车动力总成悬置系统振动分析及优化设计 姓名：王峰 申请学位级别：硕士 专业：@ 指导教师：张建武 20080101
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摘 要
汽车动力总成悬置系统振动分析及优化设计
摘 要
汽车动力总成振动是汽车振动的主要激振源之一，对汽车的舒适性 和 NVH 特性有很大的影响。 设计合理的动力总成悬置系统可以减少振动 传递，提高乘坐舒适性。本文以国产某轿车为研究对象，对动力总成悬 置系统隔振性能进行了分析研究。本文的研究工作包括以下几个方面： 首先，运用拉格朗日方程，建立了动力总成悬置系统动力学方程。 根据试验所获得的模型参数，在 Matlab 和 ADAMS 软件环境中建立了六 自由度仿真模型。 其次，结合实车试验，验证了所建模型准确性，并从系统固有频率 配置及振动解耦角度分析了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，应用优化算法对动力总成悬置刚度参数进行 优化设计，通过仿真分析比较了优化前后的固有特性，结果表明优化有 效提高了系统固有频率配置合理性和系统振动解耦率。 最后，建立了动力总成-整车十三自由度动力学模型，其仿真结果表 明优化后悬置刚度参数能改善怠速隔振特性，所建立的模型可以作为悬 置系统优化设计的虚拟样机。 本文的研究结果表明优化设计后的悬置系统其隔振特性有了较大的 改进，所运用的研究方法对悬置系统的优化设计具有一定的指导意义。
αu βv γ w
l
r
λ
Leabharlann BaiduM eo
A
n TdB
发动机曲轴转速 (rpm) 振动传递率 (dB) 被动侧加速度幅值 (m / s 2 ) 轮胎刚度 (N / mm) 悬置件阻尼 (N i s / mm) 振动耦合率 (%)
ω
aactive
a passive kt cu cv cw Tp i Pj PjII M K B M′ j k
K′
ET EV ED
十三自由度系统刚度矩阵 系统动能、势能、耗散能 右悬置 自由度（Degree of freedom）
F′
LHS RR
RHS DOF
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上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名： 王 峰
指导教师签名： 张建武
日期：2008 年 1 月 30 日
日期：2008 年 1 月 30 日
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第一章
绪 论
第一章 绪 论
1.1 概述
随着社会的进步和汽车技术的不断发展，人们对汽车的功能提出了更高的要求， 汽车的舒适性和 NVH(Noise、Vibration、Harshness)性能越来越受到人们的重视和关 注。 从整车系统来看，引起汽车振动的振源主要有两个，一是汽车行驶时的路面随机 激励；二是发动机工作时的振动激励。随着道路条件的改善和轿车悬架系统设计的完 善，路面随机激励对汽车乘坐舒适性的影响逐步减弱；而现代汽车的设计越来越强调 轻量化，但发动机的质量却难以降低。一方面发动机的质量在整车质量中所占比重有 所上升。另一方面，越来越多地汽车采用整体式的薄壁结构车身，使车身弹性增加， 振动趋势上升。以上诸多因素使得发动机振动激励在汽车振动中的作用更为显著。发 动机输出转矩的周期性波动和不平衡惯性力既激起动力总成本身的刚体振动和弹性 振动，又激起汽车动力传动系统的扭转振动、弯曲振动和整车的各种振动。这些振动 又引起车厢内空气共振产生的噪音，从而导致十分复杂的振动、噪声及结构疲劳强度 问题。因此，最大限度的减小发动机动力总成所产生的振动和噪声向车身传递，是汽 车减振和降噪的主要研究内容之一。 目前， 动力总成悬置系统的设计受到了广泛重视， 如何更有效地隔离阿发动机振动已成为汽车设计的重要课题。 动力总成悬置系统作为汽车振动系统的一个重要子系统， 其振动的传递特性对汽 车舒适性和 NVH 性能有很大影响。汽车动力总成悬置系统是指动力总成(包括发动 机、离合器及变速器等)与车架/底盘之间的弹性连接系统，适当选择动力总成悬置系 统的参数可以降低发动机的振动传递，由此降低汽车整车的振动和噪声水平，改善汽 车的舒适性，同时还可以保证动力总成工作安全可靠，避免动力总成零部件及其附件 的过早损坏， 发动机动力总成悬置元件作为振动传递途径中的重要元件对汽车的隔振 降噪是不可忽视的一个环节。
关键词：动力总成，悬置系统，隔振，解耦率，优化
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ABSTRACT
VIBRATION ANALYSIS AND OPTIMAL DESIGN OF AUTOMOTIVE POWERTRAIN MOUNTING SYSTEM
ABSTRACT
As the main source of vibration, the powertrain system has a great impact on ride comfort and NVH characteristics for modern vehicles. A well-designed powertrain mounting system can significantly decrease the vibration transmission and improve ride comfort. In this paper, the vibration isolation characteristics of mounting system are studied based on a front wheel drive powertrain platform. The dynamic equation of powertrain mounting system is derived by applying Lagrange Equation. A simulation model is also built up by using MATLAB and ADAMS separately with the model parameters obtained by experiments. The accuracy of model is verified by comparing with the test data on vehicle. Vibration characteristics including natural frequencies and decouple rates are analyzed then. Aiming to improve system decouple rates, optimum method is used to optimize mount rates with specified boundary conditions. The vibration characteristics are compared by simulation before and after optimization, the feasibility is verified. In addition, a full powertrain-vehicle model is also proposed in this paper, and the simulation results show that it can be used as a virtual machine. The study proves that the vibration isolation effect is improved on comparison by optimization. The methodology is equally applicable to other mounting systems. Keywords: powertrain, mount system, vibration isolation, decouple rate, optimization