动力总成悬置系统设计原理

动力总成悬置系统设计原理

摘要：动力总成的安装方法对改善整车的噪音和振动起着非常重要的作用，尤其是发动机的爆发压力引起的噪音和振动；此外对改善整车的驾驶舒适性也很有效。这篇文章描述了动力总成悬置系统设计的基本概念和评估动力总成一套新方法。众所周知，一种解耦的动力总成悬置系统具有很好的NVH特性。但是，动力总成悬置系统传递力之间解耦的百分比（力之间相互影响的程度）到底有什么关系、什么是真正意义上的解耦、怎么来评估它，以及解耦了多少···；对于许多工程师来说仍不明确。传统的“一个坐标系”运动能量指数不能给出清楚的画面，发动机悬置系统是如何解耦，常常令人误解。新的概念更关注动力总成系统引起的激励。KEF是在球形坐标系中模拟，发动机和扭矩旋转轴坐标系，以及解耦的评估直接针对

某一特定的激励。球形坐标系下的KEF着重关注来自路面和轮胎的激励；发动机的KEF着重关注来自气缸方向的力和扭矩产生的激励；而TRA坐标下的KEF着重关注在怠速隔振临界条件下曲轴扭振引起的激励

英文缩写：

NVH - N oise V ibration Harshness 噪音振动粗暴

KEF - Kinetic Energy Fraction 运动能量指数

TRA - Torque Roll Axis 扭矩旋转轴

FEA - Finite Element Analysis 有限元分析

CG - Center of Gravity 重心（质心）

MOI - Principal moment of inertia 主惯性矩

DOF - Degree of Freedom 自由度

EMA - Engine Mount Analysis 发动机悬置分析

介绍

动力总成悬置是伴随整车的诞生而产生的，但是直到1918年，动力总成悬置仅仅用大而高强度的螺栓连接；允许动力总成通过与底盘刚性连接的横梁把振动传递到车身上。直到如今，相类似的悬置仍可在跑车上看到，但是这种悬置在轿车上已经不用了，由于它存在耐久性和NVH的问题。

在轿车上逐渐从刚性悬置发展到半柔软性的悬置，它通过利用螺旋弹簧和橡胶衬垫来实现。这样有助于解决许多零部件的耐久性问题，但是不能解决更多的NVH问题。1920年以后，开始尝试利用橡胶的特性来进行隔振和吸收发动机的振动。20世纪20年代后期，由Chrysler 首先提出动力总成浮动悬置的概念，并且在四缸发动机取得突破性进展。这也就是把弹性轴与扭矩旋转轴综合在一起考虑的第一次尝试。

在1950年Riesing 总结了美国制造的19座客车的悬置系统布局。把弹性轴与扭矩旋转轴对齐，并且把悬置点的位置选择在打击中心，主要用来改善整车的NVH。从20世纪60年代到90年代，许多技术人员主要在悬置系统的解耦方面和从分解发动机激励的响应频率方面进行了大量的研究工作（如1982 Racca Sr., 1984 Geck, 1985 Ford, 1997 Solomon ）。有一些研究者关注把从发动机上的响应或力传递到车身上如何使它最小化的问题。优化技术常用来通过调整悬置的参数来使响应最小化（1993 Bretl）。这种方法的问题在于通常需要有关详细整车方面的信息，但是这些信息在详细设计没有完成之前无法提供。

把理论和实践两方面结合起来看，解耦的发动机悬置系统是非常好的着眼点，对于整车的研发来说。通过对整车进行有限元模型分析计算，来调整悬置的刚度是非常容易实现，之后，再改善整车的NVH性能。可是，解耦的概念在许多出版文献中介绍的不是很清楚。在某一坐标系下的KEF指数被广泛应用在动力总成悬置系统中，这篇文章介绍了在激励方向上评

估解耦的一个新概念。给出了发动机在某一特定激励下的如何响应的一幅清晰的画面。

假设

为了解耦，假设动力总成是刚性的，把它安装在地面上。假设也有一小的位移量，假设激励的谐波和频率都是已知的。悬置可假定为三轴线形弹簧，用一定比例粘性（或结构）阻尼做成。为了考虑悬置的打击中心（参考基本概念6），载荷被限制在由于路面的贡献而产生的一个脉冲范围内。

基本概念

1：整车坐标系：原点在车身前方，正X方向从前到后，正Y方向指向右侧（从驾驶员到副驾驶），正Z方向朝上（如图1）。这个坐标系的原点被移到动力总成的质心位置，当计算KEF指数时。

2：发动机坐标系：原点在曲轴中心线与发动机和变速箱结合面的交点处；正X方向从变速箱到发动机，沿着曲轴中心线，正Y方向指向右侧如果沿着正X方向看，正Z方向朝下（如图2）。

3：主惯性矩坐标系：原点在动力总成的质心位置，正X方向从变速箱到发动机，沿着最小主惯性矩轴线，正Y方向通常沿着最大主惯性矩轴线，正Z方向朝下并且沿着中等主惯性矩轴线（如图3）。

4：扭矩旋转轴坐标系：原点在动力总成的质心位置，正X方向从变速箱到发动机，沿着TRA方向， Y方向和Z方向可任意选择只要符合右手法则。由于动力总成的不对称，MOI 坐标系永远与发动机坐标系不平行。所以围绕曲轴中心线如果有一小的扭矩波动，被很软的像弹簧支撑着的动力总成将会有一个围绕TRA旋转的趋势。

5：弹性轴和弹性中心：弹性轴只能由悬置位置、方向和刚度来确定，而与动力总成的质量特性无关。如果最小静态力或力矩沿着某一方向作用到刚性的车身上导致车身在相同的方向产生一个位移或旋转，那么该方向就定义为某一弹性轴方向。弹性中心是弹性轴线的交点，弹性轴是从静态的观点来定义的，在静态下，动力总成移动加速度和角加速度为零。因此，质量特性可以忽略。

6：打击中心：不用进行详细的数学解释，简单的刚性钟摆（详见图4）。钟摆在O 点支撑，物体的质心位置是G。假定在OG的延长线上有一点Q，钟摆在Q点受到一个力，且与连线OQ垂直，这时在O点没有反作用力。则O点和Q点互为打击中心，也就意味着O点和Q点是可逆的。

r G是物体以G点为旋转中心的旋转

半径，I G是转动惯量。