汽车动力总成悬置系统隔振设计分析方法

图!
动力总成悬置系统简化模型
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
参考文献： ［S］ 丁渭平， 陈花玲 " 腔体声振耦合分析的对称有限元 模型及 其 特 性 研 究 " 西 安 交 通 大 学 学 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ， #$$$， &) （P） ： SO Q R# ［R］ 丁渭平， 陈花玲， 胡选利 " 腔体声振耦合方程低频解 耦误差的研究 " 噪声与振动控制， （)） ： #$$$ R Q !$ （编辑
［%］ 计目标 。
" %
! # ) $ ) ")$)#)
)%%
$ $
（"） * #) ")
* % % $) * #) % % #)
$) * * ")
*
$ 式中， （ ") #) $) ） 为第 ) 个悬置的弹性中心在扭矩轴坐标
系下的坐标； （即图 % ") 为各悬置在自身弹性主轴坐标系 中的 +,- 坐标系） 下的刚度矩阵； $) 为动力总成扭矩轴坐 标系在第 ) 个悬置的弹性主轴坐标系下的方向余弦矩阵。
［(］ 车身弯曲振型节线的两侧 。
成上的驱动反力矩比 ’+ 式汽车大大增加， 这就 要求提高悬置的静刚度。同时， ’’ 式汽车动力总 成与 ’+ 式相比， 其扭矩轴与曲轴的夹角明显增 往往由 大， 当其悬置系统采用 , 型布置方案时， 于布置空间和布置位置的限制， 难以使得悬置组 在布置平面内关于扭矩轴坐标系的 # - $% - 平面 对称、 达到使悬置组的弹性中心落在扭矩轴上的 目标。因此， 有必要在整车总布置初期预留必要 的空间。 （*） 整车振动控制性能要求对动力总成悬置 系统设计的影响 为了抑制路面激起的整车振 动， 可适当配置动力总成悬置系统的垂向振动模 态频率， 使其起到控制整车振动的动力吸振器的 作用， 由动力总成吸收经过悬架传递上来的振动，
在该系统中， 常采用 ! 个互相关联的坐标系， 即发 动 机 曲 轴 坐 标系 !"#$ 、 动力 总成 主 惯 性 轴 坐 标系 !" # # # $ # 和 动力 总 成 扭 矩 轴 坐标系 !" $ # $ $ $， 它们 的 原 点 都 设 在动 力 总 成 的 质 心 ! 处， 见图 "。 发 动机 曲 轴 坐 标 系
确定了扭矩轴 " $ 之后， 取 $ $ 轴在曲轴坐标 系的 "!$ 平面内， 即 $ $ 轴与 # 轴的夹角为 )*’ ， 建 立扭矩轴坐标系。 扭矩轴坐标系中只有 " $ 轴是惟 一确定的， 其余两轴可以有不同的选择方式。 由主 转动惯量矩阵按二阶张量在不同坐标系下的转换 关系可以确定扭矩轴坐标系下的惯量矩阵， 再通 过下式求出系统的刚度矩阵 " 后， 就能够对动力 总成悬置系统的固有振动频率和振型进行分析。
汽车动力总成悬置系统隔振设计分析方法— — —吕振华
罗
捷
范让林
文章编号： （#$$&） !$$) @ !&#! $& @ $#RS @ $S
汽车动力总成悬置系统隔振设计分析方法
吕振华 罗 捷 范让林
摘要： 动力总成是汽车的主要振源。动力总成隔振悬置系统的布置设计 与发动机缸数、 发动机布置方式、 汽车动力传动系的型式及整车隔振性能要 求等诸多因素有关。在讨论动力总成悬置系统的设计理论与优化方法的基 础上， 系统地分析了这些因素对动力总成悬置系统隔振性能设计目标的影 响， 并针对两种动力总成进行了优化设计计算分析， 通过调节悬置的安装位 置、 安装角度及悬置的三向主刚度， 使系统的解耦程度提高。 关键词： 动力总成隔振系统； 设计理论； 优化设计方法； 刚体振动； 模态解耦 中图分类号： T)R) " ! 文献标识码： 4 建立了优化数学模型， 根据整车振动性能要求对 优化过程加以约束， 针对四缸和六缸发动机动力 总成系统进行了悬置系统优化设计计算分析。
! %［%
# # #
&" &’( !## # &# &’( !"
# #
&" &’( !$# $ # ］ &$ &’( !"
# #
（%）
式中， &" 、 &# 和 &$ 分别为动力总成绕主惯性轴的 ! 个主 转动惯量； !"# 、 !## 和!$# 分别为主惯性轴坐标系的 ! 根坐 标轴 " #、 （以下的 # # 和 $ # 与曲轴坐标系 " 轴之间的夹角 表示类似） 。
! . " 动力总成悬置系统隔振性能要求及布置设 计方法 ・ "++ 万方数据 ・
汽车动力总成悬置系统隔振设计分析方法— — —吕振华
罗
捷
范让林
基于动力总成子系统进行其悬置系统的初步 设计后， 还需在整车振动系统中考核、 评价和完善 设计方案， 特别是需要考察动力总成系统振动特 性与车体 ! 整车系统振动特性的相互影响。通常 选择驾驶员座椅、 转向盘、 车底板前部等处的振动 响应和驾驶室座椅之间等处的噪声响应来评价动 力总成悬置系统的隔振性能。当然， 若基于整车 系统振动模型进行动力总成悬置系统的设计分 析， 在设计计算过程中， 可逐一改变悬置的允许布 置位置及其刚度和安装角度， 通过传递函数 （频响 函数） 反映这些设计参数变化对于评价点振动响 应特性的影响， 实现悬置系统设计参数的优化。 汽车动力总成及传动系统型式的多样性对动 力总成隔振悬置系统提出了不同的设计要求， 导 致了动力总成悬置系统的布置方式的多样性。 （"） 发动机缸数的影响 不同缸数的发动机 对动力总成的振动激励型式和激励频率不同。对 于四缸四冲程发动机， 在低频区的激振成分主要 是第二、 四阶扭矩谐量， 在中高频率区的激振成分 主要是第二阶不平衡往复惯性力； 对于六缸四冲 程发动机， 其激振成分主要是第三、 六阶扭矩谐 量。根据隔振理论， 动力总成刚体振动模态频率 应比主要激振频率的 # $ %" 倍要小。考虑怠速隔 振的情况， 当发动机的怠速转速相同时， 四缸发动 机动力总成的刚体振动固有频率上限须低于六缸 机。 ’’ 式汽车的发 动机可以横置或纵置， 而横置发动机和纵置发动 机的倾覆力矩对车身的振动激励完全不同， 动力 总成刚体振动模态与车身的低阶弯曲、 扭转振动 模态的相互耦合、 匹配关系也完全不同。由于动 力总成的转动惯量 !" 一般比 !# 要大得多 （( ) * 倍左右） ， 动力总成的俯仰振动模态频率一般低于 侧倾振动模态频率， 动力总成的俯仰振动幅值往 往小于侧倾振动幅值。在发动机怠速工况下， 动 力总成的侧倾振动较大， 为了避免动力总成的振 动引起车身的低阶弯曲、 扭转模态共振， 在动力总 成悬置系统设计过程中需要合理匹配车身弯曲或 扭转振动模态与动力总成刚体侧倾振动模态的频 率， 同时对动力总成悬置安装点与车身固有振型 节线的相对位置关系进行合理匹配。例如， 对于 横置式发动机， 动力总成的前后悬置不宜跨置于
苏卫国）
机 &!$$#P）
械与能源工程学院机械工程博士后流动站、 万向集团技术中心 博士后工作站博士后研究人员。研究方向为 &!!#!S） 车身结构 声 学与 振 动 舒适 性 设 计及 系 统 动力 学。发 表 论 文 !)
万方数据
・ #RS ・
中国机械工程第 %- 卷第 ! 期 "**! 年 " 月上半月
［%， "］ 一问题 。 图!中
的 " 轴通常取为发动机曲轴轴线方向并指向发 动机前端， 当考察和检验动 $ 轴指向发动机顶端。 力总成的振动情况和隔振性能时， 一般都在曲轴 坐标系下进行分析。 然而， 在进行动力总成悬置系 统布置设计时， 则往往需要在动力总成的扭矩轴 坐标系下进行分析。 由于动力总成的质量分布不均匀， 主惯性轴 坐标系的 " # 轴与 " 轴并不重合。 动力总成在绕曲 轴轴线 " 的发动机波动倾覆力矩作用下产生的 侧倾运动是绕扭矩轴 " $ 的转动。 根据该定义， 扭 矩轴 " $ 在主惯性轴坐标系下的方位为
图" 动力总成的 ! 个坐标系
动力总成悬置系统的首要任务是隔离动力总 成振动向车身及车厢内部的传递， 尤其是控制发 动机怠速工况下的低频抖动， 并隔离发动机高速 运转时引起的车室内部的高频噪声， 因此需要考 虑车身系统振动特性对动力总成悬置系统设计的 要求和影响。 在进行动力总成悬置系统设计时， 可以将动 力总成子系统从整车系统中分离出来单独进行分 析， 而将整车隔振性能对动力总成悬置系统隔振 特性的要求作为悬置系统设计的约束条件。 这样， 汽车动力总成悬置系统布置设计的基本任务就是 在各种约束条件下解决动力总成的 + 个刚体振动 模态的运动耦合问题和频率配置问题。 如果系统 的固有振动模态存在运动耦合， 在某一自由度方 向上的振动会激起其它自由度方向的振动， 对系 统的隔振控制不利。 尤其在发动机怠速工况下， 发 动机倾覆力矩主谐量的频率与发动机的刚体振动 模态频率 （几赫兹到二十几赫兹）较为接近， 模态 耦合会使隔振性能恶化。 因此， 发动机动力总成隔 振悬置的布置设计方案必须追求实现动力总成刚 体振动模态解耦的目标， 首先应实现动力总成在 侧倾方向和垂直方向与其它自由度方向上的弹性 解耦。 为此， 在悬置 布置空间允许的情 况下， 通常采用 , 型布 置 的 悬 置 组 （见图 !） 来解决这
(
/、 ! 表示悬置组 的弹性中心及单个 悬置在垂向和水平 方 向 上 的 距 离， "
图! , 形布置的悬置组
为悬置的倾角， 01 、 02 分别为单个悬置的压缩刚 度和剪切刚度， 0 0## 、 0$$ 为悬置组在弹性中 ! !、 心 3 点的侧倾、 # 向刚度、 $ 向刚度。 当悬置元件的压剪刚度比 4 （ 4 % 01 5 02 ） 、 悬 置的倾斜角" 改变时， 悬置组的弹性中心点 3 的 位置就会相应地发生变化。 因此可以通过调节悬 置元件的压剪刚度比和倾斜角， 使悬置组的弹性 中心落在所需的位置。 由于悬置组在弹性中心点 为了达到动力 3 点的耦合刚度 0$# 、 0 $ 均为零， ! 总成刚体振动模态在侧倾自由度和垂向自由度与 其它自由度之间解耦的目的， 应该使悬置系统的 弹性中心落在扭矩轴上。 根据理论分析以及工程 实践经验， 利用 , 型布置方案可有效实现这一设
吕振华 教授
汽车动力总成在工作状态下的受力主要有稳 态力 （重力和驱动反力矩） 、 周期性激振力和瞬态 力。因此， 动力总成悬置系统的设计包括如下几 个方面： 必须考虑动力总成重量 "支承动力总成， 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， 保证整个悬置系统的使用寿 命。# 隔离动力总成振动， 包括控制发动机怠速 时较大幅度的低频抖动， 隔离高频振动以便降低 车室内的高频振动和噪声。$限制动力总成在冲 击工况下的过大位移。 汽车动力传动系统有多种型式， 发动机又有 纵置和横置两种不同的布置方式， 而不同汽车的 动力总成的性能参数及其布置空间也存在较大差 别， 这些因素导致汽车动力总成悬置系统布置的 限制条件各不相同， 因而布置方式也多种多样。 本文讨论了动力总成悬置系统隔振设计的基 本理论和方法， 并基于系统振动解耦的能量指标
作者简介： 丁渭平， 男， （杭州市 !%RO 年生。浙江大学 （杭州市 篇。
［!］ 丁渭平 " 车身结构低频声学分析理论及设计方法研 究： ［博士学位论文］ 西安交通大学， " 西安： #$$$ ［#］ 孙进才， 王冲 " 机械噪声控制原理 " 西安： 西北工业大 学出版社， !%%& ［&］［澳］诺顿 ’ ( 著 " 工程噪声和振动分析基础 " 盛元 生， 顾伟豪， 韩建明译 " 北京： 航空工业出版社， !%%& ［)］ *+,-.+ / 0，123, 0 4，05 678 92:+33 ; 0" <=5>?=>563 @ 6A ?2>-=B? CB7B=+ D3+E+7= 4763F-B- 2, =G+ 4>=2E2HB3+ (6--+7A I+5 J2EK65=E+7=：6 L+MB+: 2, J>55+7= (56?=B?+" 02>5763 2, （#） ：#)P Q #RR <2>78 678 NBH56=B27，!%O#， O$
收稿日期： #$$!—$S—!) 基金 项 目： 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 （%O$$$&#!） ； 丰田汽车公司资助项目
!
!"!
动力总成悬置系统隔振设计分析方法
动力总成悬置系统分析模型 考虑到动力总成悬置系统的固有振动频率一
般低于 &$9U， 通常将动力总成视为刚体； 同时将 各个悬置简化为沿空间 & 个相互垂直方向 （即主 刚度方向） 上的弹性—阻尼元件。这样， 动力总成 悬置系统将构成一个空间六自由度振动系统， 见 图 !。