動(dòng)力總成懸置NVH性能分析及優(yōu)化

雷冰芬，房拴虎 Lei Bingfen，F(xiàn)ang Shuanhu

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動(dòng)力總成懸置NVH性能分析及優(yōu)化

雷冰芬1，房拴虎2Lei Bingfen1，F(xiàn)ang Shuanhu2

（1. 東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057；2. 東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)技術(shù)中心，湖北 武漢 430057）

為解決某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)怠速抖動(dòng)劇烈造成車(chē)身出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的NVH（Noise，Vibration，Harshness，噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度）性能進(jìn)行研究分析。通過(guò)建立NVH數(shù)學(xué)模型從理論上對(duì)性能進(jìn)行計(jì)算和分析，并進(jìn)一步利用能量解藕法原理對(duì)懸置進(jìn)行優(yōu)化，以提高動(dòng)力總成懸置的NVH性能。整車(chē)主觀評(píng)價(jià)、客觀評(píng)價(jià)和耐久試驗(yàn)表明優(yōu)化后降低了整車(chē)振動(dòng)，提高了乘坐舒適性，解決了車(chē)身裂紋的問(wèn)題。

動(dòng)力總成；懸置；NVH；振動(dòng)；優(yōu)化

0 引 言

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，是動(dòng)力總成與車(chē)架（或承載式車(chē)身）之間的彈性連接系統(tǒng)，其隔振性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)向車(chē)體的傳遞?，F(xiàn)代汽車(chē)普遍使用彈性懸置系統(tǒng)來(lái)隔離發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到車(chē)身的振動(dòng)，以降低車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲。合理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)，可以減小由動(dòng)力總成傳遞到車(chē)身的激振力，并降低由此激發(fā)的車(chē)身和底盤(pán)相關(guān)零部件的振動(dòng)和噪聲。如果設(shè)計(jì)不合理，其產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲得不到好的控制，會(huì)損壞汽車(chē)零部件，縮短汽車(chē)的使用壽命。因此，對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的研究是整車(chē)減振降噪中一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。

1 動(dòng)力總成懸置設(shè)計(jì)的隔振機(jī)理

1.1 頻響特性

目前懸置設(shè)計(jì)的優(yōu)劣廣泛采用振動(dòng)傳遞率（或隔振率）來(lái)評(píng)價(jià)，幅頻響應(yīng)曲線如圖1所示，表明頻率比與振動(dòng)傳遞率之間的關(guān)系，這是減振原理中重要的依據(jù)。

頻率比與振動(dòng)傳遞率之間的關(guān)系為

式中，f為頻率比，指強(qiáng)制振動(dòng)的頻率與自振頻率之比；為阻尼比。

1.2 共 振

由圖1幅頻響應(yīng)特性曲線[1]可知，頻率比由小增大，振動(dòng)傳遞率迅速上升，頻率比接近1，即外激振動(dòng)頻率接近自振頻率時(shí)，輸出振幅出現(xiàn)最高峰，出現(xiàn)共振。

圖1 不同阻尼系數(shù)下幅頻響應(yīng)曲線

1.3 隔 振

普通橡膠懸置軟墊的系統(tǒng)阻尼一般很小，可不予考慮，即認(rèn)為=0，此時(shí)振動(dòng)傳遞率簡(jiǎn)化為

由此可知，頻率比越大，隔振效果越好，但頻率比大于5后，隔振效果提高不明顯。

2 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布置

某款車(chē)型匹配前置前驅(qū)四點(diǎn)懸置動(dòng)力總成，在整車(chē)上的布置如圖2所示，懸置系統(tǒng)的布置[2]原則如下：

1）左、右2個(gè)懸置應(yīng)布置在扭矩軸上，并完全承受動(dòng)力總成的質(zhì)量；

2）前、后2個(gè)懸置承受動(dòng)力總成的偏轉(zhuǎn)力矩，且布置高度應(yīng)與動(dòng)力總成質(zhì)心高度相同。

2.2 主慣性軸及轉(zhuǎn)矩軸的計(jì)算

在動(dòng)力總成上建立坐標(biāo)系，為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心，軸平行于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線，軸過(guò)質(zhì)心遵循右手規(guī)則，軸過(guò)質(zhì)心垂直缸體向上。一般來(lái)說(shuō)，扭矩軸線通過(guò)質(zhì)心，但比主慣性軸略低一些，其與曲軸的夾角可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（3）求得。一般動(dòng)力總成曲軸、扭矩軸、主慣性軸之間的關(guān)系如圖3所示。

式中，為扭矩軸與主慣性軸的夾角；為主慣性軸與曲軸的夾角；I為軸的主慣性矩；I為軸的主慣性矩。

圖3 曲軸、扭矩軸、主慣性軸關(guān)系圖

發(fā)動(dòng)機(jī)在坐標(biāo)系中的質(zhì)量及慣性積見(jiàn)表1。

表1 質(zhì)量及慣性參數(shù)

根據(jù)表1構(gòu)造慣性矩陣，進(jìn)而求出各方向最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及方向余弦矩陣。

在CATIA中利用做圖的方式找出3個(gè)主慣性軸，進(jìn)一步求得扭矩軸的方向余弦，分別為0.241、0.013、0.004，根據(jù)扭矩軸設(shè)計(jì)各懸置點(diǎn)的位置。

2.3 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要使動(dòng)力總成固有頻率和解耦率得到合理分布，需要設(shè)計(jì)較小的動(dòng)靜剛度；要在汽車(chē)的所有行駛工況下控制發(fā)動(dòng)機(jī)的位移，需要設(shè)計(jì)較大的靜剛度；某款車(chē)型懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的解耦目標(biāo)及空間極限位移見(jiàn)表2。

表2 懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.4 懸置系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及解耦分析

懸置為平置式布置，要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)解耦，一是調(diào)整重心的位置，二是調(diào)整懸置軟墊的剛度。通過(guò)分析、計(jì)算詳細(xì)設(shè)計(jì)了動(dòng)力總成在整車(chē)上的布置位置，通過(guò)調(diào)整軟墊的剛度達(dá)到解耦的目的。利用ADAMS計(jì)算靜載時(shí)懸置系統(tǒng)的受力，結(jié)合懸置軟墊壓縮量限制（≤6 mm）估算懸置軟墊剛度，輸入?yún)?shù)見(jiàn)表3，將參數(shù)輸入動(dòng)力總成計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行CAE計(jì)算，解耦結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心及懸置軟墊位置

表4 懸置系統(tǒng)解耦結(jié)果 %

按照四點(diǎn)懸置的設(shè)計(jì)原則，靜載時(shí)前懸置不受力，預(yù)載受力及位移校核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。動(dòng)力總成位移見(jiàn)表6。

表5 懸置軟墊三向靜載力及位移

表6 動(dòng)力總成位移

由以上解耦結(jié)果可知，主方向上的頻率、解耦率、動(dòng)力總成位移在理論上可以滿足使用要求。

2.5 計(jì)算結(jié)論

按照動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的功能要求和設(shè)計(jì)原則，結(jié)合動(dòng)力總成的振動(dòng)特性，依據(jù)懸置系統(tǒng)的隔振機(jī)理，通過(guò)對(duì)某款車(chē)型動(dòng)力總成懸置進(jìn)行理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)可得出結(jié)論：

1）通過(guò)應(yīng)用能量解耦對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最大解耦率達(dá)到97.197%，且各階能量解耦程度均在76%以上，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解耦；

2）通過(guò)各極限工況的校核計(jì)算，動(dòng)力總成質(zhì)心位移和轉(zhuǎn)角最大為10.36 mm和3.14°，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)在15 mm和3.5°范圍內(nèi)的要求，實(shí)現(xiàn)了懸置系統(tǒng)具有控制動(dòng)力總成相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位移的功能。

3 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

研究對(duì)象需驗(yàn)證的問(wèn)題是解析熱機(jī)狀態(tài)動(dòng)力總成怠速抖動(dòng)問(wèn)題及對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)、座椅振動(dòng)的影響情況，并對(duì)優(yōu)化后的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，判斷解決問(wèn)題的效果，對(duì)車(chē)輛在各種工況下進(jìn)行位移判斷測(cè)試，以及整車(chē)10萬(wàn)km耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證懸置系統(tǒng)零件的耐久性及可靠性。

3.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證工況

車(chē)輛運(yùn)行30 min保證熱機(jī)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試：怠速下，測(cè)試P擋、R擋、N擋和D擋，手剎制動(dòng)，測(cè)試周期為30 s；原地升速下，測(cè)試P擋，轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷僦? 000 r/min。

3.2 測(cè)試點(diǎn)布置及說(shuō)明

1）參考坐標(biāo)：前、后、左、右、駕駛員座椅加速度傳感器方向定義選擇與整車(chē)坐標(biāo)方向一致。

2）測(cè)點(diǎn)布置位置：前懸置加速度傳感器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的支架和過(guò)渡梁上；后懸置布置在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的支架和副車(chē)架支架上；左、右懸置分別布置在懸置軟墊兩側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)身支架上；轉(zhuǎn)向盤(pán)測(cè)量加速度傳感器布置在最上方；駕駛員座椅測(cè)量加速度傳感器布置在右側(cè)導(dǎo)軌上。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)的目的，對(duì)動(dòng)力總成懸置進(jìn)行怠速和升速振動(dòng)測(cè)試，并檢測(cè)怠速時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)的模態(tài)以及其和駕駛員座椅的振動(dòng)情況。

3.3.1 怠速狀態(tài)

在怠速狀態(tài)下對(duì)優(yōu)化前、后懸置隔振效果進(jìn)行對(duì)比分析，后懸置優(yōu)化前、后隔振效果明顯，各方向隔振量均大于15 Hz，左、右懸置由結(jié)構(gòu)決定，在方向上隔振量小，但振動(dòng)本身不大，前懸置優(yōu)化前、后各方向隔振差，特別是優(yōu)化前在方向存在著振動(dòng)放大的情況，優(yōu)化后明顯改善，隔振量見(jiàn)表7。

表7 隔振量對(duì)比 dB

續(xù)表7 dB

優(yōu)化前優(yōu)化后隔振量變化 前X5.621.215.6 Y7.616.89.2 Z0 10.910.9 后X18.826.88.0 Y17.922.44.5 Z26.123.2-2.9

轉(zhuǎn)向盤(pán)及座椅優(yōu)化[3]前、后振動(dòng)加速度見(jiàn)表8。

表8 振動(dòng)加速度 m/s2

3.3.2 原地升速懸置系統(tǒng)隔振測(cè)試

車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由怠速提高至5 000 r/min，關(guān)注優(yōu)化后對(duì)前懸置隔振效果不佳引起振動(dòng)放大問(wèn)題的改善情況，優(yōu)化后前懸置、、頻譜如圖4～6所示，通過(guò)對(duì)前懸置升速頻譜圖進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在共振現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4 400 r/min附近時(shí)，振動(dòng)相對(duì)大些，但實(shí)際中此轉(zhuǎn)速應(yīng)用范圍很小，此處稍有振動(dòng)可以忽略，因此優(yōu)化工作總體上效果明顯。

圖4 X向頻譜圖

圖5 Y向頻譜圖

圖6 Z向頻譜圖

4 總 結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的合理匹配對(duì)降低汽車(chē)整車(chē)振動(dòng)、提高乘坐舒適性有著重要作用。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)某款車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行隔振性能的研究。

為了解決工程實(shí)際問(wèn)題，以某車(chē)型存在的懸置系統(tǒng)NVH問(wèn)題為例，從理論上進(jìn)行整體布置、系統(tǒng)計(jì)算校核、優(yōu)化方案對(duì)比，并進(jìn)行大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，解決目前公司某車(chē)型中存在的車(chē)輛怠速抖動(dòng)、高速振動(dòng)大、零部件耐久損壞等嚴(yán)重問(wèn)題，具有實(shí)際意義。研究結(jié)果不僅解決了公司某車(chē)型存在的懸置系統(tǒng)NVH問(wèn)題，而且縮短了整車(chē)開(kāi)發(fā)周期，該車(chē)型自上市以來(lái)，其N(xiāo)VH性能贏得市場(chǎng)的一致好評(píng)，年產(chǎn)量突破20 000臺(tái)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷(xiāo)量位居前列，成為公司整體利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)之一。

為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH性能研究提供一種解決問(wèn)題的思路和方法，為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試提供一套有效的參考數(shù)據(jù)，對(duì)今后同類(lèi)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。懸置NVH問(wèn)題近年來(lái)越來(lái)越被業(yè)內(nèi)重視，隨著技術(shù)水平的提高和CAE分析的專(zhuān)業(yè)化，振動(dòng)系統(tǒng)的研究更趨完善，整車(chē)懸置系統(tǒng)NVH性能將會(huì)躍上一個(gè)新的臺(tái)階。

[1]上官文斌，蔣學(xué)鋒.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車(chē)工程，1992（2）：103-110.

[2]《汽車(chē)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)：設(shè)計(jì)篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]余志生．汽車(chē)?yán)碚摚ㄐ抻啽荆M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

2017-07-05

1002-4581（2017）06-0032-05

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A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.06.010