基于乘坐舒适性的动力总成悬置系统性能优化

樊帆 庄毅胜 刘梦岩

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

近年来人们对乘坐汽车的舒适性要求不断提高，其中动力总成振动对整车行驶舒适性的影响越来越受到重视[1]。动力总成本身作为一个刚体，在路面的激励作用下，也受到汽车各部分共振的影响，最终传递给乘员，引起乘坐不舒适。悬置系统要求能充分隔离由发动机产生的振动，在向车架及驾驶室传递的同时能充分隔离由路面不平产生的通过悬置传向发动机的振动。成功地控制动力总成的振动，主要取决于悬置系统的结构形式、几何位置、悬置软垫的结构和刚度及阻尼等性能参数。文章通过对悬置系统的刚度及阻尼等性能参数的优化，改善了整车乘坐的舒适性。

1 汽车地板抖动分析

在某乘用车的舒适性主观评价中发现，汽车在粗糙不平路面激励下出现地板连续抖动并且无法衰减的情况，其中前排更为严重。为查找该问题产生的原因，采用关闭发动机并以20 km/h的速度进行空挡匀速通过木块的平顺性试验，并采集前排座椅导轨、前转向节、前减振器塔座、发动机悬置主动端及发动机悬置被动端等测点的数据进行分析。发动机主动端/被动端/前排座椅导轨Z向振动时域图和频域图，如图1所示。

图1 优化前某乘用车测点Z向振动时域图和频域图

从图1a可以看出，发动机主动端振动最大，悬置被动端及驾驶员座椅导轨随悬置主动端振动，并且振动衰减较差；从图1b可以看出，发动机主动端频率在9.22 Hz时，加速度存在明显峰值，前转向节等测点无明显峰值。因此，可初步判断该车在粗糙不平路面激励下频繁出现的抖动是由发动机Bounce模态引起。

2 动力总成悬置系统优化匹配

2.1 系统模型

将动力总成视为空间弹性支承的刚体，为一个具有6个自由度的振动系统[2]，由n个（n=3）悬置支承，其中2个悬置在车身上支承动力总成，1个悬置在车架端控制动力总成运动。将各悬置简化为沿空间3个相互垂直的（Xi，Yi，Zi方向）具有刚度的弹簧。动力总成悬置系统模型，如图2所示。

图2 汽车动力总成悬置系统模型图

在外力作用下，用矩阵表示多自由度振动方程，如式（1）所示。

式中：[M]——惯性矩阵，包含动力总成质量、转动惯量和惯性积等参数；

[K]——刚度矩阵，包含各悬置原件的动刚度、安装角度和安装位置等参数；

[F]——作用在动力总成上的力，包含力矩和力等参数；

q——广义坐标向量。

根据以上简化在ADAMS中建立动力总成悬置系统分析模型，如图3所示。

图3 动力总成悬置系统ADAMS模型图

2.2 系统参数

动力总成质量、转动惯量和质心、悬置弹性中心、初始刚度及动静比等相关设计输入，如表1～表3所示。

表1 动力总成的质量惯性参数表

表2 质心及悬置弹性中心坐标

表3 动力总成悬置初始静刚度和动静比

2.3 系统刚体模态计算

根据相关输入计算动力总成悬置系统刚体模态频率，如表4所示。

表4 优化前动力总成悬置系统刚体模态频率Hz

由表4可知，该动力总成悬置系统在Bounce方向的模态频率为9.1 Hz，与实测9.22 Hz的峰值频率较为相近。

2.4 系统性能参数优化

因该动力总成左右悬置总成和抗扭拉杆总成均采用纯橡胶悬置，为解决汽车在粗糙不平路面激励下出现连续抖动并且无法衰减的问题，同时兼顾动力总成悬置系统的解耦要求，需要优化该动力总成悬置系统性能参数（包括重新优化动力总成悬置系统刚体模态频率及增加悬置系统阻尼）。

2.4.1 刚体模态频率优化

由于抗扭拉杆总成为沿用件，故需重新优化左右悬置总成刚度，这里以左悬置3个方向刚度（KXi，KYi，KZi）和右悬置3个方向刚度（KXj，KYj，KZj）共6个变量作为初始变量。

设计约束包括动力总成悬置系统垂向及绕曲轴方向刚体模态的频率与其余模态的频率间隔在1 Hz以上，其它模态频率之间的间隔在0.8 Hz以上；垂向模态频率位于8～9 Hz；各阶模态频率均需要大于6 Hz，且低于发动机怠速激励频率的倍[3]。

根据相关系统参数输入，采用ADAMS insight进行优化[4]，得到动力总成悬置系统刚体模态频率，如表5所示，Bounce模态从9.1 Hz降低到8.6 Hz，悬置静刚度，如表6所示。

表5 优化后动力总成悬置系统刚体模态频率Hz

表6 优化后悬置静刚度及动静比

2.4.2 悬置系统阻尼

原系统右悬置为橡胶，悬置阻尼较小。新设计右悬置采用液压悬置，滞后角峰值频率设计在10 Hz左右[5]，提高动力总成悬置系统对Bounce模态的振动衰减，液压右悬置滞后角曲线，如图4所示。

图4 液压右悬置滞后角曲线图

3 试验验证

采用性能参数优化后的动力总成悬置系统进行试验，主观评价抖动改善明显。关闭发动机并以20 km/h的速度进行空挡匀速通过木块的平顺性试验，采集前排座椅导轨和发动机悬置主被动端等测点的数据进行分析，如图5所示。从图5a可知，悬置主动端振动明显减小，悬置被动端在系统阻尼作用下衰减明显改善；从图5b可知，悬置被动端与驾驶员座椅导轨峰值频率与悬置主动端明显错开，悬置主动端振动峰值频率从9.22 Hz降低到9.03 Hz，加速度峰值明显减小，时域最大振动峰值降低了36.4%，由路面连续激励引起的汽车地板振动得到了有效的抑制。

图5 优化后某乘用车测点振动时域图和频域图

4 结论

1）文章通过对悬置系统性能参数的优化，使悬置系统Bounce模态处于合理范围，解决了整车在粗糙不平路面连续激励下出现的振动耦合，同时应用液压悬置提高系统振动衰减能力，使地板振动峰值降低，振动衰减改善，试验证明该方法能有效解决车辆地板抖动的乘坐舒适性问题；

2）不足之处在于，在悬置系统参数匹配过程中，需要同时兼顾动力总成怠速振动及乘坐舒适性的匹配，文章仅对乘坐舒适性要求下的悬置系统进行参数匹配。