某车型动力总成悬置系统解耦优化

王冬冬 张鹏 古晓杨

（一汽轿车股份有限公司）

随着越来越多的汽车产品走入千家万户，人们对汽车乘坐舒适性的要求也越来越高。在汽车设计过程中，振动和噪声是最易被用户感知且需首要解决的问题。动力总成悬置系统的设计与振动和噪声息息相关，其中涉及悬置系统布置、零件选型、零件结构设计及动力总成悬置系统的计算分析等。悬置系统在开发过程中，需重复进行上述环节，以便获得成本和性能均满足要求的设计。文章针对某车型悬置系统设计过程中出现的问题，对单一零件结构和性能进行优化，通过计算分析使系统性能满足设计要求。

1 动力总成悬置系统能量解耦法

1.1 动力总成悬置系统模型建立

将动力总成假设为质量集中在质心处的低速小位移的6自由度刚体[1]，橡胶悬置元件假设为3根互相垂直的线性弹簧模型，在车架视为刚体的情况下建立模型，如图1所示。

图1 动力总成悬置系统模型示意图

1.2 动力总成悬置系统动力学理论

对于多体动力学，目前已经形成了比较系统的研究方法，其中拉格朗日方程是汽车工程中较常用的方法，将系统的总动能和总势能均以系统变量的形式表示：

式中：ET——系统动能，kJ；

EV——系统势能，kJ；

q——整车坐标系下系统的广义坐标；

t——时间，s；

x，y，z——沿x，y，z方向的位移，m。

空间弹性刚体6自由度自由振动微分方程的矩阵表达如下[2]：

式中：M——惯性矩阵；

K——刚度矩阵；

q¨——整车坐标系下广义加速度列向量。

M-1K的特征值是系统圆频率的平方，特征向量是系统的固有振型。系统的固有频率为：

式中：f——系统的固有频率，Hz；

ω——圆频率，rad/s。

1.3 能量解耦法

能量解耦法是在得到悬置系统的6个固有模态后，利用振型得到悬置系统的能量分布，根据能量分布判断动力总成悬置系统是否解耦或其解耦的程度[3]。

根据系统的惯性矩阵和刚度矩阵，当系统以第j阶固有频率振动时，第k个广义坐标所占的能量百分比（Dkj）如下：

式中：φjk，φjl——第j阶主振型的第k个、第l个元素；

mkl——质量矩阵第k行、l列元素。

2 某车型悬置系统解耦及优化

目前国内很多主机厂的新车型开发是在底盘平台和动力总成已选定的情况下进行的，使得悬置系统的布置空间及悬置软垫的结构形式都受到了一定的限制，无法实现动力总成的6种模态完全解耦。因此，通常的设计要求绕Y向转动和Z向平动的解耦度在85%以上，其余模态在80%以上即可，同时要兼顾各模态的频率间隔在1 Hz以上。

2.1 悬置系统解耦计算

通过实际测量获得动力总成参数，如表1所示。动力总成及悬置位置信息、悬置安装角度，以及根据已选定的悬置软垫结构，预设的悬置刚度，分别如表2～表4所示。计算结果，如表5所示。

表1 动力总成惯量参数

表2 动力总成及悬置位置 mm

表3 动力总成悬置安装角度 （°）

表4 动力总成悬置刚度 N/mm

表5 悬置系统解耦计算结果 %

评价：绕Y向转动解耦度不足85%，Y向平动和绕Z向转动模态解耦度不足80%，且X，Y，Z平动模态频率间隔不足1 Hz。所以，悬置系统解耦计算结果不满足设计要求，需优化。

2.2 悬置系统解耦优化

从输入参数考虑，表1的动力总成惯量参数不可变，表2～表4与布置边界和悬置结构相关，在车身纵梁及发动机舱布置基本确定后，悬置布置边界仅可进行微调，通常通过优化悬置刚度来改善解耦情况。对于此车型，为更好地控制整车成本，右悬置和后悬置的结构及性能与其他车型有借用关系，只能在不改变结构的情况下对刚度进行微调。因此将优化的重点放在左悬置上。

在仅优化左悬置，刚度性能未能满足设计要求的情况下，对左悬置结构进行重新选型，从而达到改变悬置弹性中心和刚度的目的。优化前后左悬置结构，如图2所示。从图2可以看出，变更前后左悬置的悬置坐标系U，V方向互换，从而提高左悬置U向刚度，降低V向刚度。同时，由于橡胶衬套结构的变化，优化了左悬置弹性中心点位置。

图2 优化前后左悬置橡胶结构

左悬置结构变更后，经过多轮优化分析后，确定左悬置弹性中心位置及3个悬置的刚度值分别如表6和表7所示。

表6 左悬置位置 mm

表7 左悬置刚度 N/mm

优化左悬置结构和各悬置刚度后，此车型解耦计算结果，如表8所示。优化后，模态频率分布及解耦率满足设计要求。

表8 优化后悬置系统解耦计算结果 %

3 结论

对某车型动力总成悬置系统的优化研究发现，通过对悬置系统中单一零件的结构和性能进行优化，可以起到较好地改善动力悬置系统性能的作用。与其他研究论文在计算分析理论层面的研究是一致的，不同之处在于研究的切入点更贴近生产实际，研究结果有效地指导了生产实践并已经在车型上应用。在车型动力总成悬置系统的开发过程中，有很多的限制因素，如设计边界、成本等，导致设计方案不适宜做大的更改。在这种情况下，文章阐述的内容对开发工作有较好的指导意义。在后续的研究中，希望能够找到更适宜的零件结构和更经济的成本，来解决生产实际中遇到的悬置系统开发问题，使动力总成悬置系统性能进一步提高。