基于能量解耦法的客车动力总成悬置隔振性能优化

张财智，柯馥，揭辉经

基于能量解耦法的客车动力总成悬置隔振性能优化

张财智，柯馥，揭辉经

（厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门361006）

针对某客车车身振动过大的问题，利用ADAMS对动力总成悬置系统进行解耦分析，得出车身振动过大的原因为动力总成悬置系统软垫刚度值不匹配，导致系统在六个振动模态方向上的能量分布相互耦合，使振动加剧。通过优化计算悬置软垫在不同方向上的刚度值，使系统在不同方向上的振动能量解耦，从而提高悬置系统隔振率，达到减振的目的，并经过测试验证。

能量解耦；动力总成；悬置隔振；性能优化

客车动力总成的悬置系统是连接车架与动力总成的定位及减振系统，由悬置软垫和安装支架构成[1]。在悬置系统的设计中，软垫刚度的选择十分重要，刚度值低有利于隔离发动机振动，但过低又容易导致动力总成在运转过程中有较大位移，与周围零部件发生干涉，并影响整车平顺性，而且会降低悬置软垫的使用寿命。通过能量解耦法计算出动力总成各个固有频率下各模态的振动能量百分比，从而指导设计师找出合适的软垫刚度值，使动力总成各个固有频率下模态解耦度得到提高，进而降低整车振动，同时保证软垫的定位和寿命要求。

1 动力总成原悬置系统解耦计算

1.1 车身振动问题概述

某款11 m旅游客车在运行过程中存在车身振动过大的问题。怠速状态下，方向盘、后视镜和座椅的振动尤为明显，且车内噪声较大，严重影响了此款车型的乘坐舒适性能。首先利用B&K测试系统测量并提取相关振动数据，以进行振动性能的量化评价。分别在发动机自由端和飞轮端左右4个悬置位置安装8个三向加速度传感器，读取隔振软垫上下方的振动加速度。测点位置

试验结果显示，怠速工况下各悬置软垫的隔振率并不理想，各测点的合成加速度如表1第一列和第二列所示。从表中可以看出，有3个点的隔振率低于理想值（80%），而飞轮端左侧悬置的隔振率最低，仅有11.87%。隔振率过低导致发动机的振动能量绝大多数通过悬置系统传递至车架和车身，从而使车厢内部振动加剧。

1.2 动力总成模态能量解耦概述

动力总成可以视为刚体（其固有频率一般在30 Hz以下，比系统作为弹性体的最低固有频率60 Hz低很多[2]）。在低频范围内动力总成有6个振动模态：前后、左右和上下3个方向上的移动模态和转动模态，分别用X、Y、Z以及Rxx、Ryy、Rzz表示其模态方向（以上坐标方向基于车身坐标系）。如果这些模态是彼此独立的，那么就可以把每个模态当成单自由度系统来处理。这样在处理一个模态的时候就不会影响另外一个模态。模态彼此独立的情况也称为模态解耦。但是，在实际工程中，要使得所有的模态完全解耦是不可能的。在某个频率处，会同时有两个或两个以上的模态存在，即有两种或者两种以上的振动形态。这种模态并存的情况叫做模态耦合[3-4]。

每个模态都有一定能量，用Eij来表示，其中i表示第i个模态，i=1，2，...，6；j对应频率fj，j=1，2，...，6。在某个频率fj下，所有模态能量之和为该频率fj下的模态总能量，用Ej来表示：

对于频率fj，单个模态能量与总模态能量的比值（即模态能量百分比）表明这个模态能量的强弱，用ξij表示如下：

在这个频率下，如果一个模态能量占到总能量的98%就表明这个模态能量非常强。同时也表明此频率下的运动是由这个模态主导的，说明该频率下振动解耦程度非常高。这种分析评价方法就是“能量解耦法”[5]。可以说，解耦程度的高低是评价动力装置悬置软垫设计好坏的一个重要指标。隔振设计的一个目标就是使得这6个模态尽可能解耦。需要说明的是，客车车身激励主要来源于绕发动机曲轴的转动（Rxx方向）和轮胎垂直方向上（Z方向）的跳动，更要尽可能减小这两个模态方向的振动耦合程度[6]。

对于该目标车型来说，由于发动机怠速状态下的激励频率为35 Hz，所以动力总成系统的前六阶模态频率应该小于同时最低阶不能低于2.5 Hz，否则会与路面激励频率接近[9]。

1.3 原悬置系统解耦计算

此款客车动力总成系统包含发动机、离合器和变速器，采用四点悬置支撑，如图3所示。利用多体动力学仿真软件ADAMS建立刚体和悬置模型，计算系统的各阶模态能量百分比，从而判断动力总成系统的解耦程度。

在模型中输入各部件的质量、质心位置以及部件绕质心的转动惯量和质量积，通过合成计算可得到系统总质量为980 kg，相对于发动机原点，质心坐标为（246.1，16.0，1 111.1）mm；再将质心坐标系作为转动惯量参考坐标系，进一步合成可得到动力总成的转动惯量与惯性积[7]，惯性参数如表2所示。

在多体建模中，悬置软垫可等效为3个正交方向上的刚度和阻尼，可用ADAMS中具有6个分量的弹簧结构Bushing代替。建立前后4个悬置，一端与发动机相连，一端与车架（用Ground代替）相连。分别设置其刚度值，并调整至实际的安装位置和角度。初始设计中，悬置软垫刚度值如表3所示。其中，X为车身前后方向，Y为车身左右方向，Z为垂直方向。

建立系统动力学系统模型后，利用ADAMS/Vibration模块计算，可得到系统各固有频率下所对应的各个振动模态能量百分比，把各频率下所对应的模态能量百分比最大的汇总，具体如表4所示。可以看出，对于对整车振动影响较大的Z方向和Rxx方向，Z方向所占振动能量百分比过低，仅有45%，此方向的解耦程度不高。

2 悬置系统优化设计及验证

从仿真结果可以发现，原悬置软垫的刚度值匹配并不理想，导致悬置系统在主要振动方向上的解耦程度不高。自由端悬置安装于客车尾部，离主惯性轴的距离较远，由曲轴扭转振动引起的振幅较大，为保持一定的扭转自振频率和变形能力，宜采用较小刚度的软垫。飞轮端悬置离动力总成重心较近，承受发动机和变速器的大部分重量，同时，由于飞轮端处于发动机动力输出端，受传动系统不平衡力的严重干扰和外端轴向力的冲击，需要有较好的定位功能，因此，飞轮端宜采用较大刚度的悬置软垫。而此次分析的客车采用的悬置软垫则是自由端悬置硬，飞轮端悬置软，不利于提高系统的隔振率。

由于动力总成系统悬置安装位置不便改动，此次分析仅通过优化悬置软垫刚度值，来提高各个振动模态在各阶主振动中的模态能量百分比，进而提高解耦程度。在优化计算中，以动力总成各固有频率所对应的各个固有模态能量百分比为目标变量，将软垫刚度值定义为设计变量设定其优化范围，进行优化迭代计算。详细变量定义如表5所示。根据前面的分析，首先将飞轮端悬置Z向垂直刚度初始值提高至1 500 N/mm，自由端悬置Z向刚度初始值降低至1 000 N/mm，变化范围为±15%，进行首次优化计算，得出第一组优化结果。如果最优值在设定的范围之外，则将第一组优化结果作为初始刚度值，进行下一轮优化，逐轮计算逼近最优目标值。

在ADAMS/Design Exploration模块中，按照上述定义建立各个变量，并参照之前仿真所得的各阶模态振型方向，将目标变量与各阶主振型方向的模态能量百分比关联。在Design Evaluation中设置变量分步，进行优化迭代计算。由于设计变量数量较多，可设置较小的分步数，得出一组新的刚度值，再基于这组刚度值进行下一步优化。最终优化结果如表6所示。

采用优化后的软垫刚度值重新进行悬置系统的解耦计算，得到结果如表7所示。

从表7中可以看出，采用优化设计后的悬置软垫，可以提升系统在各振动方向上的能量百分比，Z方向和Rxx方向上的数值分别达到81.46%和91.98%，大大提高解耦程度。

按照表6的优化结果生产新的发动机悬置软垫，安装于此款旅游客车上后再次测量怠速状态下各测点加速度，振动数据如表8所示。从表8中可以看出，各点的隔振率相比优化前均有较大的提高。除自由端左侧，其它各点均达到80%左右。当转速升高时，发动机激励频率相应提高，理论上能更好地避开动力总成系统前六阶模态频率从而减小共振。实际路试过程中，各速度段和加速过程中的乘坐体验也比之前有很大改善。

3 结束语

本文利用能量解耦法理论和ADAMS的仿真分析，得出了此款旅游客车振动过大的原因为悬置软垫刚度值不匹配，系统主要模态能量分布比较低，悬置系统的解耦度设计过低。通过优化改进，为动力总成系统设计出合适的软垫刚度值，提高了系统的解耦度。实车安装测试的结果显示，改进后的悬置系统隔振率有明显的提高，通过实车体验，乘客的乘坐舒适度也有很大改善。

[1]张健.轻型客车动力总成悬置系统优化设计与研究[D].武汉：武汉科技大学，2013.

[2]杨胜，孔刚.基于ADAMS的客车悬置系统隔振性能分析及优化设计[J].客车技术与研究，2013，35（5）：5-7.

[3]庞剑，湛刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社，2006.6.

[4]时培成，李文江，丁芳.基于振动传递率和能量解耦的悬置系统优化[J].成组技术与生产现代化，2009，26（2）：17-21.

[5]赵彤航.CA1261汽车发动机悬置系统隔振的研究[D].长春：吉林大学，2003.

[6]谢官模.振动力学[M].北京：国防工业出版社，2007.

[7]徐燚，吴彰伟.基于ADAMS的某客车动力总成悬置系统分析及优化[J].农业装备与车辆工程，2013，51（4）：52-57.

[8]董加加，雷刚，赖立，等.汽车动力总成悬置设计优化软件开发[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2015(8)：18－22．

[9]郭卫东，李守忠，马璐.ADAMS2013应用实例精解教程[M].北京：机械工业出版社，2015.

修改稿日期：2016-12-06

Optimization for Bus Powertrain Mounting System Performance Based on Energy Decoupling Method

ZhangCaizhi,Ke Fu,Jie Huijing
（Xiamen Golden Dragon Bus Co.,Ltd,Xiamen 361006,China)

To solve the intense vibration problem of a bus body,the authors use ADAMS to analyze the energy decouplingofthe powertrain mountingsystem.The analysis indicates that the serious vibration is caused bymismatch of the stiffness value of the powertrain mounting system to lead to the system's mutual coupling of six directions'vibration modes energyand make the vibration intensified.Byoptimizingthe rubber stiffness values in different directions, the six directions'vibration energy can be decoupled from each other,thereby the vibrating isolation rate of the mountingsystemcan be increased.Through this method,the vehicle vibration can be significantlyweakened,which is validated bythe test results.

energydecoupling;powertrain;vibration isolation ofmountingsystem;performance optimization

U463.33；O328

B

1006-3331（2017）02-0019-03

张财智（1985-），男，硕士；工程师；主要从事客车结构强度分析与NVH仿真研究工作。