动力总成悬置系统NVH关键技术研究

李罡

摘要：发动机作为汽车最重要的振源之一，其产生的振动若得不到很好控制，则会引起车身部件、车架以及与车架相连的其他零件异常振动和噪声。一方面会降低这些重要部件的疲劳寿命，另一方面剧烈的振动使驾乘人员产生不舒服和疲惫感，对汽车平顺性的主观评价造成严重负面影响。因此如何通过设计性能良好的动力总成悬置系统，以减少动力总成向车架及车身振动能量传递，一直是车辆设计师们关注的重要课题。鉴于此，笔者在此基础上主要研究了动力总成悬置系统NVH关键技术，仅供参考。

关键词：动力总成;悬置系统;NVH;关键技术

1悬置系统的功用

一般说来，动力总成悬置的功用及设计要求，有以下四个点：第一，支承作用，动力总成安装在悬置橡胶上，一般由三至四各悬置支承其动力总成的全部质量，同时在动力总成工作时还会产生驱动扭矩，从而使悬置橡胶产生变形，所以每个悬置承受到的载荷应该要合理地分配，这样才能使所有悬置橡胶的使用寿命得到保证。第二，隔振作用，悬置系统是动力总成与车架中间的连结，它的隔振作用体现在两方面。一方面，它有效隔离发动机在工作过程中发出的各个方向的振动。另一方面，它也起到阻隔路面传来的各种冲击与振动的作用。第三，限位作用，发动机与整车的工况十分多样，有启/停，换挡、加速、转弯、制动等等，各种动力总成工况受到的激励方向及大小都不尽相同。这样工况都会使动力总成产生相应的位移，悬置系统应拥有足够的限位功能，使得动力总成不会产生过大位移，而与旁边其他区域的部件产生撞击，保证动力总成与四周部件的安全。第四，安全可靠，悬置系统经常处于诸多恶劣的工况，要保证系统的强度、疲劳寿命满足要求，这样才能保证整个系统安全正常的工作。

2动力总成悬置系统简化建模

动力总成悬置系统固有频率远远小于动力总成弹性模态频率，因此在对悬置系统进行研究时常将动力总成和车架假定为刚体。用于发动机和车架连接的橡胶悬置，由于阻尼不大，且动力总成是小幅振动，因此建模时其阻尼予以忽略;悬置的3向刚度则用3个相互垂直的弹簧连接表示，这3条轴线为弹性主轴。此外，建立模型时需建立几个坐标系：①定坐标系G0-XYZ，原点G0位于动力总成静平衡时的质心;Z轴平行于曲轴轴线，指向发动机前方;Y轴垂直于曲轴方向向上;X轴按右手定则确定。②动坐标系GXYZ，原点G固结在动力总成质心处，静平衡时动、定坐标系重合。动力总成刚体振动是由动坐标系相对于定坐标系平动和绕3个坐标轴转动合成。因此广义坐标为X、Y、Z、θx、θy、θz。基于此，动力总成悬置系统简化力学模型和ADAMS模型分别如图1。发动机为4点悬置，前后各2点，变速箱前面与发动机后部螺栓连接，后面为1点悬置，每个点为3自由度，故动力总成悬置系统模型共15自由度。

3动力总成悬置系统NVH关键技术

3.1动力总成悬置的优化设计

3.1.1优化变量及目标

在前期对悬置安装硬点坐标进行相关匹配后，一般不会再进行改动。仅把悬置的主轴方向动刚度及悬置安装角度作为优化变量，来进行调整优化。悬置动刚度必须首先满足制造的可行性要求，同时为满足限位及隔振要求，悬置动刚度还需要限制在一定的范围内。如果已经拥有悬置参数，优化时可在原来基础的±20%范围内进行调整优化;可以结合匹配的动力总成参数，根据经验初略的设定各悬置各弹性主轴动刚度范围。悬置的安装角度则需要考虑安装的方便性和结构的稳定性，可在原安装角度±30%范围内进行调整优化。出于动力总成悬置系统NVH性能的考虑，希望动力总成振动传递率及幅度尽可能小，所以把怠速工况的传递力矩及启停工况的动力总成最大加速度设为优化目标，使其最小化。

3.1.2优化手段及方法

懸置系统优化变量较多，如果手动对其进行参数调节，效率较低。本研究通过参数优化软件ISIGHT进行自动参数优化，能够大大提高效率。ISIGHT可以与其他计算软件联合仿真，调用并优化其他计算软件模型的相关参数。Isight提供了Matlab接口，可用于操作Matlab脚本（.m）、模型、以及工具箱的各种功能。ISIGHT建模在DesignGateway，它可以实现数据、控制流的视图化，可以通过鼠标拖动，把不同的工程加入整个优化流程，使得整个设计流程呈树状结构优化模型如图2所示，模型由MATLAB以及Optimization两部分构成，MATLAB包含动力总成悬置系统数学模型、输入变量（用于定义优化参数）以及输出变量（用于定义约束变量以及目标变量）。Optimization用于优化算法的选择，优化参数、约束变量范围的设定，优化目标的选取。模型运算时，二者不断地通过数据流进行数据交换，并通过优化算法搜索优化方向，朝着优化目标逼近。优化结果查看在运行门户（Runtime Gateway），它可以监控整个优化过程，包括数据的收敛状况以及优化程度，它还相当于程序的后处理，通过该界面可以查询优化分析报告和各种类型的图表。

3.2悬置支架设计

动力总成通过悬置支架安装在车身上。动力总成侧和车身侧各有一个支架，一般动力总成侧被称为主动侧支架，而车身侧支架被称为被动侧支架。两侧支架分别跟动力总成和车身侧用螺栓固定连接，悬置支架间则通过悬置橡胶连接。主动侧支架-悬置-被动侧支架组成了发动机振动的传递路径。考虑悬置支架的刚度，主动侧支架-悬置-被动侧支架三者视为一个刚度弹簧串联系统。而且被动侧支架安装在车身上，受到车身刚度的影响，设计时需要把白车身的一起考虑。在早期设计时对悬置支架进相关校核，及早地发现问题，并提出改进方案是十分必要的，悬置支架的分析项目包括模态、动刚度以及强度。其中模态、动刚度直接关系到悬置支架的NVH性能。同时在保证悬置支架基本性能的前提下，对悬置进行轻量化设计，也具有积极的降成本及减重意义。有限元法是进行悬置结构分析常见方法，有限元法作为工程领域中最常见的数值分析方法，其基本思想是：将需要研究的物体划分为有限个数的单元，然后再根据工况施加特定的边界条件求解。本研究采用的有限元软件为Hyperwork，Hyperwork软件是性能优良的网格划分软件，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。Hyperwork的前处理模块Hypermesh可以对模型进行网格划分外，Hyperwork还有自带强大的求解器Optistruct，该求解器不但可以对有限元模型进行解算，还可以进行拓扑优化、形貌优化和尺寸优化等优化工作。

3.3悬置系统测试与调校

动力总成悬置系统测试以及调校项目包括以下几点：第一，怠速及原地起步时，悬置系统的隔振性能，主要体现在方向盘以及座椅处的振动情况，汽车内部的噪声量级，以及动力总成通过悬置向车内传递的振动的大小;第二，在汽车拥有一定的速度后，车辆以某一档位加速过程中，悬置系统的隔振能力。以上的为整车级的测试，此外还包括一些零部件级的NVH测试，如1.悬置橡胶的动、静刚度测试2.悬置金属支架的模态测试;3.悬置系统的模态、解耦率测试等。因为零部件是安装在整车上的，其性能受整车的影响非常大。所以在做好零部件级测试的基础上，整车级的测试对动力总成悬置系统性能的评价更加具有意义。

参考文献

[1]隋永乐.动力总成悬置系统的NVH性能设计开发[D].吉林大学，2012.

[2]张兴，王方，彭宜爱.Hypermesh在动力总成悬置系统NVH改进中的应用[J].汽车实用技术，2017，16：152-154.

[3]洪乐.某轿车动力总成悬置系统特性仿真优化及位移控制设计[D].青岛理工大学，2014.

（作者单位：长城汽车股份有限公司）