动力总成悬置系统对车内振动和噪声影响研究

赵媛媛 田伟 丛张兴

摘 要：影响汽车乘坐舒适性的两个重要指标为车内振动和噪声。动力总成工作时产生的激励经过悬置系统，传递到车内，引起车内振动和噪声。动力总成悬置系统是汽车重要的隔振系统之一。本文主要介绍了悬置系统对整车NVH性能影响，车内噪声及振动产生，悬置系统分析及测试方法悬置系统优化等研究。

关键词：车内振动；车内噪声；悬置；优化

前言：

汽车动力总成悬置系统的好坏将直接影响到汽车乘坐舒适性，良好的动力总成悬置系统可以减少振动向驾驶室的传递，从而降低车内振动和噪声的产生，提高汽车的NVH性能。动力总成悬置系统对车内振动和噪声的影响研究是汽车减振降噪研究的重要环节之一。

1概述

目前评价汽车乘坐舒适性的主要性能指标是NVH，它主要通过振动、噪声和声振粗糙度三方面来评价汽车的性能。其中振动与噪声是最重要的两个指标。驾驶室内的振动和噪声给乘客的感觉最直接。振动和噪声不仅影响乘客的乘坐舒适性，造成驾驶员疲劳驾驶，还会影响驾驶员对汽车的操纵性和行驶平顺性等。因此各大汽车企业和学者也逐渐将NVH性能的研究作为整车研究的重心之一。

动力总成通过弹性元件与车身连接的系统称为汽车的动力总成悬置系统，发动机工作时产生的周期性振动和路面产生的激振力，通过悬置系统和悬架系统传递到车身（车架），引起车内的振动和噪声，从而使驾驶员和乘客产生疲惫和不适。

2车内振动和噪声的产生

2.1动力总成振动引起车内振动和噪声

汽车怠速或低速行驶时，车内振动和噪声主要来源于动力总成，动力总成工作时产生的振动，经过悬置系统，传递到车身或车架，引起车身壁板振动，并向车内辐射噪声，从而产生车内振动和噪声；汽车高速行驶时，车内振动和噪声一部分来源于动力总成振动，另一部分来自于路面和外界环境的激励。在有限元理论的基础上，通用汽车公司开始使用有限元分析软件 NASTRAN 进行车内振动和噪声的研究，并取得了成功。随后，ANSYS仿真软件依靠可靠高和稳定性高等特点，被应用于噪声振动分析中。近年来，车内振动和噪声的研究主要采用实验与信号处理技术结合的方法。即通过试验的方法，使用声压计、振动加速度传感器等设备，进行车辆振动和噪声信号采集，利用信号处理方法，分析车内振动和噪声产生的原因。主观评价法是最简单的车内振动和噪声研究方法，主要是依靠人的主观感受来评价车内振动和噪声的大小。

随着计算机科技和信号处理技术的发展，各种数值计算方法、实验与信号处理技术结合等研究方法应用到车内振动和噪声的研究中，这些研究方法大大降低了车内振动和噪声的产生，提高了汽车乘坐舒适性。

2.2车内振动的产生

汽车车内振动和噪声的大小给乘员的感受是最直接的。车内振动主要由发动机工作时气缸的周期性运动产生的振动和各个系统工作时产生的振动经悬置元件传递到车身，引起车身振动，从而引起壁板振动，再传递到车内引起的振动，另一个是路面不平激励通过轮胎和悬架系统传递到车身，引起壁板振动，再传递到车内，引起车内振动怠速。

2.3车内噪声的产生

车内噪声主要来源于发动机振动噪声、车身车架振动噪声、各个系统工作噪声和风噪声等。按照传递方式的不同，车内噪声主要可分为两类：以发动机为主体的动力总成和各个机械系统工作时产生的振动，经过悬置元件的衰减传递到车身和车架，引起车身壁板的振动，路面不平激励和轮胎的不平衡力通过轮胎和悬置元件直接或间接的传递到车身，引起汽车内外部件的振动，并向驾驶室辐射噪声，称为结构噪声。

结构噪声一般产生在5-300Hz的低频段；发动机与各个机械系统在工作过程中辐射的噪声和外部噪声通过车身板件及门窗孔隙直接传入车内的噪声称为空气噪声。车身结构密封的好坏将直接影响车内噪声的大小。當汽车怠速或低速行驶时，发动机激励是车内噪声的主要来源。当汽车高速行驶时，风激励噪声成分很大，特别是当车速达到100km/h时，风噪声对车内噪声的产生有很大的影响。

3动力总成悬置系统优化

3.1设计变量

由于实际限制，一般动力总成本身物理参数如质量、惯量等通常难以改变，支承位置和安装角度受到其他器件和空间的限制，也很难改变。所以只以4个悬置元件的u向、v向、w向的刚度k=（kiu，kiv，kiw）（其中i=1，2，3，4）为设计变量，故共有12个设计变量。

3.2目标函数

3.2.1能量解耦

系统在作某阶固有频率振动时，振动占优方向所占的振动能量百分比Pil其值越大，系统解耦程度越高。因此系统的能量解耦目标函数可确定为

式中，wi为第i阶频率的加权因子。考虑到发动机的激励主要集中在垂直方向和绕曲轴旋转方向上，因此优化过程中将这两个方向的加权因子都取为5，其余取1。

3.2.2车内振动

根据优化前车内目标点振动情况，将工况下整个转速范围分为3个部分，每部分给予不同的加权因子，将车内所有目标点各方向振动平均水平综合在一起考虑，确定目标函数为

式中，r1、r2、r3、r4为车辆定置升速过程中所对应的转速，wj为对应于车内第j个目标点的加权因子。考虑到车内驾乘人员对转向盘和座椅导轨振动主观感受明显，优化过程中将车内转向盘、主副驾座椅导轨这3个考察目标点的加权因子取为5，其余目标点取为2。结合优化前实测目标点振动情况，将转速范围的前一段加权因子wf取为3，中间一段加权因子wm取为2，后一段加权因子wb取为4。

3.3约束条件

根据隔振理论原理，悬置系统的最大固有频率必须小于发动机激振频率的根号2分之1，大于来自路面的激励频率。另外，悬置刚度不能过小，否则会使动力总成位移过大，导致悬置剪切破坏，缩短悬置的使用寿命；也不能过大，过大会导致系统传递率降低，故悬置的刚度约束为ki，min≤ki≤ki，max（i=1，2，…）。

3.4算法运行参数

具体优化过程中取种群大小10，粒子大小12，目标函数个数2，最大迭代次数nmax=60，学习因子c1=c2=2，最大粒子速度vmax=5。惯性权重因子w的最大值wmax=0.9，最小值wmin=0.4，迭代计算过程中w（t）=wmax-（wmax-wmin）t/nmax。

3.5算法流程

将灰色关联度引入粒子群算法中，具体优化流程图如图所示。

（1）初始化粒子种群：给定种群规模m、学习因子c1、c2、惯性权重因子w、目标函数的个数和最大迭代次数。

（2）根据约束条件随机产生10个粒子的位置和速度。

（3）利用粒子群算法分别求出两个子目标函数的最优解，然后组成基准矢量序列。

（4）将粒子群位置代入目标函数，计算出目标函数值，将目标函数值组成目标矢量序列。

（5）利用给出的式子求出每个粒子形成的目标矢量的关联度，比较关联度的大小，将种群中关联度最大的作为全局极值，粒子飞行中最大关联度的作为个體极值。

（6）记录全局极值粒子对应的最优变量和最优值。

结束语：

车内振动和噪声是评价汽车乘坐舒适性的重要指标。良好的动力总成悬置系统可以减少发动机振动向驾驶室的传递，从而降低车内振动和噪声的产生，提高汽车的舒适性。

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