基于TPA的发动机悬置系统开发及其主观评价

潘公宇， 王功强， 陈清爽， 朱 瑞， 李 东

(1. 江铃汽车股份有限公司 江西省汽车噪声与振动重点实验室， 江西 南昌 330013； 2. 江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

发动机作为车辆的振动激励源[1]，对整车的噪声、振动、不平顺性(noise，vibration，harshness，NVH)特性，尤其是怠速工况或者启停工况下的整车NVH特性有重要的影响[2].因此，发动机悬置系统的开发研究近年来受到特别的关注[3-5].设计良好的悬置系统可以很好地隔离发动机的振动传递[6]，悬置系统中的各个悬置元件之间布置形式、布置位置、角度、系统固有频率、各向解耦率以及单个悬置元件的刚度、阻尼等性能对动力总成振动的隔离均具有不同的作用[7]，研究分析悬置系统各项参数对汽车NVH性能的影响及其优化，有助于悬置系统的设计以及方案确定[8].

悬置系统开发阶段，计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)分析[9-10]、刚度优化、模拟振动预测等理论分析是必需的，这可以提高工作效率，降低生产成本.但由于理论分析模型的简化、系统的非线性以及生产制造中的误差等，都会导致计算结果与实际装车试验结果存在偏差，因此，简单依靠仿真分析远远不够，需对优化计算改良后的悬置样件进行试验验证.笔者以某乘用车的发动机悬置为研究对象，基于传递路径分析模型的悬置系统优化设计结果[11]，对悬置系统进行重新试制，并对悬置系统进行实车验证及主观评价.

1 基于优化结果的悬置系统试制

车辆的NVH 问题多体现在乘员与车辆接触较多的部位，如转向盘、座椅等.从激励源的角度进行分析，问题的来源主要包括发动机等激励部件和车身子结构等传递部件.振动能量由激励部件产生，经子部件传递，最终到达系统的响应点，产生振动明显、加速轰鸣声等NVH问题.响应点处的振动量是由各路径贡献量叠加得到，每一条路径都有独立的激励源和传递特性，而传递路径分析方法便是用来详细研究各激励源与路径特性对响应点的振动贡献.通过测取悬置连接点处至车内各目标点的频响函数，计算各悬置处的激励载荷，将悬置处的动态特性和车内各点的振动响应相联系，建立以控制车内振动为目的的悬置优化目标函数，基于传递路径分析模型的悬置系统优化设计结果试制的悬置样件如图1所示.采用MTS831弹性体试验机测得其静刚度曲线，如图2所示.

图1 根据优化结果试制的悬置样件

图2 各悬置静刚度曲线

2 整车试验验证

2.1 试验测点位置

研究对象为一款搭载1.0 T三缸汽油发动机的乘用汽车，动力总成悬置共有3个，即左悬置、右悬置和后悬置.在各悬置的主动端、被动端分别安装1个三向振动加速度传感器，用来测取振动输入输出信号，在转向盘、地板和驾驶员座椅导轨3个位置分别安装1个加速度振动传感器测取响应信号，用于后续的客观分析，悬置处及目标点处传感器安装位置如图3、4所示.

图3 悬置处传感器安装位置

图4 目标点处传感器安装位置

2.2 悬置隔振率

为准确描述悬置元件隔振效果，定义隔振量为

式中：a主动端、a被动端分别为悬置主动端和被动端的振动响应量.

通常，当隔振量高于20 dB时，即可认为悬置元件满足设计要求.为更好地描述悬置样件的隔振性能，选取同级别车辆作为标杆车[12]来进行对比.

在怠速工况下，将待测车辆处于热机状态下，分别测取Idle Ac On和Idle Ac Off这2种工况下各悬置元件的隔振量.其中：Idle Ac On表示整车怠速时，将前车灯和后车窗的防冻装置打开，空调制冷调至最大，送风机调至最小风速，发动机冷却风扇保持最大转速；Idle Ac Off则为整车怠速时，所有附属装置都关闭，发动机冷却风扇关闭.其测试结果如表1、2所示，其中g为重力加速度.

表1 Idle Ac Off工况下各悬置隔振量

表2 Idle Ac On工况下各悬置隔振量

续表

从表1、2可以看出：新开发的悬置元件在怠速工况下，隔振量均大于20 dB，且开发车绝大部分方向的隔振量表现优于标杆车，在Idle Ac Off工况下右悬置Z向、后悬置的X、Y向，以及Idle Ac On工况下后悬置X、Z向的隔振量虽小于标杆车，但其均处于30 dB附近，差异可忽略不计.

2.3 车内目标点振动响应量对比

开发后的悬置系统不仅要在隔振率方面表现良好，还要能够有效降低车内各点的振动响应量，提高乘客的乘坐舒适度.怠速时，分别测取Idle Ac On和Idle Ac Off这2种工况下转向盘、地板、主驾座椅导轨处的振动响应量，并计算在测量时间段内，各点振动量的能量平均值.怠速时，在Idle Ac On和Idle Ac Off这2种工况下，开发车与标杆车的转向盘、地板和座椅导轨处的振动响应量如表3所示.

表3 车内各目标点振动响应量

从表3可以看出：就开发车而言，在Idle Ac Off工况下，3处目标点振动响应幅值基本与标杆车相持平，在地板和主驾座椅导轨的X向振动响应量大于标杆车，分别为0.003 1g和0.002 2g，均低于目标设定值0.010 0g，因此，此处可判定为满足设计要求.在Idle Ac On工况下，转向盘X、Y向振动响应量分别为0.021 3g和0.032 3g，均低于目标设定值0.035 0g，其余位置基本与标杆车持平.

3 主观评价

车辆开发的最终目的是服务乘客，仅仅因为目标点的振动噪声在数值上符合要求是不完整的，需要借助“主观评价”来相互补充，验证车辆的乘坐品质.主观评价评分机制如表4所示.

表4 主观评价打分表

选取15名接受过专业培训的人员，5名富有驾驶经验的配合人员参与主观评价测试.其中，评价人员中，男女比例为3 ∶2，专业培训人员中有6名女性，配合人员中有2名女性，每名评价人员的驾龄均在2 a以上，年龄范围为25～35岁.

在进行主观评价试验之前，选取3辆配备有新悬置样件的合格样车进行测试.测试工况主要包括Idle Ac Off和Idle Ac On，评价转向盘、主驾座椅和地板等处的振动程度.在进行测试时，每辆样车由1人进行评价，在完成所有工况的评价任务并打完分数后，安排下一名评价人员进行评价，直至所有评价人员完成此次试验.

主观评价试验因其具有较强的主观性，始终存在差异，虽然对评价人员进行专业培训可以减少个体差异性，但仍不能直接作为评价指标，需对其进行统计学检验，分析其有效性.相关性检验是对变量之间是否相关以及相关程度如何进行的统计学检验，一般用Spearman相关系数R表示.在SPSS软件中，可对本次主观评价试验进行双侧检验来分析其相关性，部分结果如表5所示，其中Rb为检验评价人员是否与总体评价结果存在显著性差异的相关系数.

表5 主观评价结果相关性分析

对每名评价人员与其他评价人员的相关系数取算术平均值，得出每名评价人员的平均相关系数如表6所示.

表6 评价人员的平均相关系数

一般来说，相关系数大于0.7表示相关程度较高，相关性良好.由表6可以看出：评价人员4、13的平均相关系数较低，一致性较差，其所得的评价结果个体差异性较强，需剔除.对剩余18人进行打分统计，结果如表7所示.

表7 打分人数统计结果 人

由表7可以看出，在2种工况下，车内各目标点所得分值均处于可接受范围，且以7分和8分居多，其中转向盘处得分偏低，这也符合前述客观测试结果，即转向盘处振动幅值较大，但其得分也基本稳定在7分至8分之间，主观评价良好.整车测试结果表明，优化后的悬置系统对提高整车NVH特性具有显著的效果.

4 结 论

1) 作为发动机悬置系统开发研究的重要一环，对优化后的悬置元件进行样件试制、刚度测试及整车实测验证.在Idle Ac Off和Idle Ac On这2种工况下，新悬置系统的隔振率以及开发车内各关注点的振动响应量基本满足优化之前所指定的目标，且部分方面表现比标杆车要优越.

2) 为完善悬置系统的评价内容，提出了完善的主观评价测试内容以及评价方法.评价结果表明，新开发的悬置系统对整车所带来的乘坐品质和驾驶特性较好，验证了所提出的悬置系统优化方法的有效性.