動力總成懸置系統(tǒng)對車內(nèi)振動和噪聲影響研究

趙媛媛 田偉 叢張興

摘 要：影響汽車乘坐舒適性的兩個重要指標為車內(nèi)振動和噪聲。動力總成工作時產(chǎn)生的激勵經(jīng)過懸置系統(tǒng)，傳遞到車內(nèi)，引起車內(nèi)振動和噪聲。動力總成懸置系統(tǒng)是汽車重要的隔振系統(tǒng)之一。本文主要介紹了懸置系統(tǒng)對整車NVH性能影響，車內(nèi)噪聲及振動產(chǎn)生，懸置系統(tǒng)分析及測試方法懸置系統(tǒng)優(yōu)化等研究。

關(guān)鍵詞：車內(nèi)振動；車內(nèi)噪聲；懸置；優(yōu)化

前言：

汽車動力總成懸置系統(tǒng)的好壞將直接影響到汽車乘坐舒適性，良好的動力總成懸置系統(tǒng)可以減少振動向駕駛室的傳遞，從而降低車內(nèi)振動和噪聲的產(chǎn)生，提高汽車的NVH性能。動力總成懸置系統(tǒng)對車內(nèi)振動和噪聲的影響研究是汽車減振降噪研究的重要環(huán)節(jié)之一。

1概述

目前評價汽車乘坐舒適性的主要性能指標是NVH，它主要通過振動、噪聲和聲振粗糙度三方面來評價汽車的性能。其中振動與噪聲是最重要的兩個指標。駕駛室內(nèi)的振動和噪聲給乘客的感覺最直接。振動和噪聲不僅影響乘客的乘坐舒適性，造成駕駛員疲勞駕駛，還會影響駕駛員對汽車的操縱性和行駛平順性等。因此各大汽車企業(yè)和學(xué)者也逐漸將NVH性能的研究作為整車研究的重心之一。

動力總成通過彈性元件與車身連接的系統(tǒng)稱為汽車的動力總成懸置系統(tǒng)，發(fā)動機工作時產(chǎn)生的周期性振動和路面產(chǎn)生的激振力，通過懸置系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)傳遞到車身（車架），引起車內(nèi)的振動和噪聲，從而使駕駛員和乘客產(chǎn)生疲憊和不適。

2車內(nèi)振動和噪聲的產(chǎn)生

2.1動力總成振動引起車內(nèi)振動和噪聲

汽車怠速或低速行駛時，車內(nèi)振動和噪聲主要來源于動力總成，動力總成工作時產(chǎn)生的振動，經(jīng)過懸置系統(tǒng)，傳遞到車身或車架，引起車身壁板振動，并向車內(nèi)輻射噪聲，從而產(chǎn)生車內(nèi)振動和噪聲；汽車高速行駛時，車內(nèi)振動和噪聲一部分來源于動力總成振動，另一部分來自于路面和外界環(huán)境的激勵。在有限元理論的基礎(chǔ)上，通用汽車公司開始使用有限元分析軟件 NASTRAN 進行車內(nèi)振動和噪聲的研究，并取得了成功。隨后，ANSYS仿真軟件依靠可靠高和穩(wěn)定性高等特點，被應(yīng)用于噪聲振動分析中。近年來，車內(nèi)振動和噪聲的研究主要采用實驗與信號處理技術(shù)結(jié)合的方法。即通過試驗的方法，使用聲壓計、振動加速度傳感器等設(shè)備，進行車輛振動和噪聲信號采集，利用信號處理方法，分析車內(nèi)振動和噪聲產(chǎn)生的原因。主觀評價法是最簡單的車內(nèi)振動和噪聲研究方法，主要是依靠人的主觀感受來評價車內(nèi)振動和噪聲的大小。

隨著計算機科技和信號處理技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)值計算方法、實驗與信號處理技術(shù)結(jié)合等研究方法應(yīng)用到車內(nèi)振動和噪聲的研究中，這些研究方法大大降低了車內(nèi)振動和噪聲的產(chǎn)生，提高了汽車乘坐舒適性。

2.2車內(nèi)振動的產(chǎn)生

汽車車內(nèi)振動和噪聲的大小給乘員的感受是最直接的。車內(nèi)振動主要由發(fā)動機工作時氣缸的周期性運動產(chǎn)生的振動和各個系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的振動經(jīng)懸置元件傳遞到車身，引起車身振動，從而引起壁板振動，再傳遞到車內(nèi)引起的振動，另一個是路面不平激勵通過輪胎和懸架系統(tǒng)傳遞到車身，引起壁板振動，再傳遞到車內(nèi)，引起車內(nèi)振動怠速。

2.3車內(nèi)噪聲的產(chǎn)生

車內(nèi)噪聲主要來源于發(fā)動機振動噪聲、車身車架振動噪聲、各個系統(tǒng)工作噪聲和風(fēng)噪聲等。按照傳遞方式的不同，車內(nèi)噪聲主要可分為兩類：以發(fā)動機為主體的動力總成和各個機械系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的振動，經(jīng)過懸置元件的衰減傳遞到車身和車架，引起車身壁板的振動，路面不平激勵和輪胎的不平衡力通過輪胎和懸置元件直接或間接的傳遞到車身，引起汽車內(nèi)外部件的振動，并向駕駛室輻射噪聲，稱為結(jié)構(gòu)噪聲。

結(jié)構(gòu)噪聲一般產(chǎn)生在5-300Hz的低頻段；發(fā)動機與各個機械系統(tǒng)在工作過程中輻射的噪聲和外部噪聲通過車身板件及門窗孔隙直接傳入車內(nèi)的噪聲稱為空氣噪聲。車身結(jié)構(gòu)密封的好壞將直接影響車內(nèi)噪聲的大小。當(dāng)汽車怠速或低速行駛時，發(fā)動機激勵是車內(nèi)噪聲的主要來源。當(dāng)汽車高速行駛時，風(fēng)激勵噪聲成分很大，特別是當(dāng)車速達到100km/h時，風(fēng)噪聲對車內(nèi)噪聲的產(chǎn)生有很大的影響。

3動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化

3.1設(shè)計變量

由于實際限制，一般動力總成本身物理參數(shù)如質(zhì)量、慣量等通常難以改變，支承位置和安裝角度受到其他器件和空間的限制，也很難改變。所以只以4個懸置元件的u向、v向、w向的剛度k=（kiu，kiv，kiw）（其中i=1，2，3，4）為設(shè)計變量，故共有12個設(shè)計變量。

3.2目標函數(shù)

3.2.1能量解耦

系統(tǒng)在作某階固有頻率振動時，振動占優(yōu)方向所占的振動能量百分比Pil其值越大，系統(tǒng)解耦程度越高。因此系統(tǒng)的能量解耦目標函數(shù)可確定為

式中，wi為第i階頻率的加權(quán)因子。考慮到發(fā)動機的激勵主要集中在垂直方向和繞曲軸旋轉(zhuǎn)方向上，因此優(yōu)化過程中將這兩個方向的加權(quán)因子都取為5，其余取1。

3.2.2車內(nèi)振動

根據(jù)優(yōu)化前車內(nèi)目標點振動情況，將工況下整個轉(zhuǎn)速范圍分為3個部分，每部分給予不同的加權(quán)因子，將車內(nèi)所有目標點各方向振動平均水平綜合在一起考慮，確定目標函數(shù)為

式中，r1、r2、r3、r4為車輛定置升速過程中所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，wj為對應(yīng)于車內(nèi)第j個目標點的加權(quán)因子。考慮到車內(nèi)駕乘人員對轉(zhuǎn)向盤和座椅導(dǎo)軌振動主觀感受明顯，優(yōu)化過程中將車內(nèi)轉(zhuǎn)向盤、主副駕座椅導(dǎo)軌這3個考察目標點的加權(quán)因子取為5，其余目標點取為2。結(jié)合優(yōu)化前實測目標點振動情況，將轉(zhuǎn)速范圍的前一段加權(quán)因子wf取為3，中間一段加權(quán)因子wm取為2，后一段加權(quán)因子wb取為4。

3.3約束條件

根據(jù)隔振理論原理，懸置系統(tǒng)的最大固有頻率必須小于發(fā)動機激振頻率的根號2分之1，大于來自路面的激勵頻率。另外，懸置剛度不能過小，否則會使動力總成位移過大，導(dǎo)致懸置剪切破壞，縮短懸置的使用壽命；也不能過大，過大會導(dǎo)致系統(tǒng)傳遞率降低，故懸置的剛度約束為ki，min≤ki≤ki，max（i=1，2，…）。

3.4算法運行參數(shù)

具體優(yōu)化過程中取種群大小10，粒子大小12，目標函數(shù)個數(shù)2，最大迭代次數(shù)nmax=60，學(xué)習(xí)因子c1=c2=2，最大粒子速度vmax=5。慣性權(quán)重因子w的最大值wmax=0.9，最小值wmin=0.4，迭代計算過程中w（t）=wmax-（wmax-wmin）t/nmax。

3.5算法流程

將灰色關(guān)聯(lián)度引入粒子群算法中，具體優(yōu)化流程圖如圖所示。

（1）初始化粒子種群：給定種群規(guī)模m、學(xué)習(xí)因子c1、c2、慣性權(quán)重因子w、目標函數(shù)的個數(shù)和最大迭代次數(shù)。

（2）根據(jù)約束條件隨機產(chǎn)生10個粒子的位置和速度。

（3）利用粒子群算法分別求出兩個子目標函數(shù)的最優(yōu)解，然后組成基準矢量序列。

（4）將粒子群位置代入目標函數(shù)，計算出目標函數(shù)值，將目標函數(shù)值組成目標矢量序列。

（5）利用給出的式子求出每個粒子形成的目標矢量的關(guān)聯(lián)度，比較關(guān)聯(lián)度的大小，將種群中關(guān)聯(lián)度最大的作為全局極值，粒子飛行中最大關(guān)聯(lián)度的作為個體極值。

（6）記錄全局極值粒子對應(yīng)的最優(yōu)變量和最優(yōu)值。

結(jié)束語：

車內(nèi)振動和噪聲是評價汽車乘坐舒適性的重要指標。良好的動力總成懸置系統(tǒng)可以減少發(fā)動機振動向駕駛室的傳遞，從而降低車內(nèi)振動和噪聲的產(chǎn)生，提高汽車的舒適性。

參考文獻

[1] 李志強，陳樹勛，韋齊峰.發(fā)動機總成懸置系統(tǒng)解耦方法研究[J].動力學(xué)與控制學(xué)報，2013，11（04）：357-362.

[2] 成義權(quán)，陳劍，張要思.動力總成懸置系統(tǒng)隔振優(yōu)化與工程應(yīng)用[J].噪聲與振動控制，2013，33（06）：100-105.

[3] 柯有恩，劉志恩，顏伏伍.某微型車動力總成懸置系統(tǒng)隔振性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2013，35（06）：846-850.

[4] 胡金芳，陳無畏，葉先軍.計及彈性支撐的汽車動力總成懸置系統(tǒng)解耦研究[J].中國機械工程，2012，23（23）：2879-2885.

[5] 何融，王建，劉飛，張曄.動力總成懸置系統(tǒng)解耦改進研究[J].上海汽車，2012（12）：24-27.