重型汽車動力總成懸置系統(tǒng)解耦設(shè)計(jì)

張興 趙媛媛 田偉叢

摘 要：汽車動力總成懸置系統(tǒng)由彈性支承和剛性支架組成，用于動力總成的支承和定位，減小動力總成與底盤之間的振動傳遞等。通過合理設(shè)計(jì)懸置的角度和剛度，使其在滿足可靠性要求的基礎(chǔ)上，與車架之間的振動傳遞率較小，并使懸置系統(tǒng)具有較高的振動解耦程度。系統(tǒng)在某個(gè)廣義坐標(biāo)方向上解耦，就是沿著該方向的激振力只能引起該方向上的振動，即沿著該方向的激振力所做的功全部轉(zhuǎn)化為該方向的能量。系統(tǒng)的解耦程度通常用解耦率表示，解耦率是指在某階模態(tài)振動時(shí)某個(gè)廣義坐標(biāo)的振動動能與所有廣義坐標(biāo)的振動總動能的比，當(dāng)比值達(dá)到100%時(shí)，系統(tǒng)在該模態(tài)振動下是完全解耦的。

關(guān)鍵詞：汽車：動力總成懸置系統(tǒng)：扭矩軸：解耦

引言：

近年來，隨著人們對汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，振動和噪聲成了汽車設(shè)計(jì)中非常重要的考慮因素，汽車的NVH性能成了衡量汽車設(shè)計(jì)水平高低的一個(gè)重要因素。隨著道路條件的改善和汽車設(shè)計(jì)的輕量化，發(fā)動機(jī)成了汽車中最大振源，動力總成懸置系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)和車身之間的隔振系統(tǒng)，其性能設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響整車的NVH性能。在動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，盡量要保證懸置系統(tǒng)具有較高的模態(tài)解耦程度，懸置系統(tǒng)固有頻率要配置在合理的范圍內(nèi)，避免接近整車的其它模態(tài)頻率而產(chǎn)生共振。

1動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1懸置系統(tǒng)固有頻率配置要求

懸置系統(tǒng)匹配時(shí)要保證各方向的固有頻率在合理的范圍內(nèi)。為保證懸置的使用壽命，不能將懸置橡膠塊設(shè)計(jì)的太軟，系統(tǒng)各階固有頻率一般要求大于5Hz：動力總成垂向方向的固有頻率應(yīng)避開前懸架偏頻和車身垂直振動固有頻率：由于人體對垂直振動最敏感的頻率范圍為4～8Hz，所以懸置系統(tǒng)的垂直固有頻率應(yīng)避免在這個(gè)范圍內(nèi)：繞曲軸軸線方向的固有頻率應(yīng)小于汽車怠速振動頻率的二分之一，同時(shí)也要遠(yuǎn)離汽車俯仰方向的固有頻率。以重型汽車匹配的六缸四沖程柴油發(fā)動機(jī)為例，點(diǎn)火脈沖頻率

式中：n為曲軸轉(zhuǎn)速，r/min：i為發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)，i=6：τ為發(fā)動機(jī)沖程數(shù)，τ=4。

動力總成怠速時(shí)主要激勵頻率為3階的點(diǎn)火脈沖頻率，即曲軸每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生3次點(diǎn)火脈沖，作用方向?yàn)槔@曲軸軸線方向，在怠速550r/min時(shí)的點(diǎn)火脈沖頻率為27.5Hz，為了有效隔振，激勵頻率與懸置系統(tǒng)各個(gè)方向固有頻率的比λ應(yīng)大于√2，，但λ過大意味著懸置剛度很低，懸置可靠性下降，因此，工程上一般取λ=2～4，本例懸置系統(tǒng)6個(gè)方向的固有頻率都應(yīng)控制在6.9～13.8Hz。實(shí)現(xiàn)動力總成剛體振動模態(tài)解耦是懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，重點(diǎn)應(yīng)實(shí)現(xiàn)動力總成在垂直和側(cè)傾方向之間，以及垂直和俯仰方向之間的解耦。

1.2動力總成懸置系統(tǒng)動力學(xué)分析

動力總成懸置的彈性元件為橡膠塊，橡膠塊在空間三維方向上都有彈性，但各個(gè)懸置的間距比懸置本身的尺寸大得多，由單個(gè)懸置本身的角剛度產(chǎn)生的力矩比由各個(gè)懸置聯(lián)合產(chǎn)生的力矩小得多，因此單個(gè)懸置的角剛度可以忽略不計(jì)，同時(shí)因振幅較小，阻尼也可忽略，所以可將單個(gè)懸置簡化為沿3個(gè)彈性主軸的無阻尼線性彈簧。動力總成懸置系統(tǒng)固有頻率范圍內(nèi)動力總成只存在剛體模態(tài)，因此可以把動力總成簡化為一空間剛體，其位置可用質(zhì)心的3個(gè)直角坐標(biāo)x、y、z，以及繞質(zhì)心平行于定坐標(biāo)軸的3個(gè)動坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)角θx、θy、θz表示，因而動力總成具有6個(gè)自由度，其廣義坐標(biāo)列矢量

動力總成振動系統(tǒng)定坐標(biāo)系原點(diǎn)在平衡位置時(shí)的質(zhì)心上，x軸平行于曲軸軸線指向車輛后方，z軸平行于各氣缸中心線指向發(fā)動機(jī)上方，y軸垂直于x、z軸指向車輛左側(cè)（面對汽車前方看）。

2動力總成懸置系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)

某汽車的動力總成采用4缸發(fā)動機(jī)，橫置在汽車前部，采用四點(diǎn)懸置。由于懸置的布置位置對懸置系統(tǒng)隔振特性影響最為顯著，因此在懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首選要合理選擇懸置的布置位置。根據(jù)車型底盤和發(fā)動機(jī)的工藝特點(diǎn)，為了使懸置系統(tǒng)具有較好的解耦特性，將左右兩個(gè)懸置布置在動力總成扭矩軸上，通過懸置支架與車身相連，這兩個(gè)懸置采用較大的三向剛度，對動力總成的自重和垂向跳動起主承載作用，另外兩個(gè)懸置布置在動力總成的前后，通過懸置支架與副車架相連，起約束發(fā)動機(jī)繞曲軸線的扭矩作用。采

用以上的布局具有以下優(yōu)點(diǎn)。1）左右懸置作為支承動力總成的主懸置布置在扭矩軸上可以減少動力總成的激勵向車身的傳遞。2）跳動、縱搖及扭轉(zhuǎn)解耦性良好，。左右懸置X和Y坐標(biāo)均落在扭矩軸上，由于實(shí)際布置位置限制，左右懸置Z坐標(biāo)不能落在扭矩軸上，但左右懸置彈性中心的連線基本和扭矩軸平行（圖3）。左右懸置的Y方向位置有較大的移動空間，但左右懸置的移動將使得左右懸置的布置位置離開扭矩軸。

當(dāng)右懸置Y坐標(biāo)從0mm變化到120mm時(shí)，動力總成懸置系統(tǒng)解耦程度的變化如圖4所示。圖4中X，Y，Z，RX，RY，RZ代表的曲線分別為總成在質(zhì)心坐標(biāo)系中沿X，Y，Z軸和繞X，Y，Z軸的能量分布百分比。豎線位置為右懸置Y坐標(biāo)在扭矩軸上。當(dāng)右懸置Y坐標(biāo)離開扭矩軸時(shí)，X，Y，Z，RZ4個(gè)方向的解耦程度變化不大，RX和RY兩個(gè)方向的解耦程度迅速下降。

動力總成懸置系統(tǒng)解耦程度隨左懸置Y軸坐標(biāo)的變化如圖5所示。從圖5可以看出，X，Y，Z，RZ4個(gè)方向的解耦程度隨右懸置Y坐標(biāo)的改變變化不大，RX和RY兩個(gè)方向在扭矩軸位置附近同樣出現(xiàn)最大值。由以上分析可以看出該動力總成懸置系統(tǒng)的RX和RY方向的解耦特性隨左右懸置的Y坐標(biāo)變化較大，當(dāng)懸置向扭矩軸兩側(cè)移動時(shí)，懸置系統(tǒng)的解耦程度將會迅速降低。為了進(jìn)一步確定前后懸置的位置，分析了前后懸置位置變化對動力總成懸置系統(tǒng)解耦程度帶來的影響，由于前后懸置X和Z坐標(biāo)變化較為不便，只能改變Y向位置。

結(jié)語：

應(yīng)用拉格朗日方程建立動力總成振動系統(tǒng)關(guān)于6個(gè)自由度的振動微分方程，并推導(dǎo)出彈性解耦方程，在重型汽車要求裝配緩速器或取力器等特殊情形下，發(fā)動機(jī)缸體后端面靜彎矩大于設(shè)計(jì)允許值時(shí)，在變速器上增加輔助懸置，通過求解相應(yīng)的解耦方程得到動力總成輔助懸置的剛度，在ADAMS軟件中應(yīng)用能量解耦法證明系統(tǒng)解耦效果良好。同時(shí)試驗(yàn)和用戶使用情況表明，增加輔助懸置后車輛舒適性提高，螺母松動、橡膠塊損壞等故障發(fā)生率減小，因此利用彈性解耦方程計(jì)算輔助懸置的剛度具有一定實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 運(yùn)偉國，王邵斌，楊少華.重型汽車動力總成懸置NVH性能研究[J].噪聲與振動控制，2014，34（05）：99-101+149.

[2] 高爽.礦用重型自卸車平順性仿真分析[D].石家莊鐵道大學(xué)，2014.

[3] 郭林.某轎車動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué)，2013.

[4] 劉百麗.重型汽車發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)隔振性能的研究[D].西安石油大學(xué)，2011.

[5] 付江華.輕型客車關(guān)鍵橡膠隔振件性能匹配研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[6] 劉國超.重型商用卡車動力總成懸置系統(tǒng)匹配與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2009.