汽車動力總成懸置系統(tǒng)布置研究

王曉東 孫偉 金明

摘? 要：汽車動力總成懸置系統(tǒng)是指動力總成（發(fā)動機、離合器、變速器及附件等）與車架或車身之間彈性連接的系統(tǒng)，其設計性能對整車的振動噪音水平有重要影響，隨著廣大消費者對整車舒適性要求的不斷提高，動力總成的隔振設計為廣大汽車制造企業(yè)所重視，每套動力總成的質量特性不同，為達到最佳的動力總成懸置系統(tǒng)性能，理想來說應為每一個動力總成“量身打造”一套懸置系統(tǒng)。

關鍵詞：模塊化設計;動力總成懸置系統(tǒng);剛度;模態(tài)

引言

本文論述了基于某平臺上動力總成懸置系統(tǒng)的模塊化設計，實現(xiàn)了懸置系統(tǒng)元件最大化共用，且滿足不同動力總成的懸置系統(tǒng)在該平臺中的車身接口一致。該平臺的懸置系統(tǒng)模塊化設計滿足車型差異化的同時減少了零件數(shù)量，降低了設計、驗證等工作量，從而有助于企業(yè)降低產品的研發(fā)與制造成本、提高生產系統(tǒng)的適應能力和客戶響應速度。

1動力總成懸置系統(tǒng)模型建立

1.1懸置系統(tǒng)六自由度動力學模型

汽車動力總成一般通過四點懸置固定到車架上，懸置軟墊采用橡膠材料并添加金屬片限位，因此可以看作具有三向剛度的彈性阻尼元件。懸置系統(tǒng)的固有頻率遠低于動力總成和車架彈性體的固有頻率，因此可以把動力總成、車架簡化為剛體，建立懸置系統(tǒng)的六自由度力學模型。文中所設計懸置系統(tǒng)采用四點布置在發(fā)動機上。

建立動力總成坐標系O-XYZ，O為動力總成質心，X軸平行于曲軸中心線由飛輪端指向風扇端，Z軸豎直向上。則動力總成的運動可以分解為沿X、Y、Z軸的平動和繞X、Y、Z軸的轉動，共6個自由度，寫成廣義坐標的形式，表示為

：

根據(jù)拉格朗日法，得到動力總成懸置系統(tǒng)的六自由度振動微分方程

式中：M為系統(tǒng)慣性矩陣;K為系統(tǒng)剛度矩陣。通過MATLAB軟件建立數(shù)學模型，即可求解出懸置系統(tǒng)的六階固有頻率及振型。

1.2能量解耦法模型

車輛行駛過程中，由于發(fā)動機產生的激勵力不通過質心引起動力總成在多個自由度上的振動響應，從而增加了懸置系統(tǒng)的振動耦合，使其振動幅值增大。因此降低懸置系統(tǒng)的振動耦合，是提升整車舒適性的有效措施，工程應用中主要關注Z向及θx向的解耦率，一般采用能量解耦法來評價。系統(tǒng)作第i階模態(tài)振動時最大動能為

式中：ωi為系統(tǒng)固有頻率，i=1，2，…，6;φi為系統(tǒng)振型向量，M為系統(tǒng)慣性矩陣。系統(tǒng)作第i階模態(tài)振動時在第k個廣義坐標上分配到得振動能量為

因此，某自由度振動能量的耦合情況可以量化表示為TP，該值越高說明振動耦合越嚴重。懸置設計中，通常采用能量解耦法進行幾個關鍵方向上的解耦設計，即可獲得較好的減振效果。

2.動力總成懸置系統(tǒng)

汽車動力總成懸置系統(tǒng)是指動力總成與車架或者車身之間的彈性連接系統(tǒng)，其設計性能對整車的振動噪音水平有重要影響，進而影響汽車的舒適性。動力總成懸置系統(tǒng)按動力總成布置形式有橫置動力總成懸置系統(tǒng)及縱置動力總成懸置系統(tǒng)。本文研究的某汽車平臺匹配的多款動力總成均為橫置前期前驅動力。懸置點的數(shù)量以及其布置形式直接影響動力總成振動的固有特性及解耦情況。乘用車動力總成一般有3～4個懸置元件，低端乘用車一般選用橡膠懸置，中高檔車型發(fā)動機側一般選用液壓懸置。橫置懸置系統(tǒng)的布置形式一般分為左右懸置加防扭拉桿布置的三點支撐和左右懸置和前后懸置布置的四點支撐。左右懸置承載了動力總成大部分的重量，防扭拉桿和前后懸置主要控制動力總平成的扭矩波動。懸置系統(tǒng)的隔振性能由每個懸置的性能及其組合后的特性確定。

3懸置元件數(shù)目

3.1三點式

三點式結構簡單，占用空間少，安裝簡易，同時具有很好的順從型，可以保持懸置系統(tǒng)能夠與車身結構保持良好的安裝位置，不易受車身變形影響，但是穩(wěn)定性較差，容易因其中一點損壞，而影響整個懸置系統(tǒng)，因此受力較小，常用于小型汽車的動力總成上。

3.2四點式

四點懸置穩(wěn)定性提高，單個零件的載荷力縮小，整體能承受更大的載荷，但是由于其支撐點的增多，對于汽車車身結構，懸置安裝部位、尺寸、精度等提出了更高的要求，主要應用于受力較大的六缸發(fā)動機和大型汽車中。

4懸置元件材料

4.1橡膠懸置元件

橡膠懸置材料主要分為天然橡膠和合成橡膠，天然橡膠其剛度和實用性較好，生產成本較低，但是容易氧化;聚丁二烯橡膠、氯丁橡膠、丁晴橡膠等材料耐油、耐熱、耐溫性都較為良好，但是彈性、穩(wěn)定性差。橡膠懸置元件有壓縮型、剪切型、傾斜型三種。壓縮型橡膠懸置比較適用于壓縮變形量大、剪切變形量小，質量較大而激振力較小的動力傳遞;剪切型正好相反，適用于質量較小而激振力較大的動力傳遞;傾斜型調節(jié)壓縮型和剪切型的壓縮變形和剪切變形，可以滿足質量大且激振力大的動力傳遞，但是受限于安裝空間。

4.2液壓懸置元件

在橡膠懸置材料無法滿足日益增長的需求的情況下，液壓懸置的設想別提出，其動剛度和阻尼同時具有頻變特性和幅變特性，能滿足不同頻率段的隔振要求。其根據(jù)控制方式的不同，可分為被動式、半主動式和主動式三種類型。被動式液壓懸置主要通過改變液體的流量進而控制阻尼的大小，利用阻尼的可控性滿足各頻率振動時的減振限位要求。半主動控制式液壓懸置在被動式的基礎上加入控制單元與執(zhí)行機構，可以半調控式地影響懸置的動態(tài)響應。

主動式液壓懸置即加入傳感器、制動器、控制單元等部件，由傳感器接受振動與控制反饋信息，制動器產生一部分的動態(tài)力和被動式液壓懸置較大地抵消振動力，從而實現(xiàn)優(yōu)良的減震效果。半主動控制式與主動式液壓懸置因結構復雜，制作成本較高，所以未廣泛運用于汽車懸置系統(tǒng)?，F(xiàn)今懸置系統(tǒng)也已經發(fā)展到電、磁流變液等先進懸置發(fā)展，可控性越來越高，減振性能得到了進一步的提高，提供給駕駛者和乘客更好的駕駛體驗和乘坐體驗，相信越來懸置裝置會向著主動控制方向發(fā)展。

結語

介紹了汽車設計中動力總成懸置系統(tǒng)的性能特點和布置理論基礎，提出了平臺化動力總成布置需要考慮的幾個主要原則，并根據(jù)該原則在某新開發(fā)車型中進行應用，獲得了良好的集成效果。

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