動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲影響研究

趙媛媛 田偉 叢張興

摘 要：影響汽車(chē)乘坐舒適性的兩個(gè)重要指標(biāo)為車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲。動(dòng)力總成工作時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)經(jīng)過(guò)懸置系統(tǒng)，傳遞到車(chē)內(nèi)，引起車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是汽車(chē)重要的隔振系統(tǒng)之一。本文主要介紹了懸置系統(tǒng)對(duì)整車(chē)NVH性能影響，車(chē)內(nèi)噪聲及振動(dòng)產(chǎn)生，懸置系統(tǒng)分析及測(cè)試方法懸置系統(tǒng)優(yōu)化等研究。

關(guān)鍵詞：車(chē)內(nèi)振動(dòng)；車(chē)內(nèi)噪聲；懸置；優(yōu)化

前言：

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

1概述

目前評(píng)價(jià)汽車(chē)乘坐舒適性的主要性能指標(biāo)是NVH，它主要通過(guò)振動(dòng)、噪聲和聲振粗糙度三方面來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)的性能。其中振動(dòng)與噪聲是最重要的兩個(gè)指標(biāo)。駕駛室內(nèi)的振動(dòng)和噪聲給乘客的感覺(jué)最直接。振動(dòng)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(huì)影響駕駛員對(duì)汽車(chē)的操縱性和行駛平順性等。因此各大汽車(chē)企業(yè)和學(xué)者也逐漸將NVH性能的研究作為整車(chē)研究的重心之一。

動(dòng)力總成通過(guò)彈性元件與車(chē)身連接的系統(tǒng)稱(chēng)為汽車(chē)的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的周期性振動(dòng)和路面產(chǎn)生的激振力，通過(guò)懸置系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)傳遞到車(chē)身（車(chē)架），引起車(chē)內(nèi)的振動(dòng)和噪聲，從而使駕駛員和乘客產(chǎn)生疲憊和不適。

2車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生

2.1動(dòng)力總成振動(dòng)引起車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲

汽車(chē)怠速或低速行駛時(shí)，車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲主要來(lái)源于動(dòng)力總成，動(dòng)力總成工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)懸置系統(tǒng)，傳遞到車(chē)身或車(chē)架，引起車(chē)身壁板振動(dòng)，并向車(chē)內(nèi)輻射噪聲，從而產(chǎn)生車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲；汽車(chē)高速行駛時(shí)，車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲一部分來(lái)源于動(dòng)力總成振動(dòng)，另一部分來(lái)自于路面和外界環(huán)境的激勵(lì)。在有限元理論的基礎(chǔ)上，通用汽車(chē)公司開(kāi)始使用有限元分析軟件 NASTRAN 進(jìn)行車(chē)內(nèi)振動(dòng)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(diǎn)，被應(yīng)用于噪聲振動(dòng)分析中。近年來(lái)，車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲的研究主要采用實(shí)驗(yàn)與信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合的方法。即通過(guò)試驗(yàn)的方法，使用聲壓計(jì)、振動(dòng)加速度傳感器等設(shè)備，進(jìn)行車(chē)輛振動(dòng)和噪聲信號(hào)采集，利用信號(hào)處理方法，分析車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的原因。主觀評(píng)價(jià)法是最簡(jiǎn)單的車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲研究方法，主要是依靠人的主觀感受來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲的大小。

隨著計(jì)算機(jī)科技和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)值計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)與信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合等研究方法應(yīng)用到車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲的研究中，這些研究方法大大降低了車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生，提高了汽車(chē)乘坐舒適性。

2.2車(chē)內(nèi)振動(dòng)的產(chǎn)生

汽車(chē)車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲的大小給乘員的感受是最直接的。車(chē)內(nèi)振動(dòng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸的周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和各個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)懸置元件傳遞到車(chē)身，引起車(chē)身振動(dòng)，從而引起壁板振動(dòng)，再傳遞到車(chē)內(nèi)引起的振動(dòng)，另一個(gè)是路面不平激勵(lì)通過(guò)輪胎和懸架系統(tǒng)傳遞到車(chē)身，引起壁板振動(dòng)，再傳遞到車(chē)內(nèi)，引起車(chē)內(nèi)振動(dòng)怠速。

2.3車(chē)內(nèi)噪聲的產(chǎn)生

車(chē)內(nèi)噪聲主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲、車(chē)身車(chē)架振動(dòng)噪聲、各個(gè)系統(tǒng)工作噪聲和風(fēng)噪聲等。按照傳遞方式的不同，車(chē)內(nèi)噪聲主要可分為兩類(lèi)：以發(fā)動(dòng)機(jī)為主體的動(dòng)力總成和各個(gè)機(jī)械系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)懸置元件的衰減傳遞到車(chē)身和車(chē)架，引起車(chē)身壁板的振動(dòng)，路面不平激勵(lì)和輪胎的不平衡力通過(guò)輪胎和懸置元件直接或間接的傳遞到車(chē)身，引起汽車(chē)內(nèi)外部件的振動(dòng)，并向駕駛室輻射噪聲，稱(chēng)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(dòng)機(jī)與各個(gè)機(jī)械系統(tǒng)在工作過(guò)程中輻射的噪聲和外部噪聲通過(guò)車(chē)身板件及門(mén)窗孔隙直接傳入車(chē)內(nèi)的噪聲稱(chēng)為空氣噪聲。車(chē)身結(jié)構(gòu)密封的好壞將直接影響車(chē)內(nèi)噪聲的大小。當(dāng)汽車(chē)怠速或低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)是車(chē)內(nèi)噪聲的主要來(lái)源。當(dāng)汽車(chē)高速行駛時(shí)，風(fēng)激勵(lì)噪聲成分很大，特別是當(dāng)車(chē)速達(dá)到100km/h時(shí)，風(fēng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的產(chǎn)生有很大的影響。

3動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化

3.1設(shè)計(jì)變量

由于實(shí)際限制，一般動(dòng)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(gè)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(jì)變量，故共有12個(gè)設(shè)計(jì)變量。

3.2目標(biāo)函數(shù)

3.2.1能量解耦

系統(tǒng)在作某階固有頻率振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)占優(yōu)方向所占的振動(dòng)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(biāo)函數(shù)可確定為

式中，wi為第i階頻率的加權(quán)因子?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)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(guò)程中將這兩個(gè)方向的加權(quán)因子都取為5，其余取1。

3.2.2車(chē)內(nèi)振動(dòng)

根據(jù)優(yōu)化前車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)振動(dòng)情況，將工況下整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍分為3個(gè)部分，每部分給予不同的加權(quán)因子，將車(chē)內(nèi)所有目標(biāo)點(diǎn)各方向振動(dòng)平均水平綜合在一起考慮，確定目標(biāo)函數(shù)為

式中，r1、r2、r3、r4為車(chē)輛定置升速過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，wj為對(duì)應(yīng)于車(chē)內(nèi)第j個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的加權(quán)因子?？紤]到車(chē)內(nèi)駕乘人員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)和座椅導(dǎo)軌振動(dòng)主觀感受明顯，優(yōu)化過(guò)程中將車(chē)內(nèi)轉(zhuǎn)向盤(pán)、主副駕座椅導(dǎo)軌這3個(gè)考察目標(biāo)點(diǎn)的加權(quán)因子取為5，其余目標(biāo)點(diǎn)取為2。結(jié)合優(yōu)化前實(shí)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)機(jī)激振頻率的根號(hào)2分之1，大于來(lái)自路面的激勵(lì)頻率。另外，懸置剛度不能過(guò)小，否則會(huì)使動(dòng)力總成位移過(guò)大，導(dǎo)致懸置剪切破壞，縮短懸置的使用壽命；也不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)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(yùn)行參數(shù)

具體優(yōu)化過(guò)程中取種群大小10，粒子大小12，目標(biāo)函數(shù)個(gè)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(jì)算過(guò)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(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)和最大迭代次數(shù)。

（2）根據(jù)約束條件隨機(jī)產(chǎn)生10個(gè)粒子的位置和速度。

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

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

（5）利用給出的式子求出每個(gè)粒子形成的目標(biāo)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(gè)體極值。

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

結(jié)束語(yǔ)：

車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲是評(píng)價(jià)汽車(chē)乘坐舒適性的重要指標(biāo)。良好的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)向駕駛室的傳遞，從而降低車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生，提高汽車(chē)的舒適性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李志強(qiáng)，陳樹(shù)勛，韋齊峰.發(fā)動(dòng)機(jī)總成懸置系統(tǒng)解耦方法研究[J].動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2013，11（04）：357-362.

[2] 成義權(quán)，陳劍，張要思.動(dòng)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(dòng)控制，2013，33（06）：100-105.

[3] 柯有恩，劉志恩，顏伏伍.某微型車(chē)動(dòng)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(bào)（信息與管理工程版），2013，35（06）：846-850.

[4] 胡金芳，陳無(wú)畏，葉先軍.計(jì)及彈性支撐的汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)解耦研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（23）：2879-2885.

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