輕型商用車動力總成懸置系統(tǒng)隔振優(yōu)化研究

王東亮，杜 遙，孫玉華，葉 磊，陳永哲

（1.蘭州工業(yè)學院 汽車工程學院，蘭州 730050；2.西南大學 工程技術學院，重慶400715； 3.東風汽車廠 特種裝備事業(yè)部，湖北 十堰 442000）

隨著現(xiàn)代社會城市化水平的不斷提高，輕型商用車在短途物流運輸、市區(qū)物資配送等領域日益發(fā)揮重要的作用。近年來，針對強勁的市場需求，主機廠加大了此類車型的開發(fā)力度，同時為了應對日趨激烈的市場競爭形勢，需要推動產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提升[1]。汽車NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能作為衡量汽車品質(zhì)的重要指標之一，是汽車設計開發(fā)中必不可少的研究內(nèi)容，在此類輕型商用車領域也受到了普遍關注[2－3]。

本文結(jié)合某輕型商用車在設計開發(fā)階段的實際需求，開展動力總成隔振設計及優(yōu)化研究。首先以隔振系統(tǒng)優(yōu)化設計理論作為研究的基礎，采用動力學分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），建立汽車動力總成懸置系統(tǒng)的仿真分析模型。然后通過六自由度系統(tǒng)隔振計算，分析和掌握懸置系統(tǒng)的固有特性。在此基礎上以提高系統(tǒng)解耦度和合理配置固有頻率作為優(yōu)化目標，進行隔振優(yōu)化設計和分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)解耦度顯著提高，各懸置點的振動響應幅值明顯下降，懸置系統(tǒng)的隔振性能得到有效提升。

1 懸置系統(tǒng)力學模型

在工程應用中，為了確保汽車動力總成安裝后具備較好的穩(wěn)定性，懸置系統(tǒng)所包含的懸置數(shù)目一般不少于3 個[4]?？紤]到動力總成的質(zhì)量和剛度遠大于懸置自身的質(zhì)量和剛度，而且前者的固有頻率通常高于激振頻率，故而在簡化的力學模型中將動力總成視為剛體[5]。同時假設懸置系統(tǒng)的安裝基礎即汽車車架為剛性結(jié)構，在力學模型中可不考慮其對系統(tǒng)振動性能的影響[3－6]。

懸置系統(tǒng)的力學簡化模型如圖1所示。在模型中，O′-x′y′z′為系統(tǒng)平動坐標系，其原點O′固聯(lián)在系統(tǒng)的質(zhì)心位置；O-xyz為系統(tǒng)靜止坐標系，當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，兩個坐標系相互重合。因此，可以把整個系統(tǒng)的運動分解為隨質(zhì)心的平動(x′、y′、z′)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動α、β、γ。

圖1 動力總成隔振系統(tǒng)模型

則系統(tǒng)自由振動的微分方程可表示為：

式(1)中：[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣。考慮到懸置隔振軟墊的阻尼通常很小，在仿真計算中可忽略，因而式(1)又可表示為：

通過獲取動力總成的各項特性參數(shù)，如發(fā)動機質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、懸置安裝位置以及各向剛度等，則可求得矩陣[M]、[K]的表達式。然后，采用求取特征值的算法，則可得到系統(tǒng)各階固有頻率和相應的振型。

2 動力總成懸置系統(tǒng)固有特性分析

根據(jù)輕型商用車動力總成懸置系統(tǒng)所采取縱向布置的結(jié)構特征，獲取懸置系統(tǒng)的安裝位置和特性參數(shù)，運用ADAMS軟件，建立該動力總成懸置系統(tǒng)的仿真分析模型。通過仿真模擬計算，掌握隔振系統(tǒng)的初始固有特性，為進行必要的系統(tǒng)隔振優(yōu)化和改進提供依據(jù)。

2.1 懸置系統(tǒng)空間結(jié)構布置特征

輕型商用車的總布置多采用縱置式結(jié)構形式，動力總成位于駕駛室下方的車架縱梁內(nèi)側(cè)，其重心與車架中心線相重合，以發(fā)動機前置后輪驅(qū)動的模式進行總布置設計。圖2所示為某輕型商用車動力總成布置位置示意圖。

圖2 某輕型商用車動力總成布置位置示意圖

此類動力總成的懸置系統(tǒng)多采用三點式或四點式結(jié)構形式。前懸置（發(fā)動機懸置）位于車架腹面內(nèi)側(cè)，斜置式居多；后懸置（發(fā)動機或變速器懸置）位于變速器兩側(cè)或變速器殼體上方，以吊掛的形式居多。圖3所示為本文所討論懸置系統(tǒng)的布置示意圖。

圖3 懸置系統(tǒng)布置示意圖

該車型所采用的懸置軟墊均為橡膠減振軟墊，如圖4所示。其中，前懸置以30°夾角傾斜形式布置，采用帶限位結(jié)構的方形軟墊，穩(wěn)定性較好；后懸置以吊掛狀態(tài)進行布置，采用柱狀軟墊，可允許系統(tǒng)在縱向有一定的位移量，具有結(jié)構簡單和安裝方便的特點。

圖4 懸置軟墊示意圖

2.2 懸置系統(tǒng)固有特性分析

將動力總成的CATIA 模型導入ADAMS，按照懸置系統(tǒng)的實際布置情況，設置各懸置點特性參數(shù)。在ADAMS中采用Vibration模塊，以襯套Bushing來模擬懸置軟墊[7－8]，在ADAMS 軟件中建立懸置系統(tǒng)仿真計算模型，如圖5所示。

圖5 懸置系統(tǒng)仿真計算模型示意圖

仿真計算模型中的坐標系以系統(tǒng)質(zhì)心O為原點，車輛前進方向為X向，前進方向的左側(cè)為Y向，豎直向上為Z向。表1所示為懸置系統(tǒng)原狀態(tài)下的各向剛度值。

表1 懸置各向剛度/（N·mm-1）

模型中各項參數(shù)設置完成后，進行自由振動計算，可得到懸置系統(tǒng)原狀態(tài)下的固有頻率和振動能量矩陣，如表2所示。

表2 原狀態(tài)下系統(tǒng)固有頻率與振動能量矩陣

該車型所配置的直列4缸柴油機最低運行轉(zhuǎn)速為750 r/min，對應的2 階激勵主頻率是25 Hz，按照系統(tǒng)固有頻率應小于1/ 2 倍激勵頻率的一般隔振要求，該懸置系統(tǒng)的頻率大小滿足基本隔振要求。

但是，在y向和z向、x向與γ向的頻率分布存在重疊趨勢，這也進一步導致系統(tǒng)在y-α-γ方向產(chǎn)生較為明顯的耦合現(xiàn)象，會惡化系統(tǒng)隔振性能。

3 懸置系統(tǒng)對隔振性能影響規(guī)律研究

下文將在掌握懸置剛度和懸置位置對系統(tǒng)隔振性能影響規(guī)律的基礎上，以合理配置固有頻率和提高振動解耦度為優(yōu)化目標，對懸置系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，以獲得最佳的隔振效果。

3.1 懸置剛度對隔振系統(tǒng)影響規(guī)律分析

懸置剛度對系統(tǒng)隔振性能起到十分重要的作用，是優(yōu)化設計的最關鍵參數(shù)。此動力總成懸置采用的是方形塊狀橡膠懸置軟墊，在此類懸置剛度的優(yōu)化中，三向剛度需要遵循一定的比值。

結(jié)合該懸置的材料特性、結(jié)構特征和加工條件可知，其三向剛度需要保持X/Y=0.3～1.0、Z/X=4.5～9.0、Z/Y=1.0～4.5 的基本比例關系。為了分析研究懸置剛度對隔振性能的影響規(guī)律，在遵循基本比例關系的前提下，結(jié)合供應商提出的生產(chǎn)工藝要求，最終選取了如表3所示的5組剛度值。

表3 懸置剛度優(yōu)化/（N·mm-1）

分別采用所選取的5 組剛度進行計算，獲得如圖6所示的振動解耦度大小對比圖。由圖可知：采用第4組和第5組剛度時，6個方向的解耦度均相對較高。

圖6 懸置剛度對系統(tǒng)解耦度的影響規(guī)律

為了考察采用該剛度后懸置系統(tǒng)固有頻率的變化情況，表4給出了采用第5組剛度時的固有頻率與振動能量矩陣。由表可見，y-α-γ方向的解耦度大幅提升。但是y向與z向、x向與γ向的頻率分布依然間隔太小，存在重疊的趨勢。

表4 第5組剛度對應固有頻率與振動能量矩陣

3.2 懸置位置對隔振性能影響規(guī)律分析

懸置位置對系統(tǒng)隔振性能也有很大的影響，是設計中需要慎重考慮的變量。在整車開發(fā)中，當車架和動力總成的相對位置確定之后，懸置系統(tǒng)的安裝布置的邊界也將被確定。然后，需要在該邊界內(nèi)依據(jù)隔振要求和其他實際情況，進行懸置安裝點的綜合設計。

該車型懸置系統(tǒng)原狀態(tài)下動力總成側(cè)的安裝點如圖7所示。為了考察該安裝位置對系統(tǒng)隔振性能的影響規(guī)律，需要在允許的布置邊界范圍內(nèi)，對安裝點位置進行調(diào)整。

圖7 原狀態(tài)下懸置安裝點

對于發(fā)動機而言，原狀態(tài)的位置在X方向已經(jīng)無法向前移動，在Y方向調(diào)整的難度很大，因此，在下文的研究中對前懸置采取X方向的向后移動和Z方向的上下移動。對于變速器懸置而言，原狀態(tài)的位置在X方向已經(jīng)無法向后移動，同樣在Y方向調(diào)整的難度很大，因此在下文的研究中對后懸置采取X方向的向前移動和Z方向的上下移動。

交通要道栽苗木。在交通要道兩側(cè)采用林苗模式，亦林亦苗，聯(lián)合運作，把“造林、造景、造錢”結(jié)合起來，培育“好看、好管、好賣”綠化景觀苗木，既把交通要道打造成農(nóng)場的形象窗口，又實現(xiàn)道路兩側(cè)的經(jīng)濟效益。

首先，根據(jù)各懸置在各方向上的可移動范圍，初步改變位置尺寸，并進行若干組試算。然后，以改善解耦度并在工程上可行作為標準，選定最終的調(diào)整參數(shù)。最后，得到X向懸置位置的空間可調(diào)范圍相對較大，在研究中調(diào)整參數(shù)選取為100 mm；Z向懸置位置的空間可調(diào)范圍相對較小，在研究中調(diào)整參數(shù)選取為50 mm，如表5所示。

表5 懸置位置調(diào)整

下面分別針對前懸置和后懸置的單一方向進行對比分析，首先需要在ADAMS 仿真模型中重新設置懸置位置，然后進行計算，結(jié)果如圖8至圖9所示。

對圖8、圖9進行分析，可得到若干基本規(guī)律：

圖8 左/右懸置位置對系統(tǒng)解耦度的影響規(guī)律

圖9 后懸置位置對系統(tǒng)解耦度的影響規(guī)律

（1）左右懸置位置對系統(tǒng)解耦度影響規(guī)律

①左右懸置位置在Z方向降低時，除β方向解耦度小幅下降外，其他方向的解耦度均有所提高，特別是α方向的效果較為顯著。

②左右懸置位置在Z方向升高時，除α方向的解耦度略有下降外，其他方向的解耦度均有所提高，特別是γ方向的效果較為顯著。

③左右懸置位置在X方向后移時，除了β方向出現(xiàn)小幅下降外，其他方向的解耦度均有所提高，特別是y方向和γ方向的解耦度得到顯著提高。

（2）后懸置位置對系統(tǒng)解耦度影響規(guī)律

①后懸置位置在Z方向降低或升高時，對各向解耦度的影響較為有限，且在局部方向的解耦度下降。

②后懸置位置在X方向前移時，各向解耦度均有所提高，特別是α方向和γ方向的效果較明顯。

4 懸置系統(tǒng)隔振優(yōu)化設計

在懸置系統(tǒng)隔振優(yōu)化設計中，應均衡協(xié)調(diào)隔振系統(tǒng)固有頻率的分布情況和各向解耦度的改善情況兩方面的性能，嘗試將懸置剛度和懸置位置的影響規(guī)律綜合起來進行考量，將懸置剛度和懸置位置同時朝有利方向進行適度調(diào)整。

圖10所示為采用前文所述的第5組剛度和左右懸置位置后移100 mm后，懸置系統(tǒng)各向解耦度的對比結(jié)果。表6所示為相對應的系統(tǒng)固有頻率與振動能量矩陣。

表6 優(yōu)化后固有頻率與振動能量矩陣

圖10 優(yōu)化后懸置系統(tǒng)解耦度

由計算結(jié)果可知，優(yōu)化后系統(tǒng)y-α-γ方向的解耦度顯著提高，除β方向解耦度略有下降外，其他方向仍然保持了較好的解耦度。總體而言，此時很好改善了原狀態(tài)下存在的耦合現(xiàn)象。同時，原狀態(tài)下y-z方向、x-γ方向的頻率重疊現(xiàn)象已經(jīng)消失，頻率間隔有明顯改善，優(yōu)化對系統(tǒng)隔振能力的提升具有積極作用。

對于優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)，在動力總成質(zhì)心位置施加激勵，進一步考察各懸置點處的振動響應特性曲線。圖11至圖13所示分別為左懸置、右懸置、后懸置處響應力幅頻特性曲線。

圖11 左懸置響應力幅頻特性曲線

圖12 右懸置響應力幅頻特性曲線

圖13 后懸置響應力幅頻特性曲線

由曲線變化規(guī)律可知，優(yōu)化后系統(tǒng)的振動響應幅值整體減小。特別是左懸置和后懸置在7.8 Hz附近的峰值響應大幅下降，系統(tǒng)的隔振性能得到顯著提高。

5 結(jié)語

（1）結(jié)合輕型商用車動力總成懸置系統(tǒng)特征，通過建立ADAMS 仿真計算模型，揭示懸置系統(tǒng)的固有特性，并且獲知系統(tǒng)y向和z向、x向與γ向的頻率間隔太小存在重疊趨勢，在y-α-γ方向具有較為明顯的耦合振動。

（2）為了優(yōu)化和改善系統(tǒng)隔振性能，針對原狀態(tài)下的懸置系統(tǒng)，研究了懸置剛度和懸置位置對系統(tǒng)隔振特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：左右懸置的側(cè)向剛度對y-α-γ方向的耦合影響較大；在一定范圍內(nèi)，前后懸置位置的靠攏可以顯著提高系統(tǒng)的解耦度。

（3）依據(jù)懸置剛度和懸置位置對系統(tǒng)隔振特性的影響規(guī)律，結(jié)合車型開發(fā)的現(xiàn)實條件，對懸置剛度和懸置位置進行了優(yōu)化分析。優(yōu)化后系統(tǒng)y-α-γ方向解耦度顯著提高，并且y-z方向、x-γ方向的頻率間隔增大，很好改善了原狀態(tài)下存在的耦合現(xiàn)象。

（4）最后，通過計算懸置系統(tǒng)的振動響應特性曲線可知，優(yōu)化后各懸置點的振動響應幅值總體下降，系統(tǒng)的隔振性能顯著提高。該方法可為輕型商用車懸置系統(tǒng)的設計開發(fā)提供現(xiàn)實參考。