汽车前置前驱动力总成悬置系统设计优化

唐颖　蒋志锋

【摘 要】文章介绍一款前置前驱动力总成悬置系统优化设计方案，包括相关的理论依据、发动机悬置的结构方式选择、发动机舱布置，运用MATLAB和ISIGHT软件对悬置刚度的匹配优化，使解耦率达到最优，并且使模态符合要求，最后以实车的测试数据及主观评价作为性能评判依据，分析数据及实车测试都达到设计要求。搭载这款悬置系统的车型现已上市，不仅销量可观，并且性能得到广大消费者的认可，此悬置系统可以供相关技术人员作为设计参考。

【关键词】悬置;刚度;频率;解耦率

【中图分类号】U463 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）06-0039-03

0 前言

动力总成悬置系统作为连接动力与车身的重要结构，它主要起以下几个作用：{1}固定和支撑动力总成。将整个动力总成安装在车身上。{2}限制动力总成的最大位移。发动机在各种工况下，受到极限的力，悬置应能有效地限制其最大位移，以避免与相邻零件的碰撞与干涉。{3}隔振作用。不仅隔离动力总成内部激励引起的振动及高频噪声传递到车身，也隔离由于不平路面引起的车辆振动反向向动力总成的传递。

如今技术突飞猛进，人们对汽车的舒适性有了更高的期许。本文设计优化了一套适用于前置前驱发动机的悬置系统，能有效地隔离振动和噪声，改善了整车NVH性能，提升了乘坐的舒适性，可以供相关技术人员作为设计参考。

1 动力总成参数获取

悬置系统设计需要获取相关的动力总成参数作为设计的基础，主要的动力参数如下：发动机缸数、最大功率及最大扭矩，怠速的转速，变速器的各挡速比及主速比，动力总成的质量、质心及转动惯量，动力总成质心坐标与整车坐标夹角。具体数据如图1所示。从总布置报告中可以获取动力总成的安装姿态，转动惯量及动力总成的质量可以用三线摆设备进行测试，从动机、变速箱标定处可以获得怠速转速及最大扭矩、变速箱速比等参数。

2 结构布置

此车型采取的是已量产的平台车身，承载式车身结构，动力驱动为前置前驱，发动机排量1.5 L匹配手动变速箱。悬置系统匹配车身及动力总成，采取的是常见的三点钟摆式布置，左悬置为橡胶悬置，右悬置为液压悬置，后悬置采取拉杆悬置的形式，左、右悬置作为承载悬置支撑绝大部分动力总成重量，拉杆悬置用于控制动力总成在扭矩作用下的位移和转角。根据动力总成参数，计算出动力总成TRA轴在空间的位置，悬置的位置选择很关键，悬置弹性中心点与扭矩轴的X向距离要在20 mm内，这样NVH性能较好。悬置布置简图如图2所示，TRA轴悬置分布如图3所示。左、右悬置都搭载在车身上，这两个悬置承载了全部的动力总成的质量，后悬置与副车架相连。

3 悬置刚度匹配及优化

前期准备工作完成后，确认好悬置的位置，并进行最关键的悬置刚度匹配设计。每组刚度将对应一组频率和解耦率，本文将以能量解耦率为目标函数，合理分布各阶频率，因为悬置位置已确定不变，所以将以3个悬置的三向刚度为变量，计算动力总成的能量解耦分布。

3.1 悬置隔振原理

悬置系统的基本作用是隔离动力总成产生的振动及路面传递给动力总成的振动。系统对振动隔离程度的大小通常用传递率来描述。传递率是动态输出与动态输入的比率。当激励频率fd较低、固有频率fn较高时，即频率比小于1，传递率T大于1且随频率比的增加而增大;当激励频率接近于固有频率时，传递率幅值出现最大值，此为共振;当激励频率与固有频率的比率小于时，传递率总是大于1，因此只有当激振频率fd与固有频率fn之间的比值大于，悬置才能起到隔振作用（如图4所示）。

此项目的发动机为四缸四冲程，发动机怠速转速为750 r/min，根据计算（激励频率=发动机转速×阶数/60），得出固有频率需小于18 Hz。人体对振动比较敏感区域为5～7 Hz，则固有频率需要大于7 Hz。因此，确定动力总成悬置系统固有频率范围为7～18 Hz。

动力总成和悬置所组成的系统是一个复杂的弹簧—质量系统，动力总成悬置系统的振动耦合在6个自由度之间均可能存在，振动耦合不利于隔振，因为两个耦合振动的模态可能产生相互激励，导致振动放大，并使某些自由度的振动频带变宽，从而使隔振性能下降，通过合理地选择悬置的位置、方向及刚度等参数，可以有效地减小或消除耦合振动。根据以往的经验，在两个主方向上的解耦率均需达到90%以上，解耦率目标见表1。

3.2 基于MATLAB及ISIGHT的悬置优化

MATLAB是美国Math Works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。ISIHGHT通过一种搭积木的方式快速耦合各种仿真软件，将设计流程、优化算法、近似模型组织到一个统一的框架中，自动运行仿真软件，完成“分析—优化—模型修正—再分析再優化”整个流程，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。

将一组现有相似车型的悬置刚度作为基础值，应用MATLABR已编程的程序进行解耦计算，输入新的动力总成相关参数，会得到一组新的模态及解耦率。如果频率或解耦率不符合要求，则需进行刚度优化。打开Optimization，如图5所示。先确定可以作为优化的输入变量，一般为悬置的位置及刚度，同时确定约束变量，如频率的范围、悬置的变形量等。接下来确定需优化的输出变量，如将主方向的解耦率最大化。运行程序，将会计算出许多组刚度值及对应的模态和解耦率。刚度的选取不一定是解耦率最高的那组，需考虑悬置主簧的制造因素，主簧3个方向的刚度是否可以实现，同时刚度值不能过低，需考虑悬置的耐久性。综上，选择一组能符合条件的刚度值，并且要求这组刚度对应的频率分布也合理。此项目选取的刚度见表2，优化后的解耦率见表3。

4 实车测试结果

从以上分析结果可知，解耦分布的结果很好，频率分布也合理，但最终还是以实车的测试数据为准。实车测试一般包括悬置的隔振率、方向盘及座椅的振动、前后排的噪声测试，以及专业测评者的主观评测。

4.1 隔振率测试

测试悬置隔振率，主要依靠测试悬置的主动端及被动端的振动加速，每个悬置的主、被动端都需安装传感器，隔振率为主、被动端的加速度的比值再取对数。3个悬置隔振率尤其是主方向的，需达到大于20 dB的目标值。隔振率的测试工况包括迨速开、关空调及3擋全油门。此项目的隔振率测试结果见表4，结果基本合格。

4.2 振动/噪声测试

噪声测试，需要在驾驶员座椅及后排座处安装麦克风，进行声音采集。振动的测试，需要在方向盘及驾驶员的座椅的导轨处安装加速度传感器，接收振动数据。这两种测试的工况包括迨速开、关空调及3挡全油门。表5为振动/噪声的测试结果，对于振动、噪声的评价标准，每个车型均不同，无统一要求，但从结果显示来看，数据相对于同类型车型偏好，基本满足要求。并且，测评者主观跟车实车感受，在测试的各种工况下，并没有感受到明显的振动或突然的冲击，也没有听到明显的异响及刺耳的噪声。

实车测试结果表明，悬置的隔振率在主方向上都能满足大于20 dB的要求，振动及噪声的测度结果也比同类型的车好，测评者的主观感受也不错，因此可以得出结论：此项目的悬置NVH性能良好，符合设计要求。

5 结语

汽车发展多年，国内外对于悬置系统的研究已十分成熟，而本文通过一个新项目，根据实际的工件需要，从发动机悬置的结构方式选择、发动机舱布置，运用MATLAB及ISIGHT软件对悬置刚度进行匹配优化，使解耦率达到最优，并且使模态频率符合要求，最后以实车的测试数据和评测者主观评价作为性能评判依据，分析数据及实车测试都达到设计要求。目前，搭载这款悬置系统的车型已上市，不仅销量可观，并且性能得到广大消费者的认可，此悬置系统可以供相关技术人员作为设计参考。

参 考 文 献

[1]上官文斌，黄天平，徐驰，等.汽车动力总成悬置系统振动控制设计计算方法研究[J]. 振动工程学报，2008，

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[2]范让林，吕振华. 刚体-弹性支承系统振动解耦评价方法分析[J]. 工程力学，2006，23（7）：13-18.

[3]吕兆平.能量法解耦在动力总成悬置系统优化设计中的运用[J].汽车工程，2008，30（6）：523-526.

【作者简介】唐颖，女，广西桂林人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司悬置系统工程师，从事汽车悬置系统设计工作;蒋志锋，男，广西桂林人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司助理工程师，从事数据处理工作。