一种前置后驱动力总成悬置系统正向开发方法研究

张光亚，付广

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)



一种前置后驱动力总成悬置系统正向开发方法研究

张光亚，付广

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

摘要：前置后驱动力总成系统由于受布置结构限制，常不能达到很高的解耦率。为了在项目前期能够对设计的悬置系统做一个较全面的评估，介绍一种利用计算机模拟进行正向开发的方法。基于MATLAB平台建立13自由度动力总成-车身系统动力学模型，通过计算悬置支反力和车身振动响应对悬置系统进行优化，最终得到了较好的设计参数值，从而证明该正向开发方法相对于传统仅基于悬置解耦率的方法更先进、有效。

关键词：前置后驱动力总成系统；悬置系统；正向开发；13自由度动力学模型

0引言

近些年国内乘用车市场非常火爆，乘用车相对于商用车对NVH性能要求更高，所以提高NVH性能是很多整车主机厂的重要关注点。其中动力总成悬置系统开发降低来自发动机的振动和噪声，是提高NVH性能基础性的环节。很多文献都介绍过通过发动机悬置系统的设计原则、基本概念及应用试验，来降低车辆的振动和噪声。提高发动机悬置系统的解耦率，被证明是一个有效的改善NVH的方法。解耦主要有扭矩轴(TRA)解耦和主惯性轴解耦，国外有文献详细对比了2种解耦的性能差别[1]。由于TRA是动力总成怠速时的振动轴，所以从发动机悬置的TRA解耦来作为切入点更方便。

一般情况，前置前驱发动机悬置均能得到比较理想的解耦率，但前置后驱发动机由于布置空间的原因，部分主自由度上的解耦率仅能达到60%左右。2种悬置系统布置对比如图1所示。较低的解耦率使得前置后驱车型NVH优化更加复杂，需要利用计算机模拟进行正向开发来代替传统的悬置系统开发方法，提高设计效率。

1正向开发过程与传统方法的差别

传统的悬置系统开发过程如图2所示，此种方法需要先制作样件，进行整车试验才能了解该悬置方案在整车中的性能，如果性能欠佳，则需要重新设计悬置，周期很长。由于前置后驱动力总成解耦性能较低，常导致多次的反复更改设计和验证，造成时间和费用的浪费。

文中主要介绍利用计算机模拟进行正向开发的悬置设计方案，开发过程如图3所示。在这个流程中，通过建立带车身和车轮的悬置模型，在设计前期评估设计方案是否满足整车的NVH性能，并进行优化，提前发现问题，可有效节约宝贵的开发时间。

文中具体分析内容为振动固有特性分析(解耦率)、怠速激励悬置支反力分析及路面激励下振动响应分析3个工况，高频问题相对于低频问题较容易解决[1]，故文中只关注了低频问题。

2数学模型建立及参数设置

2.1数学模型

当前国内外悬置简化模型主要有6自由度、16自由度和13自由度3种模型。6自由度模型中假设悬置是搭载在刚性基础模型中，仅考虑悬置的6个方向自由度，该模型简洁高效，可在前期设计中对悬置性能做初步的评估，但无法反映实际整车响应；1998年，史文库等[2]在前人基础上提出了动力总成悬置支撑在弹性基础上的16自由度动力学模型，考虑了动力总成及车架、副车架公共作用对整车振动的影响；2008年，王峰[3]在其硕士论文中介绍了动力总成连接在整车平顺性7自由度弹性基础上而建立的13自由度动力学模型。13自由度模型相对16自由度模型简单，也同样可以计算出悬置系统固有特性和分析怠速及行驶状态下车身的动态响应，所以文中建立的为13自由度模型。整体模型如图4所示。

不考虑外力和阻尼作用，可以得到系统固有特性分析方程为：

根据振动理论，其理论解为：

Xi=φisin(ωit+φi)

代入上式可得：

M-1Kφ=ω2φ

所以，系统的固有频率和振形为：

fi=ωi/2π

动力学方程中，定义13个广义变量：

x=[x1x2x3]T

其中：x1=[xyzθxθyθz]T为动力总成广义坐标；x2=[zbθxbθyb]T为车身广义坐标；x3=[zu1zu2zu3zu4]T为簧下质量广义坐标。

根据动力学拉格朗日方程，得到动力总成-车身系统动力学方程为：

2.2参数设置

在MATLAB平台下建立系统仿真模型。选择的是一款搭载1.5 L发动机的前置后驱MPV车型，变速器为手动变速器，悬置系统为3点安装。悬置位置参数和静刚度参数如表1和表2所示。

表1悬置件位置坐标值

表2悬置静刚度参数

动力总成质量参数及质心如表3和表4所示。

表4动力总成质心位置参数

另外，输入的参数还包括：悬置坐标系与广义坐标系的夹角，车身质量，悬架刚度、阻尼，车轮质量等，考虑到车型设计数据保密的需要，文中未给出这些详细数据。

3计算结果及优化设计

3.1计算结果

悬置系统振动固有特性分析结果如表5所示，对于前置后驱动力总成来说，该结果已经属于较高解耦率，可以进行下一步的分析。

怠速单位扭矩激励下悬置支反力分析结果如图5所示，可以看出：后悬置支反力远高于其他2个悬置，且峰值超过25 N，有些偏高。

路面单位激励力下车身质心振动响应分析结果如图6所示。

图5单位扭矩激励力下悬置支反力曲线

图6单位路面激励力下车身质心加速度曲线

3.2优化设计

为了降低悬置支反力和车身质心的振动，设计小组对悬置的刚度参数进行了优化。优化后的参数如表6所示。

更新13自由度模型中参数后，计算得新悬置系统的解耦率见表7，新、旧模型悬置支反力和车身加速度响应对比结果分别如图7和图8所示。

表6优化后悬置静刚度参数

图7单位扭矩激励力下悬置支反力优化前后对比

图8单位路面激励力下车身质心加速度优化前后对比

从分析结果中看：虽然新的悬置系统在解耦率上并没有较大的提高，但各悬置的支反力和车身加速度均有一定幅度的下降，性能优化效果明显。

4试验对标

为了证明分析结果的准确性，悬置设计小组根据优化后的悬置参数制作了样件，见图9，并在试验车上进行搭载试验。

试验测量了在发动机怠速和5挡80 km/h匀速工况下驾驶员座椅导轨处的振动加速度，试验结果分别如图10和图11所示。从试验结果中看出：0～100 Hz频率内能量幅值均低于设计目标值100 mm/s2，说明该悬置系统在怠速下有较好的减振性能，振动峰值频率在12 Hz处与仿真结果较好吻合，也证明了仿真结果有一定准确性。

5总结

文中主要进行了以下工作：

(1)介绍了动力总成-车身13自由度动力学模型的方法，并利用MATLAB软件平台对某款前置后驱MPV车型进行建模；

(2)在较低的悬置解耦率情况下，根据悬置支反力和车身振动响应分析结果对悬置参数进行优化，最终得到了较理想的车身振动响应；

(3)加工制造悬置设计方案样件，并搭载在整车上进行怠速工况和5挡80 km/h匀速工况的驾驶员座椅导轨处振动，测试性能达标，并与仿真结果较好吻合。

实践证明：这种正向开发方法可以在悬置设计前期更全面地优化悬置参数，缩短优化时间，与传统仅依靠解耦率来评估悬置性能相比，是一种更先进的悬置设计方法。

参考文献:

【1】JEONG T,SINGH R.Analytical Methods of Decoupling the Automotive Engine Torque Roll Axis[J].Journal of Sound and Vibration,2000,234(1):85-114.

【2】史文库，林逸.发动机悬置支撑在弹性基础上的隔振特性分析[J].汽车技术,1998,3(7):18-20.

【3】王峰.汽车动力总成悬置系统振动分析及优化设计[D].上海:上海交通大学,2008.

Study on a Forward Development Method for Engine Mount System of Front-engine Rear-drive Powertrain

ZHANG Guangya, FU Guang

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007,China)

Keywords:Front-engine rear-drive powertrain; Mount system; Forward development; Dynamic model with thirteen DOFs

Abstract:Engine mount system of front-engine rear-drive powertrain can’t obtain high decoupling rate normally, because of the structural constraint. For accurately assessing the mount system design at earlier stage of project, a forward development method based on computer simulation was introduced. A thirteen DOFs powertrain-body dynamic model was established based on MATLAB software. Through calculating mount reactive force and vibration response of body,the mount system was optimized and a better design was obtained. The results prove that this forward development method precede the conventional evaluation method in which only decoupling rate is used.

收稿日期：2016-02-22

作者简介：张光亚(1983—)，男，硕士研究生，工程师，从事汽车CAE工作。E-mail:guangya.zhang@sgmw.com.cn。

中图分类号:U461.1

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)05-042-05