动力总成悬置系统布局对车身响应敏感度影响的研究

尹　伟

(江铃控股有限公司，南昌 330052)



动力总成悬置系统布局对车身响应敏感度影响的研究

尹伟

(江铃控股有限公司，南昌 330052)

针对一台新开发的SUV车型动力总成悬置系统进行了车身响应敏感度CAE分析和物理样车整车的NVH性能测试，结果表明：对于横置动力总成布置，与传统4点悬置方式对比，采用3点悬置系统布置能更加有效地降低车身对动力总成激励的响应敏感度；在所开发的车型上采用3点悬置后，获得了很好的低频NVH效果.

汽车；动力总成；悬置系统；NVH；车身响应敏感度

乘用车的动力总成最常使用的是前驱动力总成横置的布局方案.在这种总体设计下，动力总成悬置系统传统上会采用4点悬置的布置方案(见图1).近年来，越来越多的车辆选择了3点悬置的布局(见图2).两个方案中包含的左/右悬置的作用是相同的，即主要承担动力总成的自重及车辆上下颠簸时动力总成在垂直方向产生的惯性力.为了提高车辆行驶过程中的平稳性，左/右两个悬置推荐使用液力悬置，当车辆上下颠簸时利用液力悬置的阻尼作用减小动力总成的振动.

图1　4点悬置系统布置方式

图2　3点悬置系统布置方式

4点悬置系统与3点悬置系统的主要差别在于：4点悬置采用前后两个悬置从车辆的z方向抵御由于输出扭矩而导致的动力总成围绕扭矩轴(Torque Roll Axis)的旋转运动，因此发动机的发火激励会主要从车辆的z方向对副车架产生激励，并传递到车身.3点悬置系统则不同，它只采用一个后连杆形式的村套从车辆的x方向抵御因输出扭矩而导致的动力总成旋转运动，因此发动机的发火激励主要从车辆的x方向对副车架产生激励，并传递到车身.可见二者设计思想的主要差别，是动力总成主要激励传递到车辆的方向不同.一般认为，车身在x方向的响应敏感度要低于在z方向的响应敏感度，因此，理论上对于同样的动力总成激励，采用3点悬置比采用4点悬置更容易获得比较小的车身响应[1]，这对于改善车辆的NVH性能是非常有利的.这也是更多车辆开始选择3点悬置布置的主要原因.

在开发一款新SUV车型的概念设计阶段，通过试验发现新车型选择的动力总成无论是振动或辐射噪声都较NVH目标车型的动力总成更高.为了达到与目标车型类似的NVH指标，除了考虑更为有效的前围密封和声学包覆措施之外，悬置系统的设计对于结构噪声的降低则显得尤为重要.考虑到NVH目标车型采用的是4点悬置设计，我们认为通过3点悬置结构，有可能从路径的角度补偿由发动机振动偏大而导致的差异.

为了实际了解采用3点悬置系统所能获得的收益，建立了NVH目标车型和新车型的整车FE模型，并应用分析软件工具对车内驾驶员右耳声响应和方向盘振动响应对悬置对应方向的激励敏感度进行了分析和比较.结果证明3点悬置系统无论在整车声响应敏感度或振动响应敏感度方面都得到了明显的改善.此外通过在动力总成上施加单位扭矩激励，计算的车内声响应敏感度也证明完全可能通过3点悬置系统的设计来补偿动力总成振动偏大的差异，从而实现预定的整车NVH目标.

物理样车的试验结果，证明了车内振动指标优于NVH目标样车，而噪声指标达到了与目标样车同等级的水平.

1　问题的提出

对于整车的NVH性能来说，动力总成的振动与辐射噪声的水平具有非常重要的影响，尤其是对低频的NVH性能.动力总成引起的噪声向车内的传播路径有两种不同的机制：1)空气噪声传播(Airborne Noise)，即动力总成的辐射噪声直接通过车身泄漏位置传播，或通过声振耦合穿越前围等结构传播到车内.这种噪声问题不在本文讨论的范围.2)结构噪声传播(Structure-borne Noise)，即动力总成的振动能量通过悬置系统传递到副车架，再通过副车架与车身的联接点传递到车身，导致车身板振动而引发噪声.本文主要讨论第二种噪声传播机制.

根据NVH研究的一般模型，可以将动力总成结构噪声传播机制表述为图3形式.

图3　动力总成结构噪声传播模型

根据图3模型，当处理动力总成的结构噪声问题时，可以分别从源、路径或响应端采取对应的措施.具体从哪个方面进行改进，则需要根据实际的工程条件确定.从理论的角度，最希望从源上降低振动的激励水平，它是最根本、也是最有效的措施.但在实际工程中，在动力总成的配置上常常没有选择余地，而改进发动机的振动噪声也不是短期可以完成的.因此，从整车开发的角度，对悬置系统或车身设计进行优化可能会是更现实的措施.

我们在开发一款新SUV车型时，通过试验发现为新车型选定的动力总成的辐射噪声和振动都比NVH目标车型的动力总成要高.由于整个项目已经参考NVH目标车型设定了总体NVH目标，如果不能有效降低动力总成的结构噪声，则很可能使得项目NVH目标无法实现.

考虑到NVH目标车型采用的是4点悬置系统设计，又根据近年来3点悬置系统逐渐流行的趋势，我们分析了二者的差异，认为3点悬置系统由于将动力总成的主要激励方向转换到整车坐标系中车身相对不敏感的x方向，有可能弥补动力总成激励偏大导致的差距.在图1和图2表达的方案中，这种措施相当于通过改变路径来实现车身响应的改进，即利用了路径与响应端的交互影响来改进NVH性能.

为了确定这种措施是否具有达到NVH目标的潜力，需要在详细设计阶段规划分析任务，考察和比较3点悬置系统与4点悬置系统所导致的整车响应敏感度的差异.

2　研究方法

在整车的概念设计和详细设计阶段，由于不具备物理样车，试验法研究没有可行性.鉴于项目建立了整车NVH分析的FE模型，采用仿真分析方法进行研究具备可行性.

由于实际条件的限制，设计阶段很难获得动力总成激励的实际特性，因此，要想分析预测整车采用不同悬置系统在各种工况下的真实车内响应是很困难的.但实际上，我们只要比较在悬置上施加主激励方向的动态单位激励后导致的车内响应敏感度函数，也可以间接评价不同悬置方案导致的真实响应之间的差异，达到评价方案优劣的目的.实际上，从NVH分析目前的水平，整车模型仍然需要一定程度的简化，作为一个非常复杂的结构组合体，整车NVH分析主要的应用还是作为一种方向性和准则符合性的验证.从整车设计的角度，花费巨大资源预测整车真实响应会是得不偿失的.

根据这些情况，确定分析研究的步骤如下：

1) 首先建立NVH目标车型和新开发车型的整车CAE模型；

2)在不集成动力总成和悬置模型的条件下，在NVH目标样车的前/后悬置支架处依次施加z方向动态单位激励，并分别计算驾驶员右耳的声响应和方向盘12点位置的振动响应；

3)在不集成动力总成及悬置模型的条件下，在新开发车型的后悬置处施加x方向的动态单位激励，并分别计算驾驶员右耳的声响应和方向盘12点位置的振动响应；

4)在NVH目标车型与新开发车型之间，对计算的声响应和振动响应进行比较，评价新车型采用3点悬置后在车身响应敏感度方面是否获得足够的收益；

5) 在两个车型的整车模型中分别增加各自的动力总成及悬置系统模型，并在发动机曲轴上分别施加单位扭矩，计算各自的驾驶员右耳声响应和方向盘振动响应.比较两个车型的响应值，即可判断新车型采用3点悬置后是否在响应敏感度方面得到足够的收益.

3　整车FE分析模型

图4和图5分别为在新车型详细设计阶段建立的NVH目标车型和新开发车型的整车FE模型.其中对目标车型的FE模型采用白车身和闭合车身(Trimmed body)的模态试验结果进行了相关性分析，验证了模型构建方法的正确性.

图4　目标车型的整车NVH分析模型

图5　新开发车型的整车NVH分析模型

整车模型中的动力总成采用6自由度的刚体模型表达，悬置系统则是经过专门的模态解耦分析和正确的悬置刚度设计后，采用各悬置的局部坐标系中3个方向的线性弹簧单元进行模拟.悬置支架采用了详细的FE建模(见图6和图7).

图6　目标车型动力总成及悬置系统模型

图7　新开发车型动力总成悬置系统模型

声敏感度分析需要进行结构和声腔的耦合计算，如图8和图9所示，分别是从目标车型和新开发车型的闭合车身(Trimmed body)中抽取的车内声腔模型.

图8　目标车型声腔模型

图9　新开发车型动力总成及悬置系统模型

4　车身对主要悬置位置激励的敏感度　分析比较

根据之前对3点悬置系统与4点悬置系统差别的分析，采用3点悬置系统的主要目的是要降低车身对动力总成激励的响应敏感度.为了考察车身自身对不同方向悬置激励方向的敏感度，首先从整车模型中拆除动力总成和悬置系统，并分别对目标车型前/后悬置被动端施加z方向动态单位激励，而对新开发车型后连杆被动端施加x方向动态单位激励，并分别计算两个车型在各自激励条件下驾驶员右耳的声响应和方向盘的振动响应.比较两个车型对应的声响应和振动响应，即可反映出二者在车身响应敏感度方面的优劣及差别的程度.图10和图11是两种不同车型各自施加单位激励的方式.

图10　目标车辆悬置力施加

图11　新开发车辆悬置力施加

图12和图13给分别给出了目标车型与新开发车型之间车身声响应敏感度和振动响应敏感度的比较.计算的频率范围选择为20～200 Hz.

由图12可知：采用3点悬置非常有效地降低了车身自身对主要悬置力激励的敏感度，在声响应方面，与4点悬置前悬置比较，3点悬置对主要悬置激励的响应最大降低达到30 dB；而与4点悬置的后悬置比较，响应值的最大降低量也能达到20 dB.从整个分析的频率范围，3点悬置都能保持较低的声响应值.

按照整车NVH分析的一般准则，动态单位激励下整车声响应的最大值不希望超过60 dB[2]，而对于要求较高的车辆，最大动态单位激励的声响应值希望控制在55 dB以下.从图12可以看出，目标车前悬置点在160 Hz左右的频率的车身声响应敏感度已经达到了一般准则的极限，成为设计上的弱项.而新设计车型由于改变了激励的方向，有效地改善了该频率段的车身声响应特性.

图12　不同悬置布局下目标车与新开发车的声响敏感度比较

图13　不同悬置布局下目标车与新开发车的振动响应敏感度比较

方向盘振动响应比较的结果与声响应比较结果的特征几乎是相同的.实际上，我们在新车型的详细设计过程中还计算和比较了地板和座椅导轨的振动响应，所反映的改善效果几乎是一致的.采用3点悬置方案后，由于主激励方向的转变，所有关注点的振动响应敏感度都获得了明显的改善.

从结构噪声传播的定义，动力总成激励引起的结构噪声实际上就是动力总成的结构振动经悬置传递到车身，引起车身板振动而导致的辐射噪声.因此，采用3点悬置后能同时改进车内的结构噪声和振动是不难理解的.

5　整车对曲轴单位扭矩激励响应敏感　度的分析比较

尽管设计时从承载的功能上不同位置的悬置之间进行了分工，但由于动力总成加载及悬置系统设计的复杂性，很难做到使不同位置的悬置只按照设计意图承受单一方向的载荷，各个悬置在承受设计的主要方向的载荷时，不可避免地还会在不同程度上承受其它方向的载荷.此外，各悬置承载时也会发生相互之间的交互影响.以上考察车身对主要方向的激励敏感度时，并没有将悬置系统的总体作用考虑在内(主要包括悬置的隔振效果和各悬置之间的交互影响).为了验证新车型采用3点悬置系统后是否真正从整车的角度得到相应敏感度方面的收益，我们将目标车型和新设计车型各自的动力总成和悬置系统模型重新集成到整车模型中，分别在各自的曲轴方向施加单位扭矩，并在这种激励条件下计算驾驶员右耳和方向盘的响应，以比较新车型采用3点悬置从整车角度能获得的响应敏感度收益.

图14和图15为曲轴单位扭矩的施加方式.需要注意的是，一般情况下曲轴都不会通过动力总成的质心.模型加载时需要确定曲轴上的一个点，并用刚性单元将曲轴上这个点与动力总成6自由度刚体模型的质心点相联接，再在曲轴的这个点上沿曲轴的空间方向施加单位扭矩.

图14　目标车型曲轴单位扭矩施加

图15　新开发车型曲轴单位扭矩施加

图16和图17给出了上述模型分析结果的比较.

图16　不同悬置布局下目标车与新开发车对曲轴施加单位扭矩激励的声响应敏感度的比较

图17　不同悬置布局下目标车与新开发车对曲轴施加单位扭矩激励的振动响应敏感度的比较

从图16给出的声敏感度比较可以看出，对于曲轴的扭矩激励(即发动机主要激励)，采用3点悬置之后的总体改善效果与单考察车身的情况是一致的，即3点悬置系统在多数频率范围都有效地改善了车内的声响应敏感度.最大改善可以达到20 dB左右.但出人意料的是，在150～180 Hz的频率段，3点悬置系统的声响应敏感度反而存在一定的恶化.对照图17的振动敏感度比较，可以发现两个车型在该频率范围的响应特性都存在一些问题.考虑到新开发车型对目标车的车身结构存在一定程度的继承，我们认为这个频率范围的问题是由于车身结构设计特征造成的.事实上，后续的研究证明了这个判断.该问题的详细研讨论不在本文论述的范围之内.

比较图12和图16给出的车内声响应的幅值，可以看出两个车的悬置系统都得到了正确的设计，20 Hz以上所有的声响应都得到了有效衰减，说明悬置系统共振频率的设计满足了要求.

总体上看，图17给出的方向盘振动响应比较，证明3点悬置能有效改进车内的振动响应敏感度.从问题频率段150～180 Hz表现的特征，似乎新设计车型车身结构的问题比目标车型更大.

比较图13和图17，也可以看出两个车辆的悬置系统刚度设计均是合理的，即20 Hz之后的振动均得到有效衰减.20Hz之前是悬置系统的共振区，振动响应有所放大，但模态能量比较集中，说明模态解耦度满足要求.20Hz之前动力总成的发火激励处于车辆怠速转速以下，不会对车辆的NVH指标构成影响.

通过以上分析比较，对3点与4点悬置系统的差异及新车型NVH目标的可实现性能够获得以下结论：

1)3点悬置系统由于改变了动力总成的主激励方向，能够非常有效地降低车内声响应和振动响应的敏感度.与4点悬置系统比较，3点悬置是更为先进的悬置系统布局设计.

2)3点悬置系统对整车响应敏感度的改善，主要是由于激励方向变化导致车身响应敏感度降低而实现的.

3)新车型采用3点悬置系统后，与NVH目标车型对比，响应敏感度得到了非常明显的改善.无论从作用的频率范围及改善的程度，都预示着完全可能通过3点悬置系统的应用，弥补新车型动力总成激励偏大产生的问题，并实现设定的整车NVH目标.

4)无论采用4点悬置系统还是3点悬置系统，车身自身结构的设计特征都是至关重要的.当车身结构设计存在问题时，有可能部分抵消采用3点悬置系统获得的优势.

5)针对汽车的结构噪声优化，CAE方法是一种非常有效的设计开发和研究手段.

6　整车试验验证

针对目标车型和新开发车型的物理样车进行了比较完整的整车NVH性能测试.结果证明新开发车型全面达到了项目初期设定的NVH目标.

需要说明的是，汽车工作时产生的噪声和振动激励源不仅仅是动力总成激励，还有其它的主要激励源,如：进气系统、排气系统、道路激励、风激励，等等.任何结构或部件的共振也会形成二次激励源.动力总成激励也不仅是动力总成的结构激励，同时动力总成也产生辐射噪声激励.设计不当时，任何动力总成的附件都可能成为导致NVH问题的激励源.整车试验与CAE分析不同，很难在试验过程中依靠某种方法获得单一激励的试验结果.考虑到车内噪声更容易受到空气传递噪声的影响，我们只选取整车方向盘振动的数据从整体的角度间接反映采用3点悬置后取得的效果(见图18).

图18　目标车型与新开发车型方向盘振动试验数据对比

从试验结果的对比可以看出，新开发车型的方向盘振动性能全面超过了目标车型.尽管行驶工况的方向盘振动也会与车辆的底盘及转向系统设计相关，但相对来说，方向盘振动与动力总成结构激励的相关度是较高的，同时再考虑到新开发车型与目标车型的结构相似性，基本可以认为二者的差距主要是因动力总成悬置系统的差异而造成的.因此从整车试验的角度，也证明了采用3点悬置确实达到了预期的效果.

7　结束语

通过对新开发车型的CAE分析及对目标车型和新开发车型的物理样车NVH性能测试，结果表明对于横置动力总成布置，采用3点悬置系统布置能更加有效地降低车身对动力总成激励的响应敏感度.新开发车型全面达到了项目初期设定的NVH目标.

[1]Donald E. Malen.Fundamentals of Automobile Body Structure Design[C]. //SAE International，2011.

[2]Xu Wang，Thmas Ahlersmeyer，G.M.Goetchius，et al. Vehicle Noise and Vibration Refinement [M].Woodhead Publication，2010.

Research on the Influence of Powertrain Mount Layout to Body Response Sensitivity

YIN Wei

(JIANGLING Motor Holding Company，Nanchang 330052，China)

The body response sensitivity is analyzed and the vehicle NVH performance experiment is made for a new developed SUV vehicle. The results have been identified that, for the east/west powertrain layout, three point mount system is more effective in lowering the body response sensitivity compared with the traditional four point mount system. By using the three point mount system on the new developing vehicle，a good low frequency NVH has been obtained.

automobile；powertrain；mount System；NVH；body response sensitive

1009-4687(2016)01-0008-07

2016-12-15.

尹伟(1967-),男,高级工程师，研究方向为汽车总体设计技术、汽车NVH技术.

U461.4；U270.1+6

A