动力总成悬置系统对汽车动力学性能的影响探讨

孙士杰 王治平

摘 要：随着我国社会经济的快速发展，人民群众的生活水平不断提高，对汽车的需求量也在不断增多。汽车行业要想满足人民群众的实际需求，必须要积极提高对汽车性能的评价。动力总成悬置系统作为整个汽车振动系统的重要组成部分，其振动的传递特点对汽车行驶的舒适性具有非常大的影响。本文通过对动力总成悬置系统对汽车动力学性能的影响进行分析，详细探究汽车动力总成悬置系统的重要作用，分别建立汽车前轴垂向振动模型和3自由度汽车侧向动力学模型，积极探究动力总成悬置系统对汽车动力学性能产生的影响。

关键词：动力总成悬置系统；汽车动力学性能；影响分析

随着汽车行业的快速发展，人民群众对汽车乘坐的舒适性要求也在不断提高。动力总成悬置系统的合理优化能够有效提高汽车NVH性能，保障汽车稳定运行的重要参数。汽车动力总成悬置系统就是指连接发动机、离合器、变速箱等动力系统与汽车底盘之间的元器件系统。由于汽车动力总成悬置系统的振动会与路面激励传递给车身，汽车动力总成悬置系统的性能，对车辆的NVH性能具有非常直接的影响。

一、动力总成悬置系统对汽车垂向动力学性能产生的影响

（一）动力总成悬置系统对系统固有属性的影响

动力总成悬置系统在设计的过程中必须要进行解耦设计，因为通过解耦设计能够将整个动力总成悬置系统划分为独立的振动，有效降低设计的难度[1]。如果假动力总成悬置系统垂向振动完全解耦，则动力总成的质心类似于在前轴上方，由此所建立的动力总成轴垂向振动模型。

根据动力总成悬置系统对系统固有属性产生的影响进行分析，能够明确动力总成悬置系统，其自身的振动频率与发动机的怠速转速，结构类型和格阵设计具有非常明显的关联，对于整车以及其他子系统来说，在配置频率确定的条件下，频率越第一，则接任频率越高，根据不同车型整车系统的配率显示，由于动力总成悬置系统自身的配率下限为5-6Hz左右[2]。

在设计动力总成悬置系统时，一般情况下应该适当的简化无运动刚体，尽管整个系统的频率分布范围已经明确，但是不同频率依然需要对各镇城镇进行详细的设计。例如在垂向振动频率分析时，如果忽略具体结构限制，则频率在可配置频率上必须要保证其分布区间为系统分布的可行范围[3]。

在动力总成悬置系统偏频的整个变化范围中，动力总成悬置系统固有频率自身必须大于偏平直，而且簧载质量偏平的变化，对整个汽车动力总成悬置系统的固定频率不会产生影响，根据这样的规律也能够说明在动力总成悬置系统固有频率计算时，由于刚性固定基础假设不够准确，动力总成悬置系统的弹性系统对整个系统的固有频率会产生一定的影响，但是变化效果并不明显。

随着偏频的不断增高，动力总成悬置系统的刚度值也在扩大，此时动力总成与车身的固有振动偏直浮却依然保持不变，根据这样的理论，能够使得整个动力总成悬置系统的固有频率与偏频差逐渐增加，根据计算结果显示。当差值在5-15Hz时，水平的弹簧载质量偏频动力总成悬置系统偏平的变化对车身自有频率并不会产生影响，而如果动力总成悬置系统偏频位于5Hz以下时，则会对整个车辆产生明显的影响。由此可见，动力总成悬置系统偏频的变化对非簧载质量固有偏频没有明显影响，但是动力总成悬置系统在垂向频率设计时，应该避免对非簧载质量频率造成的影响，否则会导致两者之间产生强耦合[4]。

（二）动力总成悬置系统对垂向动力学性能产生的影响

根据1/4车辆模型的动力学性能判断，在垂向动力学性能评价时，主要依据车身加速度，悬架动挠度以及车辆轮动迫在当车身加速度，过快时很容易导致乘客身体前倾，影响乘坐的舒适度。悬架动挠度则直接影响悬架线位块的作用频率，给整个乘坐舒适度造成影响。车轮动载荷会直接影响车轮接地的变化情况，给汽车驾驶造成影响，通过在1/4车辆模型中增加动力总成悬置系统，能够使整个车身加速度形成全新的模型，其汽车加速度，实际上属于簧载质量的加速度，而悬架动挠度、车轮载荷与1/4车辆模型的定义相同[5]。

汽车各点速度关系：假设汽车沿x轴方向的速度保持恒定，则可忽略动力总成相对车身的纵向运动，而只考虑其侧向运动。汽车质心速度、前轴速度（动力总成）和后轴速度的关系如图2所示，三者在x轴方向的投影均为u。 建立汽车3自由度侧向动力学模型的运动方程：

式中：mp为动力总成的质量，kg；m和I分别为以车身为主体的汽车其他子系统的总质量和通过质心绕垂直轴的转动惯量，kg和kg·m2；k1和k2分别为前轴和后轴的侧偏刚度，N/rad；a，b和l分别为其他子系统的质心至前轴轴线、后轴轴线和动力总成质心沿x方向的距离，m；k和c分别为悬置系统在侧向的刚度和阻尼；u和v分别为汽车在x轴、y轴方向的速度分量，m/s；ω为汽车横摆角速度，rad/s；yp为动力总成相对车身的侧向位移，m。 在2自由度模型中，假設整车的质量为M，绕z轴的转动惯量为I0。当模型中引入动力总成悬置系统后，整车可分为两部分：一部分是动力总成；另一部分是以车身为主体的汽车其他子系统。根据直接测得的整车与动力总成的质量和转动惯量，计算3自由度模型中车身的质量、转动惯量和质心位置。

由于行驶工况的变化，并不会对模型分析产生影响，系统分析能够在任意工况条件下进行，根据阻尼变化高低的情况，对动力总成悬置系统偏频判断，当阻尼比较低时则动力总成悬置系统偏频会明显上升，车身的加速度也会呈现先大后小的趋势。汽车总成的运动与非簧载质量的运动具有比较强的耦合。如果动力总成悬置系统频频与非簧载质量频率相等时，汽车的乘坐舒适性以及动力总成对垂向运动控制都将受到不利影响，而如果阻尼偏大，则系统的悬置偏频会明显升高，汽车加速度平滑下降。汽车速度比较低的状况下变化趋势也并不明显，对于动力总成悬置系统的偏频，会呈现明显下降趋势。由此可见，当汽车动力总成悬置系统，对车轮刚度影响与车身柔度影响基本保持一致，但是悬架动挠度，在动力总成悬置系统偏频和阻尼比变化范围中，车轮动刚度的变化范围也并不明显，汽车动力总成悬置系统对车轮动刚度影响，可以忽略不计。

二、动力总成悬置系统对汽车侧向动力性能产生的影响

（一）角阶跃输入下的汽车瞬态与稳态响应分析

根据国家标准《GB/T 6323—2014汽车操纵稳定性试验方法》显示，在汽车前轮通过增加角阶跃输入进行顺态响应试验时，整个汽车的最高车速按照70%确定，以140km/h为例，角阶跃输入的最终转角与汽车稳态侧向加速度具有明显的关联，通过对汽车动力总成悬置系统测向偏频为5-20Hz的曲线能够说明，当动力总成悬置系统的偏频为5-20Hz时，整体的横摆角响应速度相差不大，但两者之间的自由响应速度却存在明显差别，根据这样的实验模型能够分析，动力总成悬置系统偏频在可行范围内，对汽车横摆角速度影响偏小，当汽车动力总成悬置系统引入之后，却会对汽车横摆角速度具有非常明显的影响，当自由度模型横摆角速度响应最大值，大于3自由度值。为了能够准确的对汽车转向输入进行响应，必须对汽车动力总成悬置系统进行判断与分析，当汽车在转向角阶跃输入下稳态响应之后，整个汽车运动曲线会趋于稳定，最终的稳态值也明显，预约响应速度保持一致。

（二）角脉冲输入下的汽车瞬态响应分析

根据汽车最高行驶速度的70%，确定为140km/h，脉冲输入最大转角，根据汽车侧向加速度来判断在1s内开始进入，角阶跃输入施加过程为0.3s，当汽车转向输入与横摆角的速度进行复利液变换时，两者的比值就是横摆角速度的频率响应特性。自然流产的相关因素进行分析，现将研究报告总结如下。根据动力总成悬置系统的偏频进行分析，当横白角的偏频响应速度与两者之间的自由度具有明显的关联，当转向输入频率较低时，则2自由度模型与3自由度模型之间的横摆角速度增益并不显著，转向输入频率，接近系统的谐振频率时，两者之间的横摆角速度增益，具有非常明显的差别，当向位置后角频率小于0.8Hz时，2自由度模型的之后角小于3自由度模型，而当激励频率增加到0.8Hz以上时，则2自由度模型的滞后角会明显高于3自由度模型随着频率的增大，两者之间的差值也明显增多，这也说明了2自由度模型具有良好的低频响应速度，3自由度模型具有良好的高频转向响应速度，当动力总成悬置系统的偏频升高时，谐振频率谐振峰值以及向位置后角也会明显增加，但是当偏频升高到15Hz之后，则增加的速度明显放缓。

三、动力总成悬置装置对汽车动力学性能的影响分析

如果汽车动力总成悬置系统对垂向偏频设计合理时，整个动力总成悬置系统的固有频率应该大于偏频值，车身以及非簧载质量的固有频率比没有明显变化，且载质量偏频保持在合理范围内，动力总成悬置系统的固有频率也不会发生明显的变化，如果动力总成悬置系统的垂向阻尼比较低，而且车身加速度会随着垂向偏频升高，出现先增大后减小的变化趋势，这也说明动力总成悬置系统的垂向阻尼较高，对汽车加速度垂上偏频速度影响较小。如果动力总成悬置系统的频率比较接近，非簧载质量的频率会汽车系统的垂向阻力较小，则汽车的加速度也明显增加，说明动力总成悬置系统的垂向偏頻与阻尼会对整个汽车的悬架动绕度以及车轮载荷量影响没有明显关联，为了判断汽车对转向输入的响应，必须充分考虑汽车动力总成悬置系统，在汽车转向角阶跃输入下，汽车的横摆角速度响应也明显变化，但是测向偏频的响应时间响应风速和超调量影响较小。随着动力总成悬置系统的侧向偏频不断升高，则整车频率有明显升高趋势，也会随着谐振峰值的增大。但是当向位之后，角增大到一定程度之后，其变化趋势会明显减小。

结束语：

本文通过对汽车总成动力总成悬置系统对汽车动力学性能产生的影响进行分析，分别从汽车前轴垂向振动以及3自由度汽车侧向动力，两个方面来探究动力总成的影响变化。根据本文的研究结果显示，动力总成悬置系统作为低频减震高频建造的重要组成部分，对汽车行驶的稳定性和舒适性具有非常重要的影响，如果汽车动力总成悬置系统设置不符合要求，则很难有效提高汽车的乘坐舒适性，必须要确保汽车动力动力总成悬置系统的稳定性。

参考文献：

[1]孙秋. 基于有限元法的动力总成悬置系统解耦分析方法研究[D].重庆理工大学，2019.

[2]孙志刚，徐伟刚，王军，刘保国.重型汽车动力总成悬置系统解耦设计[J].山东交通学院学报，2018，26（02）：18-24+31.

[3]周宇杰. 考虑弹性基础的动力总成悬置系统研究及软件开发[D].重庆理工大学，2018.

[4]郑利锋. 重型载货汽车动力总成悬置系统匹配分析及实验研究[D].太原理工大学，2017.

[5]刘贵平. 纯电动微型客车动力总成悬置系统对车内NVH性能影响分析[D].沈阳工业大学，2017.