張光亞，付廣

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

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一種前置后驅(qū)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)正向開發(fā)方法研究

張光亞，付廣

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

摘要：前置后驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)由于受布置結(jié)構(gòu)限制，常不能達(dá)到很高的解耦率。為了在項(xiàng)目前期能夠?qū)υO(shè)計(jì)的懸置系統(tǒng)做一個(gè)較全面的評(píng)估，介紹一種利用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行正向開發(fā)的方法。基于MATLAB平臺(tái)建立13自由度動(dòng)力總成-車身系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過計(jì)算懸置支反力和車身振動(dòng)響應(yīng)對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了較好的設(shè)計(jì)參數(shù)值，從而證明該正向開發(fā)方法相對(duì)于傳統(tǒng)僅基于懸置解耦率的方法更先進(jìn)、有效。

關(guān)鍵詞：前置后驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)；懸置系統(tǒng)；正向開發(fā)；13自由度動(dòng)力學(xué)模型

0引言

近些年國(guó)內(nèi)乘用車市場(chǎng)非?；鸨?，乘用車相對(duì)于商用車對(duì)NVH性能要求更高，所以提高NVH性能是很多整車主機(jī)廠的重要關(guān)注點(diǎn)。其中動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)開發(fā)降低來自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲，是提高NVH性能基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)。很多文獻(xiàn)都介紹過通過發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、基本概念及應(yīng)用試驗(yàn)，來降低車輛的振動(dòng)和噪聲。提高發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的解耦率，被證明是一個(gè)有效的改善NVH的方法。解耦主要有扭矩軸(TRA)解耦和主慣性軸解耦，國(guó)外有文獻(xiàn)詳細(xì)對(duì)比了2種解耦的性能差別[1]。由于TRA是動(dòng)力總成怠速時(shí)的振動(dòng)軸，所以從發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的TRA解耦來作為切入點(diǎn)更方便。

一般情況，前置前驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置均能得到比較理想的解耦率，但前置后驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)由于布置空間的原因，部分主自由度上的解耦率僅能達(dá)到60%左右。2種懸置系統(tǒng)布置對(duì)比如圖1所示。較低的解耦率使得前置后驅(qū)車型NVH優(yōu)化更加復(fù)雜，需要利用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行正向開發(fā)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的懸置系統(tǒng)開發(fā)方法，提高設(shè)計(jì)效率。

1正向開發(fā)過程與傳統(tǒng)方法的差別

傳統(tǒng)的懸置系統(tǒng)開發(fā)過程如圖2所示，此種方法需要先制作樣件，進(jìn)行整車試驗(yàn)才能了解該懸置方案在整車中的性能，如果性能欠佳，則需要重新設(shè)計(jì)懸置，周期很長(zhǎng)。由于前置后驅(qū)動(dòng)力總成解耦性能較低，常導(dǎo)致多次的反復(fù)更改設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，造成時(shí)間和費(fèi)用的浪費(fèi)。

文中主要介紹利用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行正向開發(fā)的懸置設(shè)計(jì)方案，開發(fā)過程如圖3所示。在這個(gè)流程中，通過建立帶車身和車輪的懸置模型，在設(shè)計(jì)前期評(píng)估設(shè)計(jì)方案是否滿足整車的NVH性能，并進(jìn)行優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)問題，可有效節(jié)約寶貴的開發(fā)時(shí)間。

文中具體分析內(nèi)容為振動(dòng)固有特性分析(解耦率)、怠速激勵(lì)懸置支反力分析及路面激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)分析3個(gè)工況，高頻問題相對(duì)于低頻問題較容易解決[1]，故文中只關(guān)注了低頻問題。

2數(shù)學(xué)模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1數(shù)學(xué)模型

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外懸置簡(jiǎn)化模型主要有6自由度、16自由度和13自由度3種模型。6自由度模型中假設(shè)懸置是搭載在剛性基礎(chǔ)模型中，僅考慮懸置的6個(gè)方向自由度，該模型簡(jiǎn)潔高效，可在前期設(shè)計(jì)中對(duì)懸置性能做初步的評(píng)估，但無法反映實(shí)際整車響應(yīng)；1998年，史文庫(kù)等[2]在前人基礎(chǔ)上提出了動(dòng)力總成懸置支撐在彈性基礎(chǔ)上的16自由度動(dòng)力學(xué)模型，考慮了動(dòng)力總成及車架、副車架公共作用對(duì)整車振動(dòng)的影響；2008年，王峰[3]在其碩士論文中介紹了動(dòng)力總成連接在整車平順性7自由度彈性基礎(chǔ)上而建立的13自由度動(dòng)力學(xué)模型。13自由度模型相對(duì)16自由度模型簡(jiǎn)單，也同樣可以計(jì)算出懸置系統(tǒng)固有特性和分析怠速及行駛狀態(tài)下車身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所以文中建立的為13自由度模型。整體模型如圖4所示。

不考慮外力和阻尼作用，可以得到系統(tǒng)固有特性分析方程為：

根據(jù)振動(dòng)理論，其理論解為：

Xi=φisin(ωit+φi)

代入上式可得：

M-1Kφ=ω2φ

所以，系統(tǒng)的固有頻率和振形為：

fi=ωi/2π

動(dòng)力學(xué)方程中，定義13個(gè)廣義變量：

x=[x1x2x3]T

其中：x1=[xyzθxθyθz]T為動(dòng)力總成廣義坐標(biāo)；x2=[zbθxbθyb]T為車身廣義坐標(biāo)；x3=[zu1zu2zu3zu4]T為簧下質(zhì)量廣義坐標(biāo)。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)拉格朗日方程，得到動(dòng)力總成-車身系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：

2.2參數(shù)設(shè)置

在MATLAB平臺(tái)下建立系統(tǒng)仿真模型。選擇的是一款搭載1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)的前置后驅(qū)MPV車型，變速器為手動(dòng)變速器，懸置系統(tǒng)為3點(diǎn)安裝。懸置位置參數(shù)和靜剛度參數(shù)如表1和表2所示。

表1懸置件位置坐標(biāo)值

表2懸置靜剛度參數(shù)

動(dòng)力總成質(zhì)量參數(shù)及質(zhì)心如表3和表4所示。

表4動(dòng)力總成質(zhì)心位置參數(shù)

另外，輸入的參數(shù)還包括：懸置坐標(biāo)系與廣義坐標(biāo)系的夾角，車身質(zhì)量，懸架剛度、阻尼，車輪質(zhì)量等，考慮到車型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保密的需要，文中未給出這些詳細(xì)數(shù)據(jù)。

3計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1計(jì)算結(jié)果

懸置系統(tǒng)振動(dòng)固有特性分析結(jié)果如表5所示，對(duì)于前置后驅(qū)動(dòng)力總成來說，該結(jié)果已經(jīng)屬于較高解耦率，可以進(jìn)行下一步的分析。

怠速單位扭矩激勵(lì)下懸置支反力分析結(jié)果如圖5所示，可以看出：后懸置支反力遠(yuǎn)高于其他2個(gè)懸置，且峰值超過25 N，有些偏高。

路面單位激勵(lì)力下車身質(zhì)心振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果如圖6所示。

圖5單位扭矩激勵(lì)力下懸置支反力曲線

圖6單位路面激勵(lì)力下車身質(zhì)心加速度曲線

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了降低懸置支反力和車身質(zhì)心的振動(dòng)，設(shè)計(jì)小組對(duì)懸置的剛度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的參數(shù)如表6所示。

更新13自由度模型中參數(shù)后，計(jì)算得新懸置系統(tǒng)的解耦率見表7，新、舊模型懸置支反力和車身加速度響應(yīng)對(duì)比結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

表6優(yōu)化后懸置靜剛度參數(shù)

圖7單位扭矩激勵(lì)力下懸置支反力優(yōu)化前后對(duì)比

圖8單位路面激勵(lì)力下車身質(zhì)心加速度優(yōu)化前后對(duì)比

從分析結(jié)果中看：雖然新的懸置系統(tǒng)在解耦率上并沒有較大的提高，但各懸置的支反力和車身加速度均有一定幅度的下降，性能優(yōu)化效果明顯。

4試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

為了證明分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，懸置設(shè)計(jì)小組根據(jù)優(yōu)化后的懸置參數(shù)制作了樣件，見圖9，并在試驗(yàn)車上進(jìn)行搭載試驗(yàn)。

試驗(yàn)測(cè)量了在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和5擋80 km/h勻速工況下駕駛員座椅導(dǎo)軌處的振動(dòng)加速度，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖10和圖11所示。從試驗(yàn)結(jié)果中看出：0～100 Hz頻率內(nèi)能量幅值均低于設(shè)計(jì)目標(biāo)值100 mm/s2，說明該懸置系統(tǒng)在怠速下有較好的減振性能，振動(dòng)峰值頻率在12 Hz處與仿真結(jié)果較好吻合，也證明了仿真結(jié)果有一定準(zhǔn)確性。

5總結(jié)

文中主要進(jìn)行了以下工作：

(1)介紹了動(dòng)力總成-車身13自由度動(dòng)力學(xué)模型的方法，并利用MATLAB軟件平臺(tái)對(duì)某款前置后驅(qū)MPV車型進(jìn)行建模；

(2)在較低的懸置解耦率情況下，根據(jù)懸置支反力和車身振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)懸置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了較理想的車身振動(dòng)響應(yīng)；

(3)加工制造懸置設(shè)計(jì)方案樣件，并搭載在整車上進(jìn)行怠速工況和5擋80 km/h勻速工況的駕駛員座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)，測(cè)試性能達(dá)標(biāo)，并與仿真結(jié)果較好吻合。

實(shí)踐證明：這種正向開發(fā)方法可以在懸置設(shè)計(jì)前期更全面地優(yōu)化懸置參數(shù)，縮短優(yōu)化時(shí)間，與傳統(tǒng)僅依靠解耦率來評(píng)估懸置性能相比，是一種更先進(jìn)的懸置設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn):

【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】史文庫(kù)，林逸.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支撐在彈性基礎(chǔ)上的隔振特性分析[J].汽車技術(shù),1998,3(7):18-20.

【3】王峰.汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)振動(dòng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),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

作者簡(jiǎn)介：張光亞(1983—)，男，碩士研究生，工程師，從事汽車CAE工作。E-mail:guangya.zhang@sgmw.com.cn。

中圖分類號(hào):U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-042-05