尹　偉

(江鈴控股有限公司，南昌 330052)

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動力總成懸置系統(tǒng)布局對車身響應(yīng)敏感度影響的研究

尹偉

(江鈴控股有限公司，南昌 330052)

針對一臺新開發(fā)的SUV車型動力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行了車身響應(yīng)敏感度CAE分析和物理樣車整車的NVH性能測試，結(jié)果表明：對于橫置動力總成布置，與傳統(tǒng)4點懸置方式對比，采用3點懸置系統(tǒng)布置能更加有效地降低車身對動力總成激勵的響應(yīng)敏感度；在所開發(fā)的車型上采用3點懸置后，獲得了很好的低頻NVH效果.

汽車；動力總成；懸置系統(tǒng)；NVH；車身響應(yīng)敏感度

乘用車的動力總成最常使用的是前驅(qū)動力總成橫置的布局方案.在這種總體設(shè)計下，動力總成懸置系統(tǒng)傳統(tǒng)上會采用4點懸置的布置方案(見圖1).近年來，越來越多的車輛選擇了3點懸置的布局(見圖2).兩個方案中包含的左/右懸置的作用是相同的，即主要承擔(dān)動力總成的自重及車輛上下顛簸時動力總成在垂直方向產(chǎn)生的慣性力.為了提高車輛行駛過程中的平穩(wěn)性，左/右兩個懸置推薦使用液力懸置，當(dāng)車輛上下顛簸時利用液力懸置的阻尼作用減小動力總成的振動.

圖1　4點懸置系統(tǒng)布置方式

圖2　3點懸置系統(tǒng)布置方式

4點懸置系統(tǒng)與3點懸置系統(tǒng)的主要差別在于：4點懸置采用前后兩個懸置從車輛的z方向抵御由于輸出扭矩而導(dǎo)致的動力總成圍繞扭矩軸(Torque Roll Axis)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此發(fā)動機(jī)的發(fā)火激勵會主要從車輛的z方向?qū)Ω避嚰墚a(chǎn)生激勵，并傳遞到車身.3點懸置系統(tǒng)則不同，它只采用一個后連桿形式的村套從車輛的x方向抵御因輸出扭矩而導(dǎo)致的動力總成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此發(fā)動機(jī)的發(fā)火激勵主要從車輛的x方向?qū)Ω避嚰墚a(chǎn)生激勵，并傳遞到車身.可見二者設(shè)計思想的主要差別，是動力總成主要激勵傳遞到車輛的方向不同.一般認(rèn)為，車身在x方向的響應(yīng)敏感度要低于在z方向的響應(yīng)敏感度，因此，理論上對于同樣的動力總成激勵，采用3點懸置比采用4點懸置更容易獲得比較小的車身響應(yīng)[1]，這對于改善車輛的NVH性能是非常有利的.這也是更多車輛開始選擇3點懸置布置的主要原因.

在開發(fā)一款新SUV車型的概念設(shè)計階段，通過試驗發(fā)現(xiàn)新車型選擇的動力總成無論是振動或輻射噪聲都較NVH目標(biāo)車型的動力總成更高.為了達(dá)到與目標(biāo)車型類似的NVH指標(biāo)，除了考慮更為有效的前圍密封和聲學(xué)包覆措施之外，懸置系統(tǒng)的設(shè)計對于結(jié)構(gòu)噪聲的降低則顯得尤為重要.考慮到NVH目標(biāo)車型采用的是4點懸置設(shè)計，我們認(rèn)為通過3點懸置結(jié)構(gòu)，有可能從路徑的角度補(bǔ)償由發(fā)動機(jī)振動偏大而導(dǎo)致的差異.

為了實際了解采用3點懸置系統(tǒng)所能獲得的收益，建立了NVH目標(biāo)車型和新車型的整車FE模型，并應(yīng)用分析軟件工具對車內(nèi)駕駛員右耳聲響應(yīng)和方向盤振動響應(yīng)對懸置對應(yīng)方向的激勵敏感度進(jìn)行了分析和比較.結(jié)果證明3點懸置系統(tǒng)無論在整車聲響應(yīng)敏感度或振動響應(yīng)敏感度方面都得到了明顯的改善.此外通過在動力總成上施加單位扭矩激勵，計算的車內(nèi)聲響應(yīng)敏感度也證明完全可能通過3點懸置系統(tǒng)的設(shè)計來補(bǔ)償動力總成振動偏大的差異，從而實現(xiàn)預(yù)定的整車NVH目標(biāo).

物理樣車的試驗結(jié)果，證明了車內(nèi)振動指標(biāo)優(yōu)于NVH目標(biāo)樣車，而噪聲指標(biāo)達(dá)到了與目標(biāo)樣車同等級的水平.

1　問題的提出

對于整車的NVH性能來說，動力總成的振動與輻射噪聲的水平具有非常重要的影響，尤其是對低頻的NVH性能.動力總成引起的噪聲向車內(nèi)的傳播路徑有兩種不同的機(jī)制：1)空氣噪聲傳播(Airborne Noise)，即動力總成的輻射噪聲直接通過車身泄漏位置傳播，或通過聲振耦合穿越前圍等結(jié)構(gòu)傳播到車內(nèi).這種噪聲問題不在本文討論的范圍.2)結(jié)構(gòu)噪聲傳播(Structure-borne Noise)，即動力總成的振動能量通過懸置系統(tǒng)傳遞到副車架，再通過副車架與車身的聯(lián)接點傳遞到車身，導(dǎo)致車身板振動而引發(fā)噪聲.本文主要討論第二種噪聲傳播機(jī)制.

根據(jù)NVH研究的一般模型，可以將動力總成結(jié)構(gòu)噪聲傳播機(jī)制表述為圖3形式.

圖3　動力總成結(jié)構(gòu)噪聲傳播模型

根據(jù)圖3模型，當(dāng)處理動力總成的結(jié)構(gòu)噪聲問題時，可以分別從源、路徑或響應(yīng)端采取對應(yīng)的措施.具體從哪個方面進(jìn)行改進(jìn)，則需要根據(jù)實際的工程條件確定.從理論的角度，最希望從源上降低振動的激勵水平，它是最根本、也是最有效的措施.但在實際工程中，在動力總成的配置上常常沒有選擇余地，而改進(jìn)發(fā)動機(jī)的振動噪聲也不是短期可以完成的.因此，從整車開發(fā)的角度，對懸置系統(tǒng)或車身設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化可能會是更現(xiàn)實的措施.

我們在開發(fā)一款新SUV車型時，通過試驗發(fā)現(xiàn)為新車型選定的動力總成的輻射噪聲和振動都比NVH目標(biāo)車型的動力總成要高.由于整個項目已經(jīng)參考NVH目標(biāo)車型設(shè)定了總體NVH目標(biāo)，如果不能有效降低動力總成的結(jié)構(gòu)噪聲，則很可能使得項目NVH目標(biāo)無法實現(xiàn).

考慮到NVH目標(biāo)車型采用的是4點懸置系統(tǒng)設(shè)計，又根據(jù)近年來3點懸置系統(tǒng)逐漸流行的趨勢，我們分析了二者的差異，認(rèn)為3點懸置系統(tǒng)由于將動力總成的主要激勵方向轉(zhuǎn)換到整車坐標(biāo)系中車身相對不敏感的x方向，有可能彌補(bǔ)動力總成激勵偏大導(dǎo)致的差距.在圖1和圖2表達(dá)的方案中，這種措施相當(dāng)于通過改變路徑來實現(xiàn)車身響應(yīng)的改進(jìn)，即利用了路徑與響應(yīng)端的交互影響來改進(jìn)NVH性能.

為了確定這種措施是否具有達(dá)到NVH目標(biāo)的潛力，需要在詳細(xì)設(shè)計階段規(guī)劃分析任務(wù)，考察和比較3點懸置系統(tǒng)與4點懸置系統(tǒng)所導(dǎo)致的整車響應(yīng)敏感度的差異.

2　研究方法

在整車的概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段，由于不具備物理樣車，試驗法研究沒有可行性.鑒于項目建立了整車NVH分析的FE模型，采用仿真分析方法進(jìn)行研究具備可行性.

由于實際條件的限制，設(shè)計階段很難獲得動力總成激勵的實際特性，因此，要想分析預(yù)測整車采用不同懸置系統(tǒng)在各種工況下的真實車內(nèi)響應(yīng)是很困難的.但實際上，我們只要比較在懸置上施加主激勵方向的動態(tài)單位激勵后導(dǎo)致的車內(nèi)響應(yīng)敏感度函數(shù)，也可以間接評價不同懸置方案導(dǎo)致的真實響應(yīng)之間的差異，達(dá)到評價方案優(yōu)劣的目的.實際上，從NVH分析目前的水平，整車模型仍然需要一定程度的簡化，作為一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組合體，整車NVH分析主要的應(yīng)用還是作為一種方向性和準(zhǔn)則符合性的驗證.從整車設(shè)計的角度，花費巨大資源預(yù)測整車真實響應(yīng)會是得不償失的.

根據(jù)這些情況，確定分析研究的步驟如下：

1) 首先建立NVH目標(biāo)車型和新開發(fā)車型的整車CAE模型；

2)在不集成動力總成和懸置模型的條件下，在NVH目標(biāo)樣車的前/后懸置支架處依次施加z方向動態(tài)單位激勵，并分別計算駕駛員右耳的聲響應(yīng)和方向盤12點位置的振動響應(yīng)；

3)在不集成動力總成及懸置模型的條件下，在新開發(fā)車型的后懸置處施加x方向的動態(tài)單位激勵，并分別計算駕駛員右耳的聲響應(yīng)和方向盤12點位置的振動響應(yīng)；

4)在NVH目標(biāo)車型與新開發(fā)車型之間，對計算的聲響應(yīng)和振動響應(yīng)進(jìn)行比較，評價新車型采用3點懸置后在車身響應(yīng)敏感度方面是否獲得足夠的收益；

5) 在兩個車型的整車模型中分別增加各自的動力總成及懸置系統(tǒng)模型，并在發(fā)動機(jī)曲軸上分別施加單位扭矩，計算各自的駕駛員右耳聲響應(yīng)和方向盤振動響應(yīng).比較兩個車型的響應(yīng)值，即可判斷新車型采用3點懸置后是否在響應(yīng)敏感度方面得到足夠的收益.

3　整車FE分析模型

圖4和圖5分別為在新車型詳細(xì)設(shè)計階段建立的NVH目標(biāo)車型和新開發(fā)車型的整車FE模型.其中對目標(biāo)車型的FE模型采用白車身和閉合車身(Trimmed body)的模態(tài)試驗結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析，驗證了模型構(gòu)建方法的正確性.

圖4　目標(biāo)車型的整車NVH分析模型

圖5　新開發(fā)車型的整車NVH分析模型

整車模型中的動力總成采用6自由度的剛體模型表達(dá)，懸置系統(tǒng)則是經(jīng)過專門的模態(tài)解耦分析和正確的懸置剛度設(shè)計后，采用各懸置的局部坐標(biāo)系中3個方向的線性彈簧單元進(jìn)行模擬.懸置支架采用了詳細(xì)的FE建模(見圖6和圖7).

圖6　目標(biāo)車型動力總成及懸置系統(tǒng)模型

圖7　新開發(fā)車型動力總成懸置系統(tǒng)模型

聲敏感度分析需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)和聲腔的耦合計算，如圖8和圖9所示，分別是從目標(biāo)車型和新開發(fā)車型的閉合車身(Trimmed body)中抽取的車內(nèi)聲腔模型.

圖8　目標(biāo)車型聲腔模型

圖9　新開發(fā)車型動力總成及懸置系統(tǒng)模型

4　車身對主要懸置位置激勵的敏感度　分析比較

根據(jù)之前對3點懸置系統(tǒng)與4點懸置系統(tǒng)差別的分析，采用3點懸置系統(tǒng)的主要目的是要降低車身對動力總成激勵的響應(yīng)敏感度.為了考察車身自身對不同方向懸置激勵方向的敏感度，首先從整車模型中拆除動力總成和懸置系統(tǒng)，并分別對目標(biāo)車型前/后懸置被動端施加z方向動態(tài)單位激勵，而對新開發(fā)車型后連桿被動端施加x方向動態(tài)單位激勵，并分別計算兩個車型在各自激勵條件下駕駛員右耳的聲響應(yīng)和方向盤的振動響應(yīng).比較兩個車型對應(yīng)的聲響應(yīng)和振動響應(yīng)，即可反映出二者在車身響應(yīng)敏感度方面的優(yōu)劣及差別的程度.圖10和圖11是兩種不同車型各自施加單位激勵的方式.

圖10　目標(biāo)車輛懸置力施加

圖11　新開發(fā)車輛懸置力施加

圖12和圖13給分別給出了目標(biāo)車型與新開發(fā)車型之間車身聲響應(yīng)敏感度和振動響應(yīng)敏感度的比較.計算的頻率范圍選擇為20～200 Hz.

由圖12可知：采用3點懸置非常有效地降低了車身自身對主要懸置力激勵的敏感度，在聲響應(yīng)方面，與4點懸置前懸置比較，3點懸置對主要懸置激勵的響應(yīng)最大降低達(dá)到30 dB；而與4點懸置的后懸置比較，響應(yīng)值的最大降低量也能達(dá)到20 dB.從整個分析的頻率范圍，3點懸置都能保持較低的聲響應(yīng)值.

按照整車NVH分析的一般準(zhǔn)則，動態(tài)單位激勵下整車聲響應(yīng)的最大值不希望超過60 dB[2]，而對于要求較高的車輛，最大動態(tài)單位激勵的聲響應(yīng)值希望控制在55 dB以下.從圖12可以看出，目標(biāo)車前懸置點在160 Hz左右的頻率的車身聲響應(yīng)敏感度已經(jīng)達(dá)到了一般準(zhǔn)則的極限，成為設(shè)計上的弱項.而新設(shè)計車型由于改變了激勵的方向，有效地改善了該頻率段的車身聲響應(yīng)特性.

圖12　不同懸置布局下目標(biāo)車與新開發(fā)車的聲響敏感度比較

圖13　不同懸置布局下目標(biāo)車與新開發(fā)車的振動響應(yīng)敏感度比較

方向盤振動響應(yīng)比較的結(jié)果與聲響應(yīng)比較結(jié)果的特征幾乎是相同的.實際上，我們在新車型的詳細(xì)設(shè)計過程中還計算和比較了地板和座椅導(dǎo)軌的振動響應(yīng)，所反映的改善效果幾乎是一致的.采用3點懸置方案后，由于主激勵方向的轉(zhuǎn)變，所有關(guān)注點的振動響應(yīng)敏感度都獲得了明顯的改善.

從結(jié)構(gòu)噪聲傳播的定義，動力總成激勵引起的結(jié)構(gòu)噪聲實際上就是動力總成的結(jié)構(gòu)振動經(jīng)懸置傳遞到車身，引起車身板振動而導(dǎo)致的輻射噪聲.因此，采用3點懸置后能同時改進(jìn)車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲和振動是不難理解的.

5　整車對曲軸單位扭矩激勵響應(yīng)敏感　度的分析比較

盡管設(shè)計時從承載的功能上不同位置的懸置之間進(jìn)行了分工，但由于動力總成加載及懸置系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，很難做到使不同位置的懸置只按照設(shè)計意圖承受單一方向的載荷，各個懸置在承受設(shè)計的主要方向的載荷時，不可避免地還會在不同程度上承受其它方向的載荷.此外，各懸置承載時也會發(fā)生相互之間的交互影響.以上考察車身對主要方向的激勵敏感度時，并沒有將懸置系統(tǒng)的總體作用考慮在內(nèi)(主要包括懸置的隔振效果和各懸置之間的交互影響).為了驗證新車型采用3點懸置系統(tǒng)后是否真正從整車的角度得到相應(yīng)敏感度方面的收益，我們將目標(biāo)車型和新設(shè)計車型各自的動力總成和懸置系統(tǒng)模型重新集成到整車模型中，分別在各自的曲軸方向施加單位扭矩，并在這種激勵條件下計算駕駛員右耳和方向盤的響應(yīng)，以比較新車型采用3點懸置從整車角度能獲得的響應(yīng)敏感度收益.

圖14和圖15為曲軸單位扭矩的施加方式.需要注意的是，一般情況下曲軸都不會通過動力總成的質(zhì)心.模型加載時需要確定曲軸上的一個點，并用剛性單元將曲軸上這個點與動力總成6自由度剛體模型的質(zhì)心點相聯(lián)接，再在曲軸的這個點上沿曲軸的空間方向施加單位扭矩.

圖14　目標(biāo)車型曲軸單位扭矩施加

圖15　新開發(fā)車型曲軸單位扭矩施加

圖16和圖17給出了上述模型分析結(jié)果的比較.

圖16　不同懸置布局下目標(biāo)車與新開發(fā)車對曲軸施加單位扭矩激勵的聲響應(yīng)敏感度的比較

圖17　不同懸置布局下目標(biāo)車與新開發(fā)車對曲軸施加單位扭矩激勵的振動響應(yīng)敏感度的比較

從圖16給出的聲敏感度比較可以看出，對于曲軸的扭矩激勵(即發(fā)動機(jī)主要激勵)，采用3點懸置之后的總體改善效果與單考察車身的情況是一致的，即3點懸置系統(tǒng)在多數(shù)頻率范圍都有效地改善了車內(nèi)的聲響應(yīng)敏感度.最大改善可以達(dá)到20 dB左右.但出人意料的是，在150～180 Hz的頻率段，3點懸置系統(tǒng)的聲響應(yīng)敏感度反而存在一定的惡化.對照圖17的振動敏感度比較，可以發(fā)現(xiàn)兩個車型在該頻率范圍的響應(yīng)特性都存在一些問題.考慮到新開發(fā)車型對目標(biāo)車的車身結(jié)構(gòu)存在一定程度的繼承，我們認(rèn)為這個頻率范圍的問題是由于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計特征造成的.事實上，后續(xù)的研究證明了這個判斷.該問題的詳細(xì)研討論不在本文論述的范圍之內(nèi).

比較圖12和圖16給出的車內(nèi)聲響應(yīng)的幅值，可以看出兩個車的懸置系統(tǒng)都得到了正確的設(shè)計，20 Hz以上所有的聲響應(yīng)都得到了有效衰減，說明懸置系統(tǒng)共振頻率的設(shè)計滿足了要求.

總體上看，圖17給出的方向盤振動響應(yīng)比較，證明3點懸置能有效改進(jìn)車內(nèi)的振動響應(yīng)敏感度.從問題頻率段150～180 Hz表現(xiàn)的特征，似乎新設(shè)計車型車身結(jié)構(gòu)的問題比目標(biāo)車型更大.

比較圖13和圖17，也可以看出兩個車輛的懸置系統(tǒng)剛度設(shè)計均是合理的，即20 Hz之后的振動均得到有效衰減.20Hz之前是懸置系統(tǒng)的共振區(qū)，振動響應(yīng)有所放大，但模態(tài)能量比較集中，說明模態(tài)解耦度滿足要求.20Hz之前動力總成的發(fā)火激勵處于車輛怠速轉(zhuǎn)速以下，不會對車輛的NVH指標(biāo)構(gòu)成影響.

通過以上分析比較，對3點與4點懸置系統(tǒng)的差異及新車型NVH目標(biāo)的可實現(xiàn)性能夠獲得以下結(jié)論：

1)3點懸置系統(tǒng)由于改變了動力總成的主激勵方向，能夠非常有效地降低車內(nèi)聲響應(yīng)和振動響應(yīng)的敏感度.與4點懸置系統(tǒng)比較，3點懸置是更為先進(jìn)的懸置系統(tǒng)布局設(shè)計.

2)3點懸置系統(tǒng)對整車響應(yīng)敏感度的改善，主要是由于激勵方向變化導(dǎo)致車身響應(yīng)敏感度降低而實現(xiàn)的.

3)新車型采用3點懸置系統(tǒng)后，與NVH目標(biāo)車型對比，響應(yīng)敏感度得到了非常明顯的改善.無論從作用的頻率范圍及改善的程度，都預(yù)示著完全可能通過3點懸置系統(tǒng)的應(yīng)用，彌補(bǔ)新車型動力總成激勵偏大產(chǎn)生的問題，并實現(xiàn)設(shè)定的整車NVH目標(biāo).

4)無論采用4點懸置系統(tǒng)還是3點懸置系統(tǒng)，車身自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計特征都是至關(guān)重要的.當(dāng)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題時，有可能部分抵消采用3點懸置系統(tǒng)獲得的優(yōu)勢.

5)針對汽車的結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化，CAE方法是一種非常有效的設(shè)計開發(fā)和研究手段.

6　整車試驗驗證

針對目標(biāo)車型和新開發(fā)車型的物理樣車進(jìn)行了比較完整的整車NVH性能測試.結(jié)果證明新開發(fā)車型全面達(dá)到了項目初期設(shè)定的NVH目標(biāo).

需要說明的是，汽車工作時產(chǎn)生的噪聲和振動激勵源不僅僅是動力總成激勵，還有其它的主要激勵源,如：進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、道路激勵、風(fēng)激勵，等等.任何結(jié)構(gòu)或部件的共振也會形成二次激勵源.動力總成激勵也不僅是動力總成的結(jié)構(gòu)激勵，同時動力總成也產(chǎn)生輻射噪聲激勵.設(shè)計不當(dāng)時，任何動力總成的附件都可能成為導(dǎo)致NVH問題的激勵源.整車試驗與CAE分析不同，很難在試驗過程中依靠某種方法獲得單一激勵的試驗結(jié)果.考慮到車內(nèi)噪聲更容易受到空氣傳遞噪聲的影響，我們只選取整車方向盤振動的數(shù)據(jù)從整體的角度間接反映采用3點懸置后取得的效果(見圖18).

圖18　目標(biāo)車型與新開發(fā)車型方向盤振動試驗數(shù)據(jù)對比

從試驗結(jié)果的對比可以看出，新開發(fā)車型的方向盤振動性能全面超過了目標(biāo)車型.盡管行駛工況的方向盤振動也會與車輛的底盤及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)，但相對來說，方向盤振動與動力總成結(jié)構(gòu)激勵的相關(guān)度是較高的，同時再考慮到新開發(fā)車型與目標(biāo)車型的結(jié)構(gòu)相似性，基本可以認(rèn)為二者的差距主要是因動力總成懸置系統(tǒng)的差異而造成的.因此從整車試驗的角度，也證明了采用3點懸置確實達(dá)到了預(yù)期的效果.

7　結(jié)束語

通過對新開發(fā)車型的CAE分析及對目標(biāo)車型和新開發(fā)車型的物理樣車NVH性能測試，結(jié)果表明對于橫置動力總成布置，采用3點懸置系統(tǒng)布置能更加有效地降低車身對動力總成激勵的響應(yīng)敏感度.新開發(fā)車型全面達(dá)到了項目初期設(shè)定的NVH目標(biāo).

[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.

尹偉(1967-),男,高級工程師，研究方向為汽車總體設(shè)計技術(shù)、汽車NVH技術(shù).

U461.4；U270.1+6

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