樊帆 莊毅勝 劉夢(mèng)巖

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院）

近年來(lái)人們對(duì)乘坐汽車(chē)的舒適性要求不斷提高，其中動(dòng)力總成振動(dòng)對(duì)整車(chē)行駛舒適性的影響越來(lái)越受到重視[1]。動(dòng)力總成本身作為一個(gè)剛體，在路面的激勵(lì)作用下，也受到汽車(chē)各部分共振的影響，最終傳遞給乘員，引起乘坐不舒適。懸置系統(tǒng)要求能充分隔離由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)，在向車(chē)架及駕駛室傳遞的同時(shí)能充分隔離由路面不平產(chǎn)生的通過(guò)懸置傳向發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。成功地控制動(dòng)力總成的振動(dòng)，主要取決于懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、幾何位置、懸置軟墊的結(jié)構(gòu)和剛度及阻尼等性能參數(shù)。文章通過(guò)對(duì)懸置系統(tǒng)的剛度及阻尼等性能參數(shù)的優(yōu)化，改善了整車(chē)乘坐的舒適性。

1 汽車(chē)地板抖動(dòng)分析

在某乘用車(chē)的舒適性主觀評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)在粗糙不平路面激勵(lì)下出現(xiàn)地板連續(xù)抖動(dòng)并且無(wú)法衰減的情況，其中前排更為嚴(yán)重。為查找該問(wèn)題產(chǎn)生的原因，采用關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)并以20 km/h的速度進(jìn)行空擋勻速通過(guò)木塊的平順性試驗(yàn)，并采集前排座椅導(dǎo)軌、前轉(zhuǎn)向節(jié)、前減振器塔座、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主動(dòng)端及發(fā)動(dòng)機(jī)懸置被動(dòng)端等測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)端/被動(dòng)端/前排座椅導(dǎo)軌Z向振動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前某乘用車(chē)測(cè)點(diǎn)Z向振動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖

從圖1a可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)端振動(dòng)最大，懸置被動(dòng)端及駕駛員座椅導(dǎo)軌隨懸置主動(dòng)端振動(dòng)，并且振動(dòng)衰減較差；從圖1b可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)端頻率在9.22 Hz時(shí)，加速度存在明顯峰值，前轉(zhuǎn)向節(jié)等測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯峰值。因此，可初步判斷該車(chē)在粗糙不平路面激勵(lì)下頻繁出現(xiàn)的抖動(dòng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)Bounce模態(tài)引起。

2 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化匹配

2.1 系統(tǒng)模型

將動(dòng)力總成視為空間彈性支承的剛體，為一個(gè)具有6個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)[2]，由n個(gè)（n=3）懸置支承，其中2個(gè)懸置在車(chē)身上支承動(dòng)力總成，1個(gè)懸置在車(chē)架端控制動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)。將各懸置簡(jiǎn)化為沿空間3個(gè)相互垂直的（Xi，Yi，Zi方向）具有剛度的彈簧。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型圖

在外力作用下，用矩陣表示多自由度振動(dòng)方程，如式（1）所示。

式中：[M]——慣性矩陣，包含動(dòng)力總成質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積等參數(shù)；

[K]——?jiǎng)偠染仃嚕鲬抑迷膭?dòng)剛度、安裝角度和安裝位置等參數(shù)；

[F]——作用在動(dòng)力總成上的力，包含力矩和力等參數(shù)；

q——廣義坐標(biāo)向量。

根據(jù)以上簡(jiǎn)化在ADAMS中建立動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)分析模型，如圖3所示。

圖3 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)ADAMS模型圖

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

動(dòng)力總成質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心、懸置彈性中心、初始剛度及動(dòng)靜比等相關(guān)設(shè)計(jì)輸入，如表1～表3所示。

表1 動(dòng)力總成的質(zhì)量慣性參數(shù)表

表2 質(zhì)心及懸置彈性中心坐標(biāo)

表3 動(dòng)力總成懸置初始靜剛度和動(dòng)靜比

2.3 系統(tǒng)剛體模態(tài)計(jì)算

根據(jù)相關(guān)輸入計(jì)算動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率，如表4所示。

表4 優(yōu)化前動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率Hz

由表4可知，該動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)在Bounce方向的模態(tài)頻率為9.1 Hz，與實(shí)測(cè)9.22 Hz的峰值頻率較為相近。

2.4 系統(tǒng)性能參數(shù)優(yōu)化

因該動(dòng)力總成左右懸置總成和抗扭拉桿總成均采用純橡膠懸置，為解決汽車(chē)在粗糙不平路面激勵(lì)下出現(xiàn)連續(xù)抖動(dòng)并且無(wú)法衰減的問(wèn)題，同時(shí)兼顧動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的解耦要求，需要優(yōu)化該動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)性能參數(shù)（包括重新優(yōu)化動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率及增加懸置系統(tǒng)阻尼）。

2.4.1 剛體模態(tài)頻率優(yōu)化

由于抗扭拉桿總成為沿用件，故需重新優(yōu)化左右懸置總成剛度，這里以左懸置3個(gè)方向剛度（KXi，KYi，KZi）和右懸置3個(gè)方向剛度（KXj，KYj，KZj）共6個(gè)變量作為初始變量。

設(shè)計(jì)約束包括動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)垂向及繞曲軸方向剛體模態(tài)的頻率與其余模態(tài)的頻率間隔在1 Hz以上，其它模態(tài)頻率之間的間隔在0.8 Hz以上；垂向模態(tài)頻率位于8～9 Hz；各階模態(tài)頻率均需要大于6 Hz，且低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率的倍[3]。

根據(jù)相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)輸入，采用ADAMS insight進(jìn)行優(yōu)化[4]，得到動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率，如表5所示，Bounce模態(tài)從9.1 Hz降低到8.6 Hz，懸置靜剛度，如表6所示。

表5 優(yōu)化后動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率Hz

表6 優(yōu)化后懸置靜剛度及動(dòng)靜比

2.4.2 懸置系統(tǒng)阻尼

原系統(tǒng)右懸置為橡膠，懸置阻尼較小。新設(shè)計(jì)右懸置采用液壓懸置，滯后角峰值頻率設(shè)計(jì)在10 Hz左右[5]，提高動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對(duì)Bounce模態(tài)的振動(dòng)衰減，液壓右懸置滯后角曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 液壓右懸置滯后角曲線(xiàn)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用性能參數(shù)優(yōu)化后的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，主觀評(píng)價(jià)抖動(dòng)改善明顯。關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)并以20 km/h的速度進(jìn)行空擋勻速通過(guò)木塊的平順性試驗(yàn)，采集前排座椅導(dǎo)軌和發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主被動(dòng)端等測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。從圖5a可知，懸置主動(dòng)端振動(dòng)明顯減小，懸置被動(dòng)端在系統(tǒng)阻尼作用下衰減明顯改善；從圖5b可知，懸置被動(dòng)端與駕駛員座椅導(dǎo)軌峰值頻率與懸置主動(dòng)端明顯錯(cuò)開(kāi)，懸置主動(dòng)端振動(dòng)峰值頻率從9.22 Hz降低到9.03 Hz，加速度峰值明顯減小，時(shí)域最大振動(dòng)峰值降低了36.4%，由路面連續(xù)激勵(lì)引起的汽車(chē)地板振動(dòng)得到了有效的抑制。

圖5 優(yōu)化后某乘用車(chē)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖

4 結(jié)論

1）文章通過(guò)對(duì)懸置系統(tǒng)性能參數(shù)的優(yōu)化，使懸置系統(tǒng)Bounce模態(tài)處于合理范圍，解決了整車(chē)在粗糙不平路面連續(xù)激勵(lì)下出現(xiàn)的振動(dòng)耦合，同時(shí)應(yīng)用液壓懸置提高系統(tǒng)振動(dòng)衰減能力，使地板振動(dòng)峰值降低，振動(dòng)衰減改善，試驗(yàn)證明該方法能有效解決車(chē)輛地板抖動(dòng)的乘坐舒適性問(wèn)題；

2）不足之處在于，在懸置系統(tǒng)參數(shù)匹配過(guò)程中，需要同時(shí)兼顧動(dòng)力總成怠速振動(dòng)及乘坐舒適性的匹配，文章僅對(duì)乘坐舒適性要求下的懸置系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配。