倪晉挺， 姜能惠

(安徽機電職業(yè)技術學院汽車與軌道學院，安徽 蕪湖 241002)

0 引 言

隨著車輛技術的不斷進步，人們對汽車的舒適性要求越來越高。發(fā)動機作為車輛重要激勵源，其產(chǎn)生的振動是否可以很好的控制，不僅關系到整車人機交互位置的振動和噪聲，同時還影響乘客的乘坐舒適性。因而在車輛開發(fā)過程中，如何有效的對動總懸置系統(tǒng)進行布置設計，降低振動耦合，減小動力總成傳遞到車身的激勵載荷，從而降低車輛關注位置的振動噪聲大?。灰约氨ＷC動力總成在Tip in&Tip out、過坎等瞬態(tài)沖擊工況下，能夠有效的發(fā)揮動總懸置的支撐和限位功能，進而提升乘客的主觀感覺方面，顯得至關重要[1]。

動總懸置系統(tǒng)設計影響整車NVH性能的主要因素有懸置系統(tǒng)的布置方式、位置及剛度的大小等因素，針對上述關鍵因素，從動力總成懸置系統(tǒng)能量解耦作為出發(fā)點，討論不同懸置系統(tǒng)設計方案對整車NVH性能的影響情況。

1 分析工況及評價

為驗證不同懸置系統(tǒng)設計方案，動力總成剛體模態(tài)頻率及能量分布情況，優(yōu)化得到最優(yōu)的方案，利用仿真手段，從避頻、能量解耦、限位、TRA軸位置等幾個方面進行考察。

實車測試工況利用常見的汽車怠速、加速、啟動、熄火工況；噪聲評價指標為駕駛員右耳與后排右側乘客右耳位置車內(nèi)噪聲；振動評價點為方向盤及駕駛員座椅，利用三向加速度傳感器布置于方向盤12點及駕駛員座椅左后側滑槽位置，通過采集關注位置的振動加速度及車內(nèi)噪聲來衡量車輛的NVH性能[2]。

2 問題原因及解決手段

某車型在開發(fā)過程中，存在怠速振動噪聲較大，加速過程中存在轟鳴聲，乘坐舒適性偏差等一系列問題，為了提升產(chǎn)品的競爭影響力，需要對車輛的NVH性能一系列提升，所指定的提升目標如表1所示。

表1 某車型NVH性能主觀評價提升目標

2.1 仿真方法介紹

在仿真計算中需要將動力總成質心坐標、質量及轉動慣量、懸置位置及剛度作為輸入?yún)?shù)來進行計算。系統(tǒng)的動力學方程為

(1)

式中：M為系統(tǒng)質量矩陣；K為系統(tǒng)剛度矩陣；{X}為剛體坐標矢量；{F}為力矩陣。

其中，

(2)

(3)

(3)式中：

將式(1)轉換到頻域，且不考慮外力情況下：

(K-ω2M){X}={0}

(4)

將質量矩陣(2)、剛度矩陣(3)代入(4)中，可以求解得出系統(tǒng)各階的固有頻率和振型。

當系統(tǒng)以第j階固有頻率振動時，第K行所分配的能量所占系統(tǒng)總能量的百分比用如下公式表示[3]：

(5)

式中：

mkl為系統(tǒng)質量矩陣第k行、l列元素；φj為{φ}的第j個列向量；(φj)k,(φj)l分別為φj的第k及第l個元素。

根據(jù)前面的公式(4)和(5)，建立動力總成懸置系統(tǒng)的模型。

2.2 仿真結果及性能提升

某車型現(xiàn)狀所采用的動力總成懸置系統(tǒng)布置方式為四點懸置，懸置系統(tǒng)的初始設計剛度如表2所示。

表2 某車型動總懸置系統(tǒng)初始剛度

首先，利用Nastran軟件建立懸置系統(tǒng)的動力學模型，對模型作如下簡化：動力總成簡化為剛體，通過具有3向剛度的Bushing(襯套)彈性連接在固定基礎上[4]；然后通過SOL103分析模塊進行仿真計算，通過卡片設置，控制輸出選項，得到懸置系統(tǒng)的固有頻率及懸置系統(tǒng)的能量分布矩陣，如表3所示；動總懸置系統(tǒng)左右懸置彈性中心點及動總質心到TRA軸距離如圖1所示。

表3 現(xiàn)狀動總懸置系統(tǒng)解耦結果

從分析結果來看，現(xiàn)狀的動力總成懸置設計方式存在一系列問題，重點關注的Bounce模態(tài)為系統(tǒng)的第二階模態(tài)，該階模態(tài)解耦率偏低，低于目標要求的85%，也就是說現(xiàn)狀的動總懸置在Z向振動時，會與其它方向的振動發(fā)生耦合，第六階模態(tài)為發(fā)動機曲軸轉動方向的剛體模態(tài)，該階模態(tài)解耦頻率偏高，遠離7-12Hz的目標要求，不利于動總系統(tǒng)振動的衰減，隔振能力偏差。

如圖1，左右懸置彈性中心點連線與TRA不重合，特別是左懸置彈性中心偏離TRA軸34mm。從理論上講，如果懸置系統(tǒng)的彈性中心連線能夠與發(fā)動機總成的質心重合，動總懸置系統(tǒng)在六個方向的振動可以完全解耦，但由于受整車布置的限制，懸置系統(tǒng)的彈性中心連線與TRA軸距離越近越好[3-4]。

圖1 現(xiàn)狀懸置系統(tǒng)TRA軸

針對上述動力總成懸置設計方式存在的一系列問題，同時考慮到整車設計成本方面的因素，通過仿真優(yōu)化，將現(xiàn)狀動總懸置系統(tǒng)的設計方案的四點懸置更改為三點懸置支撐方式，同時結合整車布置空間，將左懸置彈性中心點位置向整車X向移動25mm，從而減小左右懸置彈性中心點的連線與TRA軸的距離。然后，在調整布置位置的基礎上，對三點懸置系統(tǒng)的剛度進行解耦優(yōu)化，優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)剛度，見表4，對應方案的能量解耦結果，見表5。優(yōu)化后動總懸置系統(tǒng)在Z向和Ry方向的振動能量均大幅提高，到達了96.99%和93.41%，并且Ry方向的模態(tài)頻率由原來的17Hz降低為11.74Hz，不僅可以滿足設計的目標要求，也可以遠離發(fā)動機怠速激勵頻率，提升系統(tǒng)的隔振性能[5-9]。

表4 優(yōu)化后動總懸置系統(tǒng)剛度值

表5 優(yōu)化后動總懸置系統(tǒng)解耦結果

2.3 測試結果及方案驗證

為驗證仿真優(yōu)化結果，對整車NVH性能的影響情況，采用客戶在使用車輛過程中，常關注的怠速、加速、啟動、熄火工況分別測試動總懸置系統(tǒng)在初始狀態(tài)(Baseline)及優(yōu)化方案(三點懸置+左懸置移動25mm)狀態(tài)下的整車NVH性能，其中怠速工況考慮AC ON及AC OFF兩種工況。

測試的數(shù)據(jù)包括振動和噪聲兩部分，其中，噪聲測試位置為駕駛員左耳(DLE)與后排右側乘客右耳(RRR)；振動測試為方向盤(SW)比較惡劣的12點位置、駕駛員座椅(Seat)及前地板駕駛員腳踏位置(Floor)。由于篇幅限制，僅給出部分測試數(shù)據(jù)。

駕駛員左耳位置在怠速(AC ON及AC OFF)工況下的聲壓響應曲線如圖2所示，所對應的聲壓級大小對比如圖3所示。由測試結果可以看出，AC off工況，優(yōu)化方案較初始方案，測點DLE車內(nèi)噪聲值分別降低了0.9dB(A)，測點DLE車內(nèi)噪聲值分別降低了0.9dB(A)，RRR車內(nèi)噪聲值降低了0.4dB(A)；AC on工況，測點DLE車內(nèi)噪聲值，優(yōu)化方案較初始方案，降低了2.1dB(A)，RRR車內(nèi)噪聲值，狀優(yōu)化方案較初始方案，降低了0.1dB(A)。

圖2 怠速(AC ON及AC OFF)工況聲壓響應曲線

圖3 怠速(AC ON及AC OFF)工況聲壓級大小對比

方向盤(SW)12點位置、駕駛員座椅(Seat)及前地板駕駛員腳踏位置(Floor)在AC off工況下的振動大小對比如圖4所示。由測試結果可以看出，除了地板關注位置的Y向振動大小稍微變差外，增加了0.001g，其余關注位置方向的振動大小均有所減小，其中方向盤12點位置的振動大小RMS值減小0.02g，座椅導軌位置RMS減小0.002g，駕駛員腳踏地板位置振動大小RMS值減小0.001g。

圖4 怠速(AC OFF)工況關注點振動大小對比

駕駛員左耳位置在加速工況下，DLE位置的聲壓響應曲線如圖5所示。由測試結果可以看出，雖然發(fā)動機在1876rpm時，優(yōu)化方案較初始方案，DLE位置的聲壓大小，有所增加，增加了1.38dBA，但從整個加速過程中來看，優(yōu)化方案的車內(nèi)聲壓級是優(yōu)于初始方案，特別是在常用的轉速2500rpm-3500rpm范圍內(nèi)。

圖5 加速工況下的DLE位置聲壓響應曲線

方向盤(SW)12點位置、駕駛員座椅(Seat)及前地板駕駛員腳踏位置(Floor)在啟動&熄火工況下的振動大小對比如圖6所示。由測試結果可以看出，發(fā)動機啟動工況，方向盤振動，優(yōu)化方案較初始方案降低了0.3g，座椅導軌振動，優(yōu)化方案較初始方案增大了0.02g；發(fā)動機熄火工況，方向盤振動，優(yōu)化方案較初始方案，降低了0.17g，座椅導軌振動，優(yōu)化方案較初始方案，降低了0.02g。

圖6 啟動&熄火工況關注點振動大小對比

通過對比上述工況的測試結果，總體而言，優(yōu)化方案較初始方案，駕駛艙內(nèi)關注位置的振動及噪聲大小均提升明顯，同時，初始方案為四點懸置設計，優(yōu)化方案為三點懸置設計，因此，在提升性能的同時，也降低了整車的設計成本。此外，通過對優(yōu)化后的車輛，再次進行主觀評價，評價測試分值也均得到了提升，見表6。

表6 優(yōu)化后主觀評價提升目標

3 結 語

通過仿真優(yōu)化及測試相結合的手段，對動力總成懸置設計對整車NVH性能的影響情況進行研究。通過優(yōu)化動力總成懸置系統(tǒng)的設計，不僅降低了設計成本，而且提升了整車的NVH性能，提升了車輛的主觀評價。從而可以看出，動力總成懸置系統(tǒng)設計，對于整車NVH性能的重要性，在后續(xù)的車輛開發(fā)設計過程中，應當給予重點考慮，從而減少后續(xù)的調教、改動、優(yōu)化成本。