后置客车动力总成悬置系统振动性能分析

[摘 要]客车动力总成悬置系统是客车振动系统的一个重要子系统，对改善客车平顺性和降低客车噪声有很大影响，合理的客车动力总成悬置系统的设计可以明显降低客车动力总成和车体的振动。本文基于能量解耦法对各参数进行优化，使各自由度能量解耦水平显著提高，从而改善悬置系统隔振性能。

[关键词]后置客车；动力总成悬置系统；能量解耦法；悬置系统隔振性能

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0123-02

随着道路条件的改善和客车设计的轻量化，发动机成了客车的最大激振源，动力总成悬置系统作为发动机和车身之间的隔振系统，其性能优劣直接影响到整车的NVH性能[1]。良好的动力总成悬置系统，可以减小动力总成的振动向车体传递，以及降低车内噪声，从而改善客车的乘坐舒适性。在动力总成悬置系统设计中，要尽量保证悬置系统具有较高的模态解耦程度，固有频率配置在合理的范围内，避免接近整车的其它模态频率而产生共振。因为多自由度振动中的耦合振动扩大了引起共振的频率范围，增加了振动的响应方向，不利于控制系统的振动，所以发动机动力总成隔振悬置的设计必须追求实现动力总成刚体振动模态解耦的目标，至少应实现动力总成在主要激振方向θy方向和θz方向与其它自由度方向上的模态完全解耦。本文以某客车的动力总成悬置系统为研究平台，建立动力学仿真模型，分析了系统的隔振特性，并基于系统振动解耦的能量指标建立了优化数学模型，以悬置刚度值作为设计变量，根据整车振动性能要求对优化过程加以约束，针对四缸发动机动力总成悬置系统进行了优化设计计算分析。

1 客车动力总成悬置系统概述

客车动力总成悬置系统是指动力总成（包括发动机、离合器、变速器、缓速器等）与车身之间的弹性连接（悬置）系统，简称悬置系统[2]。悬置系统刚体模态特性的优劣会直接影响其隔振性能。以往研究悬置系统刚体模态特性时，往往只考虑动力总成的惯性和悬置的弹性。但对大、中型客车来说，由于发动机布置一般都采用后置式，动力总成与空调压缩机、进排气管、传动轴等子系统连接在一起。其中，进排气管与动力总成通过柔性件连接，对悬置系统的隔振特性影响较小；传动轴与动力总成通过万向传动装置连接，对悬置系统固有振动特性的影响也很小。然而空调压缩机却有较大的惯性，其通过圆柱铰和自身的悬置（弹簧）与车身相连，同时又通过传动带与发动机连接，与动力总成之间的耦合作用较强，对悬置系统的振动特性有较大的影响。

2 悬置系统模型

2.1 悬置系统动力学方程

将动力总成和车架视为刚体，将各个悬置元件简化为三个相互垂直的线性弹簧粘性阻尼元件，这样动力总成悬置系统就可简化为空间六自由度振动系统，如图1所示。

图中定坐标系Goxyz采用整车坐标系，Go位于整车在静止状态的质心处，z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向整车后方，y轴正方向指向整车左侧。动坐标系G-xyz采用动力总成坐标系，G位于动力总成的质心处，其三轴的方向规定和定坐标系相同，该坐标系固结于动力总成上，和定坐标系保持平动关系。悬置弹性主轴坐标系e-uvw（图中未标注）分别为悬置的三条弹性主轴方向，弹性主轴坐标系亦为固定坐标系，它和Go-xyz保持固定关系。系统的广义坐标为动力总成质心沿X、Y、Z轴平移的位移X、Y、Z及绕X、Y、Z轴的转角θX、θY、θZ，记为Q，即有广义坐标位移矢量

2.2 建模原始数据

客车动力总成悬置系统特性分析和优化所需的相关参数可以通过相应的测试和计算获得。表1为动力总成系统的质量及转动惯量参数，由试验测得；表2为各悬置件在静平衡位置的主轴刚度，由试验测定；表3为悬置点的位置坐标，通过数模读取。

3 悬置系统固有特性分析

根据各原始参数，在ADAMS/Vibration软件中建立如图1所示的动力学仿真模型并进行模态分析，可以得到原悬置系统的固有频率和能量分布百分比，如表4、表5所示。

从表4可知，系统的第一阶固有频率为4.98Hz，有些偏低；共振频率范围（4.98～16.55）有些过宽，频率配置不够合理，需要进行调整。由表5可见，在第2、3阶模态中X与Z耦合程度较高，在第4阶模态中θY与θZ耦合严重，在第5、6阶模态中θX、θY与θZ出现了3向耦合现象，且在第6阶模态中X向与其耦合也较严重。据此，需对该悬置系统模态频率进行解耦优化配置。

4 基于能量解耦的悬置系统优化研究

4.1 优化设计目标

动力总成悬置系统隔振性能的影响因素很多，评价指标也多种多样，针对不同的角度可以采取不同的优化设计方法[3]。本文基于能量解耦法对悬置系统进行优化，取悬置系统6个自由度上的主振动能量的加权和为目标函数。系统作第j阶主振动时，第k个自由度上的能量百分比Dkj数值越大，说明解耦程度越高。基于能量解耦的优化目标设置为：

式中：ci为加权系数。由于发动机主要的激励为沿垂直方向Z的往复运动和绕曲轴方向θx的扭转振动，因此这两个自由度上的加权系数设置得大些，取为0.3，其他方向加权系数均取为0.1。

4.2 优化设计变量

根据隔振理论，在忽略悬置阻尼影响的情况下，动力总成悬置系统的隔振性能与系统的惯性矩阵和刚度矩阵有关。由于一旦动力总成匹配完成，其惯性参数很难改变，如果要重新匹配动力总成，会对车辆的总布置造成极大的影响，因此悬置系统的惯性参数一般不设置为设计变量。悬置系统的刚度矩阵由悬置刚度、安装位置和角度等参数构成，对这些参数进行优化就可以优化悬置系统的刚度矩阵。由于受到动力总成安装位置的限制，悬置的安装位置和角度不容易进行大的变动，所以一般只优化悬置的刚度。

4.3 约束条件

为使悬置系统达到较好的隔振性能，各阶刚体模态频率应控制在合理范围内；同时悬置不仅要起到隔振作用，还要起到支撑和限位的作用，故其刚度也应控制在合理范围内；此外悬置的安装位置改变不宜太大，也应控制在合理范围内。具体约束条件如下：

1）刚体模态频率合理匹配

悬置系统各阶刚体模态频率应小于发动机怠速2阶激励的12倍，同时也应远离路面不平度激励和车身俯仰方向的频率。发动机怠速转速650r/min，其怠速2阶激励的12倍为15.3Hz，路面的不平衡激励和车身俯仰方向的频率一般在5Hz以内，故各阶刚体模态频率应控制在5～15Hz范围内。为更好地保证悬置系统的隔振效果，本文将各阶刚体模态频率控制在5～12Hz范围内，且各阶模态频率相隔1Hz以上。

2）悬置主轴刚度约束条件

悬置元件主轴刚度不宜过大，刚度过大会使动力总成传递到车身的振动增大，悬置元件主轴刚度也不宜过小；刚度过小会使动力总成的位移过大，容易引起运动干涉和悬置元件的过早损坏。此外根据橡胶悬置自身的特性，压剪刚度比应在3～8以取＞荽巳范ǖ男置元件主轴刚度约束条件如表6所示。

3）悬置安装位置和角度约束条件

悬置安装位置变化不宜过大，安装角度可在0～90°范围内变化，其约束条件如表7所示。

4）传动带刚度约束条件

传动带刚度与其稳定涨紧状态相关，传动带的稳定张力应控制在合理范围内。涨紧力过小会引起传动带打滑、跳动等现象，从而导致传动精度变差、寿命缩短和传送能量浪费；涨紧力过大会产生较大噪音，也会缩短传动带及带轮的使用寿命。根据企业标准，传动带稳定涨紧力可以在推荐值±10%的范围内变动，优化时传动带刚度也不宜变化太大，其变化范围设定为初始值的±20%。

5 结论

动力总成悬置系统刚体模态优化时，一般只对悬置刚度进行优化，但在悬置系统存在非常严重的振动耦合时，仅仅优化悬置刚度可能还达不到解耦的要求。而悬置系统模态解耦率对悬置安装角度的变化十分敏感，在条件允许的情况下可对悬置的安装位置和角度进行优化。

参考文献

[1] 王峰.汽车动力总成悬置系统振动分析及优化设计[D].上海交通大学，2008.

[2] 李晓.混合动力客车动力总成悬置系统分析与改进[D].重庆大学，2011.

[3] 苑衍灵.动力总成悬置系统的优化设计与振动分析[D].青岛理工大学，2012.