（机械工程专业论文）汽车动力总成悬置系统优化设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第t 页 摘要 众所周知，在现代汽车制造领域中，人们对汽车的性能和舒适度提出了越来越高的 要求。近些年来，人们对节约资源和保护环境意识加强，汽车设计发展转向更轻，以 减少材料消耗和降低燃油消耗量，为提高车辆的动力性性能，不断搭载转速更高的发 动机，整车重量的减小和高转速发动机的使用同时也会导致汽车振动和噪声的增大。 而在所有振动噪声源中，发动机为最主要的激励源，这就使我们在汽车设计中对悬置 系统的设计提出了越来越高的要求。反过来说，我们对汽车动力总成悬置系统的优化 设计也就是为了满足人们对现代汽车的种种需求。另外一个目的是对于发动机和其他 部件的保护作用。好的设计方案能防止发动机在汽车行驶过程中和其他部件的碰撞， 也能减少发动机自身的振动，对于延长发动机和其他部件的使用寿命也起着重要的作 用。这两个方面也正是写本文的出发点和目的所在。 汽车发动机是车辆振动噪声最主要的激励源，动力总成悬置系统的合理设计，不 仅对整车的乘坐舒适性可以大大改善，同时对发动机及其周边关联零部件的可靠和耐 久性有所提高。 本课题以某改装柴油轿车的汽车动力总成悬置系统为对象，较全面的研究了汽车 动力总成悬置系统的优化技术。在熟知悬置系统减振隔振的基本原理和优化设计的一 般理论、原则和方法的条件下，推导出系统的振动微分方程。通过实验测量出该动力 总成系统的质量、质心和惯量等性能参数，以及了解悬置在底盘上的实际布置后，在 多体动力学分析软件a d a m s 中建立起该悬置系统的动力学仿真计算模型。应用能量 解耦法调用i n s i g h t 模块对悬置刚度及其安装点位置进行了可视化的优化设计，优化 后结果的仿真验证说明系统达到了较高的解耦程度。为验证建立的数学模型及优化结 果的准确性，对悬置系统的传递特性进行了试验研究。实验验证，悬置系统优化后对 该车辆振动能够起到较好的衰减和隔离作用。课题对悬置系统的隔振优化研究工作在 实际工程应用上具有一定的实用价值。 关键词：汽车动力总成：悬置系统；优化设计；试验研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nm o d e ma u t om a n u f a c t u r ef i e l d i ti sk n o w nt oa 1 1t h a tp e o p l ea r ep u t t i n gf o r w a r dm o r e a n dm o r er e q u i r e m e n t so nt h ec a r sp e r f o r m a n c ea n dc o m f o r t m e a n w h i l e ，i nr e c e n ty e a r s ， t h ea w a r e n e s so fs a v i n gr e s o u r c ea n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n th a sb e e ne n h a n c e d i no r d e rt o r e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n e ，a u t o m o b i l ed e s i g nc h a n g e s l i g h t e ra n de n g i n es p e e db e c o m e sh i g h e r , w h i l et h ev e h i c l e sv i b r a t i o na n dn o i s ew i l lb e i n c r e a s e dd u et ol o w e rq u a l i t ya n dh i g h e rs p e e d a sw ek n o w , t h ee n g i n ei st h em a i n e x c i t a t i o ns o u r c ei na l ln o i s ea n dv i b r a t i o ns o u r c e w h i c hm a k e st h ed e s i g no nt l l ep o w e r t r a i n m o u n t i n gs y s t e mm o r ed e m a n d i n g c o n v e r s e l y , t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h ep o w e r t r a i n m o u n t i n gs y s t e mi st os a t i s f yp e o p l e sd e m a n d sa n dp r o t e c tt h ee f f e c to fe n g i n ea n do t h e r p a r t s g o o dd e s i g nc a np r e v e n tt h ee n g i n ec o l l i d i n gw i t ho t h e rp a r t sd u r i n go p e r a t i o n ，r e d u c e t h ev i b r a t i o no ft h ee n g i n ea n de x t e n dt h es e r v i c el i f e t 1 1 i sp a p e ra i m sa tt h i st w oa s p e c t s a b o v e e n g i n ei s t h em a i ne x c i t a t i o ns o u r c eo fv e h i c l ev i b r a t i o na n dn o i s e b yd e s i g n i n g p r o p e r l yo l lt h ep o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m ，n o to n l yt h er i d i n gc o m f o r to f t h ev e h i c l e ，b u t a l s ot h er e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yo ft h ee n g i n ea n dr e l a t e d p a r t sc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d 刃抡o p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h ep o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e mh a sb e e ns t u d i e dm o r e c o m p r e h e n s i v eb ym e a n so ft a k i n go n er e f i td i e s e jc a r 弱t h es u b i e c ti nt h i sp a p e r a6d o f s d y n a m i c sa n ds i m u l a t i o nm o d eh a sb e e ne s t a b l i s h e db ym s c 伽a m sa f t e ra l lt h e s e r e l e v a n tp r i n c i p l e sa n da p p r o a c h e sh a v eb e e nm a s t e r e d v i ae x p e r i m e n t s ，t h ew e i g h t ， a s s e m b l yc e n t e r , i n e r t i ao ft h ep o w c r t r a i nd e s i g np a r a m e t e r sh a sg o t w l l i l eu s i n gt h e t h r e e w i r e - p e n d u l u mt h e o r yt os o l v et h ev i b r a t i o nt y p ea n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i e ss y s t e r n m o d a l e n c r g y - d e c o u p l i n gm e t h o di su s e df o rt h eo p t i m i z a t i o no fs t i f f n e s sa n dp o s i t i o no f t h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e m a n dt h ep r o c e s si sv i s u a l t ov e r i f yt h ec o r r e c to fm o d e la n d o p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，e x p e r i m e n ts t u d yo ft r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i cw a sc a r r i e do u t ，a n d e x p e r i m e n tv a l i d a t et h a tt h eb e s tm o u n tm a t c h i n gp r o g r a mw a sr e c e i v e d t h ew o r kh a sa c e r t a i nv a l u ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o rs y s t e mi s o l a t i o no p t i m i z a t i o no nm o u n t i n gs y s t e m k e yw o r d ：p o w e r t r a i n ；m o u n t i n gs y s t e m ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；e x p e r i m e n ts t u d y 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 概述 第1 章绪论 当今世界，经济迅猛增长，社会进步不断深化，在工业设计和制造技术高速发展的 同时，汽车科技技术日新月异。随着生活水平的大幅提升，人们对汽车的安全可靠、 乘驾舒适等性能提出了越来越高的要求。但同时，由于对节约资源和保护环境的意识 加强，大量使用轻量化材料，使得汽车整车设计和制造得更轻，以降低油耗。但内在 又要求发动机转速更高，大的功率，提高动力性能，这就使得发动机引起的振动传递 到车身的加大，恶化车内的振动和噪声，降低舒适性。 对于整个车辆的振动和噪声激励源来说，发动机的贡献量最大，发动机是一种多 激振源、多振动形式的复杂振动系统。由于所有往复式的发动机都采用结构复杂的曲 柄连杆机构来实现动力循环传递，气缸的作功过程不连续，且其惯性力和气体压力都 具有强烈的冲击和宽频带激振作用；除此之外，发动机还联接有各种不同的系统和部 件，这些系统和部件都会产生多种多样的作用力，由此导致机体产生的振动形态复杂。 振动同时产生噪声，并且衍生到与其连接的各个部件，进排气系统的振动噪声就是由 于与发动机连接后所产生的。 汽车的n v h 特性对于解决车辆振动与噪声起着至关重要的作用。在汽车产品开发 的时候，一般将发动机、变速器和动力装置隔振系统一起考虑来研究发动机的振动噪 声，称之为动力总成悬置系统。动力总成悬置系统中采用悬置最主要目的就是为了衰 减动力总成产生的振动能量传递到车体，悬置与动力总成组合而成的系统既是一个隔 振系统，同时，相对整车来说，它又相当于一个动力吸振系统，缓解路面冲击对车体 的影响。安装在动力总成悬置系统中的悬置需要承受动力装置的重量，在低频受到冲 击作用的时候，要使动力装置的位移不能太大，这就要求悬置有大的刚度和阻尼。振 动频率相对较高，振动引起的位移较小时，低刚度和小阻尼才会起到理想的舒适效果。 橡胶悬置、液压悬置、半主动悬置和主动悬置是动力总成悬置目前发展的一般历程。 1 2 汽车动力总成悬置 发动机附带着离合器、变速器等的动力装置与悬置固定连接组成动力总成悬置系 统( 见图1 1 ) 。系统中的悬置可以与车身直接相连，也可以先在车架上进行安装，车 架再通过其它的隔振器与车身连接。如果发动机激发的振动没有有效的被隔离，振动 力就会传递至车体的各个部位，振动力与部件局部振动引起的噪声直接或间接传到驾 驶员和乘客后，就会导致乘坐人员的舒适度下降。除此之外，汽车在受到路面的振动 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 与冲击时，如果悬置设计匹配不合理，将导致不仅不能隔离发动机引起的振动，而且 有可能起到放大振动的作用，从而导致动力装置的振动幅值增大，影响到附近的结构， 造成相互干涉，影响发动机使用寿命和造成周边结构破坏。所以，悬置的设计是减小 发动机振动与噪声、改善乘车舒适性的一项关键技术。 1 2 1 悬置作用 v i g1 1m o u n ts y s t e mo fe n g i n e 图1 1 发动机悬置系统 在发动机运转或汽车行驶时，车辆的振动形式状况十分复杂，动力总成悬置既要 承受来自发动机点火激励、不平衡惯性力及转矩激励的内部激振，也要接受来自道路 不平度通过悬架系统的外部激励。安装悬置就是对发动机振动和路面激励的隔离和吸 收，减少乘务人员和货物所受的振动影响，及降低其他零部件因过多振动产生的疲劳 破坏。悬置的作用概括来说主要包括以下几个方面： 1 ) 隔离发动机动力总成系统传递到车身和底盘的振动，使发动机在工作运转时产 生的振动不至于造成乘务人员不舒适和货物的破坏。 2 ) 隔离由于道路不平激励对发动机动力总成的振动，减少路面激励对乘务人员舒 适性和货物完好性的影响。 3 ) 支撑和固定发动机动力总成，确保发动机动力总成始终处于正确和相对稳定的 位置上。 4 ) 控制发动机动力总成的扭矩负载和激励力，避免发生运动干涉和零件的碰触， 保护发动机及周边零部件。 5 ) 在制动、转弯、加速、制动等工况条件下，控制发动机动力总成的位移，避免 发动机动力总成与周边零部件发生振动干涉，影响动力总成和周边零部件的工作性能 和使用寿命。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 2 悬置理想动特眭 动力总成悬置在汽车运行过程中需要承受系统的质量和扭矩负载以及激振力，则要 求其必须具备一定足够大的刚度。路面不平度激振和发动机较低工作转速激励的频率 通常较低，在发动机点火启动时而造成的机体摇摆和路面凹凸不平引起振动的冲击作 用于悬置上，假如悬置的刚度过低，动力总成装置系统将会产生较大的振动位移，机 体的大位移很有可能会导致其与周边部件发生运动干涉，从而影响到动力总成装置和 周边零部件的工作性能和使用寿命。因此，在频率较低时，要求悬置具有大的刚度。 而由单自由度振动隔离理论可以得知，在振动隔离区域范围内，如果系统的固有频率 远离激励频率，且距离越远，系统的隔振效果就会越理想，即悬置的刚度越小越好。 故悬置的理想动特性要求在高频小振幅时系统悬置的刚度应该小，而在低频大振动位 移时悬置的刚度应该大。悬置大的阻尼在结构共振区域内对吸收振动能量起决定作用， 但是，在隔振区域范围内大阻尼的悬置对舒适性起反作用，这时小阻尼才是需要的， 为达到有效隔离振动的目的，在高频时阻尼应当越小越好。 总之，理想的悬置动特性在低频( 3 0 h z 以下) 大振动幅值( 输入位移振幅值在l 咖 量级范围内) 时，悬置应具有大阻尼、高刚度的特性；而在高频( 大约为2 5 - - 2 0 0 h z ) 小振幅( 输入位移幅值在0 1 m m 量级范围内) 时，悬置应具有小阻尼、低刚度特性， 降低高频的传递率。由于在高低频振动激励时对悬置系统分别要求的矛盾性，所以我 们在对悬置进行设计的过程中，合理优化匹配动力总成系统的悬置刚度非常关键，它 关系到车辆动力的最优匹配和整车舒适性的提高。 1 2 3 动力总成悬置元件的发展 一百多年来，汽车动力总成悬置经历了从无到有、从被动到主动的发展过程。早 期没有考虑汽车动态性能的要求，那些年代在汽车设计时直接将动力总成与车架刚性 连接，发动机产生的振动很方便就传递到车体，汽车的乘坐根本不存在舒适性。同时， 路面的不平度激励也直接通过车架传递到动力总成，更加恶化了发动机的振动，非常 容易就导致动力总成失去效用。 伴随着汽车科技含量的增加与人们生活水平的提高，上世纪二十年代，人们开始 用橡胶材料块的减振特性来减少和吸收动力总成的振动，以减少动力总成和车体间的 振动传递。粘弹性材料的橡胶，由于加工形状不受限制，各向的刚度在一定范围内可 自由控制，具有空间弹簧特性，能承受多向的载荷，并且利用内摩擦能够产生阻尼， 缓和冲击和吸收振动能量，兼有弹簧和阻尼的作用，而且还很容易与金属固结，结构 工艺简单，价格低廉，易批量生产等优点，至今橡胶悬置在大部分汽车上仍然广泛被 使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 伴着人们对汽车动态性能要求的增加和技术的不断更新，以及对汽车的舒适性和 平顺性的要求越来越高，橡胶悬置难以满足人们对高舒适性的要求，这时结构越来越 复杂、技术越来越高的液压悬置应运而生。在隔振减振方面，液压悬置较传统的橡胶 悬置能够更好的贴合悬置理想动特性，低频提供大刚度大阻尼，高频变换为低刚度小 阻尼，可大大减小车辆振动，降低车内噪声，提高汽车乘坐舒适性。由于其优良的隔 振减振性能，自问世来，液压悬置受到了世界各大汽车公司的广泛关注，并迅猛的发 展开来。 随着科技技术的不断进步，将来悬置的发展趋势将会是刚度等性能可以调节变换 的半主动、主动控制的悬置，即随着车辆的使用要求不同及路面状况的变换，悬置刚 度以输入的变换即刻变化以适应性能匹配的要求，随时保证悬置处于最佳的使用状态， 从而达到减小车辆振动、加强零部件的使用可靠性、提高整车乘坐舒适性的目的。 1 3 国内外悬置的研究状态 初始由于对车辆的动态性能的关注度不够，汽车设计者对悬置的研究没有足够的 重视，但随着人们对汽车动力性能的要求提高及汽车逐步推进轻量化，汽车振动引起 乘坐不舒适的问题逐渐突现，特别是四缸四冲程发动机的广泛应用，四缸四冲程发动 机的二阶不平衡惯性力产生的振动实在令人难以忍受，悬置的作用才被人们逐渐认识， 动力总成悬置系统的减振、隔振问题慢慢深受重视，并做了大量的分析和研究工作。 从上世纪二十年代对橡胶悬置研究开始至今，国内外的学者对动力总成悬置系统 参数进行了深入的研究，并取得了较大进展。通过建立各种模型进行计算分析，逐步 形成较完善的评价指标和方法，并适当考虑人体对振动反应的敏感程度构建评价指标 体系，研究发动机动力总成悬置系统的综合性能瞳儿引。 1 3 1 国外对悬置的研究现状 在国外，专家、学者们对悬置在减振隔振方面的作用认识比较早，所以对悬置系 统进行隔振研究的工作起步也较早，而且这方面的研究工作发展的也较迅速，许多专 家学者对悬置系统的隔振机理做了大量有益的探讨研究，形成了一套较完整的理论体 系和工程应用实例。 上世纪五十年代，a n o n 和h o r r i s o n 等人提出了应用撞击中心理论实现六自由度振 动解耦的基本方法瞄，他们视动力总成和车架为刚体、橡胶垫为弹簧，利用惯性主轴 特性和撞击理论说明了如何选择悬置的刚度和安装位置，使前后振动不耦合，这些理 论和方法对后期进行悬置系统研究奠定了基础。七十年代初，z i f f l l o j r 及j h o m p s o n 等人将悬置、驾驶舱及传动轴的支撑橡胶的刚度和阻尼作为变量，采用正交设计方法 进行变量优化选取，对分析汽车的平顺性进行了大胆探研，这一优化方法目前在实际 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 工程中得到了广泛的应用。七十年代中期，t o s h i o ，s a k a t a 介绍了一种利用机械阻抗 法来研究悬置刚度的大小对车内振动噪声传递的有效方式h 儿n 1 。同期， b l b e l t e r k n i g h t 在a n o n 和h o r r i s o n 等人的理论基础上再次利用撞击中心的理论，并 同时将各悬置点靠近弹性振动节点位置一并考虑进去，提出了合理布置悬置点安装位 置和安装角度以获得较好隔振效果的方法旧m 1 7 3 。1 9 7 6 年，s c h m i t 和c h a r l e s j l e i n g a n g 在他们的一篇撰文指出：“悬置设计最完美的目的就是能够将发动机激励力对车体振 动的传递控制在理想的状态下。 凹1 3 3 七十年代后期，数学方法逐渐被应用到悬置系 统的建模和优化计算中去。1 9 7 9 年，j o h s o n 借助于计算机首次将数学上的优化理论运 用到悬置系统的设计过程中，这种方法以系统固有频率的合理配置和各自由度之间振 动解耦为目标，以悬置刚度、安装位置为变量进行了优化计算，取得了令人满意的隔 振效果n o 】n 钉，本课题对悬置的优化设计与之大致相似。1 9 8 1 年，d u n c a n 为对悬置系统 进行优化，通过计算分析整车各子系统的模态并进行综合分析，最终悬置的优化结果 取得了较好振动隔离效果n 甜。1 9 8 4 年，g e c kp e 等人认为悬置系统的最主要作用是将 振动的低频成分隔离掉，减小发动机运转时的不平衡扭矩力导致的振动n 引，提出了较 合理的设计原则。1 9 8 6 年，e u g e n e e l r i z i n 总结了以前悬置设计的经验，并着重指出 了未来悬置系统发展的方向n 叼。1 9 8 7 年，h h a t a $ o h t a n a k a 再次利用优化悬置安装位 置的方法，进行了发动机怠速工况下悬置系统的隔振研究，指出应控制发动机速怠速 激励频率低于车身的一阶弯曲模态频率，且至少应得小于2 倍，同时越小越好m 1 。1 9 9 0 年，m d e m i c 以振动响应最小为目标函数，对悬置的安装位置进行了优化计算n 引，这一 优化计算方法对橡胶和液压悬置的优化设计很适合。 早期国外的对动力总成悬置系统的研究方法和优化理论，一般都是在假设车体与 动力总成为绝对刚性的前提下，利用简化了的力学模型，建立起系统的“质量一刚度一 阻尼六自由度动力学模型，进行悬置系统的优化设计研究工作，这些形成了的理论 体系和工程案例对后续悬置研究工作的开展做出了积极贡献。 1 3 2 国内悬置研究现状 在我国，学者、专家们研究发动机悬置隔振系统比国外要晚很长一段时间，由于 可以借鉴国外的一些优秀成果，且对这一问题的研究足够重视，到目前为止国内对悬 置系统的研究也取得了较不错的成效，但同国外相比还存在一定的差距。 国内对悬置系统有关的研究开始于上世纪八十年代初，清华大学的徐石安、肖德 炳两位教授和同当时在二汽的上官文斌、蒋学峰等人合作开展悬置系统的研究工作， 他们通过编制计算机程序来对动力总成系统的特征值和振型进行计算，拟定了有关发 动机性能参数的测试方法，并搭载出了试验测试装置，这些测试方法和装置目前在国 内得到了广泛应用，他们并在适当控制系统固有频率的基础上，以支反力最小为目标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 对发动机悬置系统进行了优化计算啪1 ，取得较好的结果。八十年代后期，同为清华大 学的钱振为等人把整车系统分为各总成子系统，构造出八自由度整车模型，提出了各 子系统间的合理匹配和振动转移的思想，计算校核各子系统的模态频率，通过错频来 实现各子系统的合理匹配和振动转移，达到整车振动最小的目的。同期，吉林工业大 学史文库、林逸、吕振华等教授又提出了考虑悬置支承在弹性基础上的隔振特性分析， 建立了相应的十六自由度模型。与此同时，同济大学的靳晓雄等人应用有限元分析方 法，综合考虑各子系统的模态影响，以车内噪声为优化目标，对悬置系统进行计算， 取得了理想的效果。 近二十年来，汽车隔振减振的思想更加受到重视，先进理论和分析手段不断在悬 置系统隔振研究领域得到应用，国内对动力总成悬置系统的工作得到了更加深入的研 究，并且取得大量可喜的佳绩。1 9 9 2 年，长春汽车研究所的喻惠然等人也提出了动力 总成悬置系统设计的一般准则与要求，并对c a 6 1 0 2 型发动机的悬置系统进行了基本参 数的计算和隔振性能研究心，提出改进方案。同年，第二汽车制造厂的上官文斌等人 在扭矩轴坐标系中建立了优化模型，以系统固有频率为目标，以系统解耦、撞击中心 原理、一阶弯曲模态节点为约束进行了优化计算胁1 ，该方法在目前的工程应用上也还 具有很实用的价值。后来清华大学的徐石安与阎红玉对悬置系统提出了新的研究方法， 把整车看成各子系统构成的组合系统，通过测试识别或理论计算求出各子系统的动态 特性，而后按某一特定边界条件进行组合，建立整个系统的动力学方程，求解方程得 出组合系统的动态特性嘲。这种方法得出的各子系统的特性并且相对独立，修改其中 之一不会影响其他子系统。这种只根据发动机子系统的动态特性无需建立整车模型就 可以比较准确预估出整车振动状况的方法，在理论上有很大的突破。并且还提出了基 于能量解耦的振动优化新方法。吉林大学的研究者又对悬置隔振进行了更深层次的研 究，提出了以整车( 包括动力总成悬置系统) 为对象的十三自由度振动分析模型，考 虑人体对振动的承受能力应用计算机手段进行振动响应分析，对悬置元件的隔振性能 进行客观评价1 。 近些年来，随着计算机技术的发展和普及，新振动分析理论、方法的不断出现， 对悬置系统进行设计和优化我们有了更为有效的手段和理论基础，对悬置系统的要求 人们也提出了越来越高的要求，对悬置系统的研究也已由线性向非线性化方向进行； 在考虑基础元件时也已由简单假设为刚性转化视为具有一定弹性的柔性元件，顾虑到 了其对振动传递的影响幢副。 1 4 课题研究的背景及其意义 随着社会经济发展、人们对节约资源、保护环境的意识增强，同时在物质和精神 生活享受方面水平的提升，对汽车的动态性能的要求也就水涨船高。当前n v h 性能是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 汽车产品最为重要的评价指标之一，是消费者考虑是否购买，与动力性、经济性和安 全性等同衡量的因子。由于发动机的振动激励是引起车辆噪声与振动最根本的原因， 而汽车动力总成悬置系统的优化设计是被动解决汽车振动噪声最有效的方法，成功的 悬置隔振系统设计不仅能够降低整车的振动和噪声水平，改善汽车行驶平顺性和乘坐 舒适性，同时还可以保证动力总成和周边附件工作安全可靠及延长使用寿命期限。因 此，对汽车动力总成悬置系统进行优化设计研究在工程实际应用方面具有十分明显使 用价值。 基于上述方面，本课题从工程实际应用出发，以某改装柴油轿车的三点布置式汽 车动力总成悬置系统为对象，在研究动力总成悬置系统设计原则、振动特性，以及优 化原理方法的基础上，通过实验测量出该动力总成系统的质量、质心和惯量等性能参 数，以及了解悬置在底盘上的实际布置后，在多体动力学分析软件a d a m s 中建立起 该悬置系统的动力学仿真模型。应用能量解耦法调用i n s i g h t 模块对悬置刚度及其安 装点位置进行了可视化的优化设计，并对优化后结果的进行了仿真验证和整车道路试 验。试验结果证明，悬置系统优化后对该车辆振动能够起到较好的衰减和隔离作用。 1 5 本章小结 本章阐明了汽车动力总成悬置系统的研究背景和意义，阐述了悬置的作用和理想 动特性及悬置元件的发展，围绕本课题的研究内容简单介绍了国内与国外的专家学者 对悬置系统的有关研究，引出了课题的研究背景及进行悬置优化设计的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章动力总成振源及悬置系统 汽车动力总成悬置系统是一个复杂的振动系统，汽车在行驶时系统同时存在外部 激励和内部振动源。外部激励源是由于路面的不平，道路的不平通过悬架系统将振动 传递到车体上，但频率一般较低( 2 5 h z 以下) 。而内部发动机的激振是整车振动最主 要的激励源，发动机工作时的周期性的燃烧压力和不平衡旋转部件运动产生的冲击和 力矩，是引发车辆产生连续振动响应的最主要因素。 正确看待和分析发动机的振动激励源以及其固有特性，是进行发动机动力总成悬 置系统减振技术和优化设计研究的重要前提。 2 1 动力总成系统振源 我们在设计研究动力总成悬置系统时，由于通过悬架系统将振动传递到车体的路面 不平激振频率很低，如果悬挂系统匹配合理的话，路面的激励对车辆的振动已经很小了， 故通常将其不予考虑。目前，大功率，高转速的车用发动机多为往复式内燃机，虽然经 过精心设计和制造，但内在的活塞连杆机构的往复运动和着火脉冲等仍然存在，正确分 析发动机的激振特性是进行悬置系统优化设计的重要内容h 枷。 2 1 1 发动机点火激扰 发动机在运行工作时，由于燃料在气缸内点火燃烧，由此在缸体上产生绕曲轴的力 矩脉冲，这种周期性的输出脉冲扭矩引起周期性的振动激扰，导致发动机上反作用扭矩 的波动，这反作用扭矩又称倾覆力矩，它使得发动机产生周期性的扭摆振动，其振动频 率就是发动机的发火频率，计算公式为例咖3 ： 一：旦( 2 1 ) 6 0 r 式中：刀一发动机转速( r p m ) ；f 一发动机缸数；z 一冲程系数，两冲程为l 、四冲 程为2 。 2 i 2 不平衡惯性力激扰 发动机不平衡旋转质量和往复运动质量也是引起动力总成悬置系统振动的主要激励 源之一，其振动激励频率为： 灰= 告 ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 式中：q 一比例系数，一级惯性力q = 1 、二级惯性力o = 2 ，力与上式相同。 发动机不工作时转速为零，怠速至最高转速的激振频率可由上述各式计算。不平衡质 量引起的激振力是离心力，它的激扰频率与发动机的缸数无关，但其不平衡量与气缸数 和结构有关，通常的四缸发动机由于曲轴上曲拐角度的合理布置一、二阶惯性力基本已 消除。当计算传动轴不平衡质量引起激振频率时可由式2 2 进行计算，此时刀为1 。 2 2 动力总成悬置系统布置形式 悬置元件的任意布置通常会导致系统各向刚度的耦合振动，实际的工程应用一般 是让悬置系统带有一定的规律性和对称性。由于汽车在传动系和动力总成存在不同的 布置方式，且动力总成性能参数和整车布置空间有差异，因此悬置的布置方式各式各 样。一般汽车上应用的悬置系统有以下几种常见的布置型式删。 1 ) 平置式。这是目前在发动机后悬置常见的布置方式，如图2 1 ( a ) 。它呈水平布 置，结构简单、装配方便、尺寸精度要求低易于控制。平置式有较好的定位和隔离冲 击振动的功能，但其主要承担压缩变形而承受剪切方向的变形较小，不利于隔离低频 扭转振动，同时水平方向的自由度较大，横向稳定性不是很好。 2 ) 斜置式。斜置式是悬置呈v 行左右对称倾斜的布置形式，是目前发动机前悬 置常用的布置方式，如图2 1 ( b ) 所示。这种布置中，一根轴平行于参考坐标外，其它 两根轴分别与参考坐标轴有一夹角9 。这样布置，悬置系统不仅横向刚度较强，而且 还可以降低整车重心，对提高汽车转向稳定性很有帮助。此外，悬置在这种斜置布置 下，还可以通过对悬置安装支架位置和角度的优化，起到悬置系统解耦的目的，利于 系统隔振性能的进一步提高。 3 ) 会聚式。这种布置方式如图2 1 ( c ) 所示，它的特点是弹性支承的所有悬置的 主刚度轴均会聚相交于同一点。会聚式除具有较好的稳定性外，它还可以通过调整安 装支架的倾斜角度和坐标，获得的悬置系统六个自由度的完全振动解耦，同时这种悬 置布置还能进一步降低整车重心和高度。实际中由于受到整车布置空间的局限，实施 起来一般比较困难，但完全会聚式也没有必要，因此会聚式悬置布置方式应用并不广 泛。 除以上三种常见的悬置系统布置方式以外，还有吊挂式和轴套式，吊挂式常作为 质量较小动力总成系统的后悬置的布置方式，轴套式结构能提供全方位压缩，克服车 架的变形对悬置系统的干预，有利于缓冲轴向外力及惯性力，一般只使用于后悬置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 鸯麓曩 瓣繁鬻 ( a )( b )( c ) 图2 i 悬置布置形式 f 遮2 it h el a y o u to f m o u n t i n g 汽车动力总成悬置系统的支承点的数目一般依动力总成的尺寸、重量、用途和安 装方式来决定，但主要还是根据采用发动机的类型及前后悬置的载重量分配及激振力 情况而定，通常多采用如图2 2 所示的三点或四点支承方式，发动机风扇端布置两个， 在发动机飞轮端布置一个或两个。三点决定一个平面，悬置三点支承的最大的好处是 不论汽车在运行过程中如何颠簸或窜动，系统的稳定性都很好，可以有利的改善动力 总成的受力情况，同时具有不受车架振动变形的影响，抗扭性强。四点悬置支承目前 在商用车上应用最为广泛，它稳定性好但低频隔振不理想，通常四点悬置支承的后两 点力求尽量靠近，逼近三点支承的效果。五点悬置支承一般仅用于重型汽车上，六点 式悬置一般用于重型固定式发动机组上，汽车上很少见。 ，。雾甥爨黪甥零弧，t m - 一 氐础幽p气磁翰谶缁1 酽一 黟嬲嬲黪气嘲jl ! i 0 憋橱0 捌 菌参由知 薯遗p 霸 j 虿 2 叶矗6 擤鼎 l 帝鱼尊庸 呻”矗雌岿：牛矗舔廊 图2 2 动力总成悬置系统支撑形式 f 塘2 2 t h e s u p p o r t i n gt y p e so f p o w c r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e m 2 3 动力总成自由振动力学模型 本论文对汽车动力总成悬置系统优化设计是以发动机的整机振动为理论基础，动 力总成使用悬置放置在车架上，假设动力总成和车架为刚体，即认为动力总成为一空 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 间自由刚体，通过3 u6 个悬置支承在刚体的、质量为无限的车架上。动力总成悬置是 个弹性体，它具有阻止任意方向的平动和转动的能力。将支承刚性体动力总成的悬置 用正交的3 个粘弹性元件替代，同时忽略各悬置的阻尼。建立起图2 3 所示的发动机 动力总成悬置系统的一般力学模型，模型中的发动机动力总成悬置系统动力总成以横 置的方式布置，以四个橡胶悬置支承起。 图2 3 动力总成悬置系统力学模型 f i g 2 3t h ed y n a m i cm o d e lo fp o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m 为便于动力总成悬置系统的优化设计，在其质心位置处建立一固定坐标系 o x y z ，原点d 位于发动机动力总成静平衡时的质心位置，x 轴平行于发动机曲轴轴 线指向发动机前方，z 轴垂直曲轴向上，y 轴由右手法则确定。 为表示动力总成的运动情况，在固定坐标系d 一粥z 基础上再建立一个是平动坐标 系d 一x 】，z ，在动力总成处于平衡状态时，两个坐标系重合在一起。建立的两个坐标 系方便我们将动力总成的运动分解为随质心的平动和绕质心的转动，用质心偏离其平 衡位置的位移艺，儿，乞来表示动力总成随质心的平动，绕质心的转动可以表示为绕 坐标轴o x ，o y ，o g 的转角口，y 。动力总成上任一点c 的位移和速度则可以通 过下面式子计算得出： x = x o yy + z8= io y j + z j 扛 1y = y o 屹钳x y 多= 夕。一z 应+ z 夕 ( 2 3 ) k - 2 0 叫声+ ) ；q i ：；o - x 台“& l 式中，艺、儿、乞为动力总成悬置系统质心在三个方向上的速度，口、7 是 系统绕质心转动的角速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 动力总成的总动能等于各质点的动能之和。令质点的质量为d m ，则其动能为 d r = 吾( 二2 + 多2 + 二2 ) 锄 ( 2 4 ) 根据柯西定理，有 d 丁= 三( 二2 + 多2 + 二2 ) 咖+ 三 ( 一y 。再z 夕) 2 + - z 4 x 加2 + 胁y 匆2 协 ( 2 5 ) 动力总成的动能为 t = l 姐= q ：+ y ? + 七、) + j x 毒+ j y 妒+ j z 、一j 秽& 净一j 妮扫p j ，a ( 2 6 ) 式中： 肌= 胁 j x = l | l y 2 + z 2 ) d i nj y = l t x 2 + 2 2 ) d i n j z = l t x 2 y 2 ) d m j 哆= x y j d mj 四= i y z d mj 礴= 弘d m q 。1 1 当动力总成处于平衡状态时，其上某一点i ( z ，y ，z ) 处存在弹性元件，设定弹 性元件的另一端固定于刚体上。弹性元件在动力总成质心坐标系0 一a y z 下三个方向的 刚度令为砖，j | ，乞，系统的势能为弹性元件各向的变形能之和。弹性元件f 点的变 形能为： u ：委 颤工：+ 砖y ：+ 吃z 2 ( 2 8 ) 将x ，y ，z 的表达式代入上式，则得 弘= 圭( 颤2 + 砖虼2 + 乞乙2 ) + 三 ( 砖z 2 + 镌y 。) 矿+ ( 乞x a + 砖z 。) 矿 + ( 屯y 。+ 砖工。) 矿 + t z 矽一颤j c d y r + k r y o x y 一砖只z a + k ：z o y 口 ( 2 9 ) - k z z o x f l - k ，y 。z 励，一j | ，z 工a r - k , x y 夕切 动力总成悬置系统的势能为各支撑弹性元件变形能的总和，引入记号 k = 吒b = 砖砭= 哎 如= b z 2 + t y 2嘞- - - e 也x 2 + 吒z 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 k = 2 + 2t 口= 乞y 砀= 一b = 屯z 巧，= v= 砖z b = 翰= “y = t y z = z ( 2 1 0 ) 式2 1 9 简化为： u i = 鼍( k x ? + k 心y 孑+ k 记z ? 、+ 鼍眯矿+ k 即矿+ k 盯矿、) + k 澄z o o r + k ：p z o f l + k p x o p + k ，r x o r + ky 一k y y o a 妲1 1 ) 一k 带a 9 一k 盼p y k 口, a r 将式2 6 和式2 1 1 代入拉格朗日方程，则得出动力总成六个振动方向上的微分方 程式如下： m x o + k x o + k x b $ 一k x = 0 m y o + k 拶y o + k y 一ky 毋= 0 m 乙+ 如乞+ 如口一k ：p f l = o ( 2 1 2 ) j 。a c j qp j 。7 - k 峨y o + kz 。z o + k 豫j q k 够p k 孵7 = 0 一j 谚o c + j 哆p j i zy + k 豫x o k , p z o k 够伐+ k 昭p k 帚= 0 一j 。o c j 晖p + j 。产k l o + k y r y o k 一k 即p + k r r y = 0 上面的方程组，若用矩阵表示，则为 其中广义坐标 q ) 为 质量矩阵 m 】为 m = 【m 蚕) + 】国) = o ( 2 1 3 ) 幻 = 毛 y oz d 口门r j 。 一j 唧 一j 。 一j 诺 j 略 一j 江 一j 口 一3 旺 3 。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 刚度矩阵【k 】为 k 】_ 2 4 悬置系统的隔振机理 ( 2 1 6 ) 根据理论力学的理论，当我们视动力总成为一个刚体的时候，它在发动机舱中运 动分别包含沿x 、y 、z 三轴向的平动及绕x 、y 、z 轴的转动，即横向、纵向、垂直、 偏转、俯仰、滚转六个自由度。 对于振动系统来说，根据振动理论分析，它的振动传递率跟振动激励的频率、振 动系统自身的频率及系统阻尼有关，振动系统的传递率公式如式2 1 7 ，很明显，振动 传递率大于1 时悬置系统根本没起到衰减振动的作用，反而将振动放大传递到车体， 只有当传递率小于1 时悬置才起到了减振、隔振的作用。 b = ( 2 1 7 ) 式中：为振动传递率；彳为频率比；善为阻尼比，振动传递率= 蓑莠纂舍( 力 或振幅) 。 3 2 5 2 缸1 。5 1 0 5 0 = l j 一，0 一羞i ： 。l ： 。，。一j。霪j j ? i i j j | | 譬 i i ? z 巧?气 。j * 、 囊 簟j 。 _ 。“i ：1 ， 誓董? ? j 澎纛-舔一参i ：l 一 。譬 - j 1 j + j 燃董j；粼。 ；。ii o | _ i | j i 爹j _ ； ； 矗； o ： 臻i ii 誊，一：鞫龇蹈文 矗jj l 蕾一|l j _ _ - _ - h - _ * 01 疆一2 3 4 图2 4振动系统传递率 f i g 2 4 t r a n s f e rr a t eo fv i b r a t i o ns y s t e m 由图2 4 振动系统传递率可以看出，只有当五 互时，系统才能起到隔振效果。 v ， 吖 缈 r 彬肪。砌砌勋 矗 粥 叼j 拳 缈 砌。肋珈励励 妒 口 旺 妒 o凰。岛岛励勘 o o砭如嘞o o b oo b k o o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 5 悬置系统的设计原则及程序 动力总成悬置系统的设计是指在已知动力总成惯量参数和整车布置，以及考虑到 路面及发动机激励的条件下，正确选择支承点数目，合理确定安装的