文档介绍：汽车动力总成隔振设计与试验评价
翁建生
南京航空航天大学,车辆工程系
摘要:汽车动力总成的隔振设计是提高汽车 NVH 性能的重要方面。本文系统地论述了汽车动力总成隔振设计方法、试验与
评价方法。这些方法对汽车动力总成隔振设计有参考价值。
关键词:动力总成悬置,优化设计,鲁棒性、转动惯量
汽车动力总成隔振(悬置)系统通常由发动机与变速箱和几个用来联接到车架或车身的悬置构成,它
的作用一方面支撑动力总成质量,另一方面是降低动力总成和车架之间振动的双向传递,起到隔振减振的
效果。
近年来,随着汽车工业的飞速发展,汽车设计有两个趋势,一是向经济化,轻型化方向发展,汽车的
整体质量减轻,发动机总成质量占汽车整天质量比重越来越大;二是使用大功率发动机,使得发动机不平
衡力矩变大,传递到车架和车身上的振动也就变大,两点因素导致车内振动噪声状况恶化。通过改善和优
化发动机悬置性能能够经济有效的解决上面所遇到的问题,所以动力总成悬置系统的设计是汽车 NVH 设
计中一个重要组成部分。
1、汽车动力总成隔振系统的力学模型
系统的固有频率,解耦度,动反力
当不考虑阻尼和外力作用时,可得动力总成悬置系统六自由度固有特性分析方程:
[Mq ]{}[&& += Kq ]{}{0}
2
根据上式可以解得: []{}KXii= ω[]{} MXi
解上述方程可得动力总成悬置系统的固有频率ωi 和主振型X i }{
系统以第 k 阶固有频率振动时,第 i 个广义坐标分配到的能量占系统总能量的百分比(解耦度)为:
6
mX()() X
∑ ij k i k j
i=1
dig( k , j ) =×66 100%
mX()() X
∑∑ ij k i k j
ij==11
系统第 i 个悬置动反力随频率的响应:
{Fwiiiiiii ( )}=+ [ kTBQwsCTBQw ][ ][ ]{ ( )} [ ][ ][ ]{ ( )}
汽车动力总成隔振系统的设计方法
汽车发动机作为振源,主要有不平衡惯性力和力矩。汽车动力总成隔振系统的目的是将发动机的不平
衡惯性力和力矩通过悬置隔振使其作用在车身或车架上的动反力最小。因此,常用的方法有打击中心法、
主惯性轴法与优化方法。这些方法的基本思想是解耦设计。由于动力总成有六个刚体运动自由度,解耦设
计的第一步是通过悬置点的刚度和位置(角度变化,将六个自由度之间耦合尽可能小,特别是 Z 方向与曲
轴轴线的滚动模态解耦。通过解耦设计可达到在发动机不平衡惯性力和力矩作用下,只有主振源振动下的
振动。每二步是设计优化刚度,使传递到车架工车身的动态力尽可能小。
由于 CAE 和优化方法运用,优化方法作为一种工具,是完全可以用于动力总成的优化。对于优化,
从不同的角度提出了不同的优化目标函数和约束,建立不同的优化数学模型。常见的目标函数有:发动机
动力总成系统固有频率的合理匹配;六自由度振动能量解耦和部分解耦;振动传递率最小或者支撑的动反
力最小等等。
1
例:以振动能量解耦为优化目标的优化模型
第 j 阶模态振动,分配到第 k 个广义坐标的能量占整个系统总能量的比 jkdig ),( =100%,说明第 j
模态振动的振动能量全部集中在第 k 个广义坐标上,这就意味着系统从能量角度实现了解耦。即提高动力
总成悬置系统在 6 个自由度广义坐标向量的解耦度,就是要使 jkdig ),( 的值接近于 1,写成目标函数的形
式如下:
⎧ Jfxdig11==−min ( ) 1 (1,j )
⎪Jfxdig==−min ( ) 1 (2,j )
⎪ 22
⎪ Jfxdig33==−min ( ) 1 (3,j )
⎨
Jfxdigmin ( ) 1 (4,j )
⎪ 44==−
⎪Jfxdig55==−min ( ) 1 (5,j )
⎪
⎩Jfxdig66==−min ( ) 1 (6,j )
由于四缸发动机的激励源主要是 Z 方向和绕 X 方向的,所以主要考虑这两个方向能量解耦度。
约束条件
在目标函数的求优过程中,也要对刚度变量进行一点的约束,来限制它的变化范围,以保证优化结果
在我们所期望的范围内。通常的刚度约束有:
kkkiiimin ≤≤max
加工制造约束
⎛ kkk⎞⎛⎞
zi ≤≤zi zi
⎜ kkk⎟⎜⎟
⎝ xi ⎠⎝min xi xi ⎠max
⎛ kkk⎞⎛⎞
zi ≤≤zi zi
⎜ kkk⎟⎜⎟
⎝ yi ⎠⎝min yi yi ⎠ma