汽车动力总成悬置系统布置研究
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摘 要：汽车动力总成悬置系统是指动力总成（发动机、离合器、变速器及附件等）与车架或车身之间弹性连接的系统，其设计性能对整车的振动噪音水平有重要影响，随着广大消费者对整车舒适性要求的不断提高，动力总成的隔振设计为广大汽车制造企业所重视，每套动力总成的质量特性不同，为达到最佳的动力总成悬置系统性能，理想来说应为每一个动力总成“量身打造”一套悬置系统。
关键词：模块化设计;动力总成悬置系统;刚度;模态
引言
本文论述了基于某平台上动力总成悬置系统的模块化设计，实现了悬置系统元件最大化共用，且满足不同动力总成的悬置系统在该平台中的车身接口一致。该平台的悬置系统模块化设计满足车型差异化的同时减少了零件数量，降低了设计、验证等工作量，从而有助于企业降低产品的研发与制造成本、提高生产系统的适应能力和客户响应速度。
1动力总成悬置系统模型建立
1.1悬置系统六自由度动力学模型
汽车动力总成一般通过四点悬置固定到车架上，悬置软垫采用橡胶材料并添加金属片限位，因此可以看作具有三向刚度的弹性阻尼元件。悬置系统的固有频率远低于动力总成和车架弹性体的固有频率，因此可以把动力总成、车架简化为刚体，建立悬置系统的六自由度力学模型。文中所设计悬置系统采用四点布置在发动机上。
建立动力总成坐标系O-XYZ，O为动力总成质心，X轴平行于曲轴中心线由飞轮端指向风扇端，Z轴竖直向上。则动力总成的运动可以分解为沿X、Y、Z轴的平动和绕X、Y、Z轴的转动，共6个自由度，写成广义坐标的形式，表示为
：
根据拉格朗日法，得到动力总成悬置系统的六自由度振动微分方程
式中：M为系统惯性矩阵;K为系统刚度矩阵。通过MATLAB软件建立数学模型，即可求解出悬置系统的六阶固有频率及振型。
1.2能量解耦法模型
车辆行驶过程中，由于发动机产生的激励力不通过质心引起动力总成在多个自由度上的振动响应，从而增加了悬置系统的振动耦合，使其振动幅值增大。因此降低悬置系统的振动耦合，是提升整车舒适性的有效措施，工程应用中主要关注Z向及θx向的解耦率，一般采用能量解耦法来评价。系统作第i阶模态振动时最大动能为
式中：ωi为系统固有频率，i=1，2，…，6;φi为系统振型向量，M为系统惯性矩阵。系统作第i阶模态振动时在第k个广义坐标上分配到得振动能量为
因此，某自由度振动能量的耦合情况可以量化表示为TP，该值越高说明振动耦合越严重。悬置设计中，通常采用能量解耦法进行几个关键方向上的解耦设计，即可获得较好的减振效果。
2.动力总成悬置系统
汽车动力总成悬置系统是指动力总成与车架或者车身之间的弹性连接系统，其设计性能对整车的振动噪音水平有重要影响，进而影响汽车的舒适性。动力总成悬置系统按动力总成布置形式有横置动力总成悬置系统及纵置动力总成悬置系统。本文研究的某汽车平台匹配的多款动力总成均为横置前期前驱动力。悬置点的数量以及其布置形式直接影响动力总成振动的固有特性及解耦情况。乘用车动力总成一般有3～4个悬置元件，低端乘用车一般选用橡胶悬置，中高档车型发动机侧一般选用液压悬置。横置悬置系统的布置形式一般分为左右悬置加防扭拉杆布置的三点支撑和左右悬置和前后悬置布置的四点支撑。左右悬置承载了动力总成大部分的重量，防扭拉杆和前后悬置主要控制动力总平成的扭矩波动。悬置系统的隔振性能由每个悬置的性能及其组合后的特性确定。
3悬置元件数目
3.1三点式
三点式结构简单，占用空间少，安装简易，同时具有很好的顺从型，可以保持悬置系统能够与车身结构保持良好的安装位置，不易受车身变形影响，但是稳定性较差，容易因其中一点损坏，而影响整个悬置系统，因此受力较小，常用于小型汽车的动力总成上。
3.2四点式
四点悬置稳定性提高，单个零件的载荷力缩小，整体能承受更大的载荷，但是由于其支撑点的增多，对于汽车车身结构，悬置安装部位、尺寸、精度等提出了更高的要求，主要应用于受力较大的六缸发动机和大型汽车中。
4悬置元件材料
4.1橡胶悬置元件
橡胶悬置材料主要分为天然橡胶和合成橡胶，天然橡胶其刚度和实用性较好，生产成本较低，但是容易氧化;聚丁二烯橡胶、氯丁橡胶、丁晴橡胶等材料耐油、耐热、耐温性都较为良好，但是弹性、稳定性差。橡胶悬置元件有压缩型、剪切型、倾斜型三种。压缩型橡胶悬置比较适用于压缩变形量大、剪切变形量小，质量较大而激振力较小的动力传递;剪切型正好相反，适用于质量较小而激振力较大的动力传递;倾斜型调节压缩型和剪切型的压缩变形和剪切变形，可以满足質量大且激振力大的动力传递，但是受限于安装空间。
4.2液压悬置元件
在橡胶悬置材料无法满足日益增长的需求的情况下，液压悬置的设想别提出，其动刚度和阻尼同时具有频变特性和幅变特性，能满足不同频率段的隔振要求。其根据控制方式的不同，可分为被动式、半主动式和主动式三种类型。被动式液压悬置主要通过改变液体的流量进而控制阻尼的大小，利用阻尼的可控性满足各频率振动时的减振限位要求。半主动控制式液压悬置在被动式的基础上加入控制单元与执行机构，可以半调控式地影响悬置的动态响应。
主动式液压悬置即加入传感器、制动器、控制单元等部件，由传感器接受振动与控制反馈信息，制动器产生一部分的动态力和被动式液压悬置较大地抵消振动力，从而实现优良的减震效果。半主动控制式与主动式液压悬置因结构复杂，制作成本较高，所以未广泛运用于汽车悬置系统。现今悬置系统也已经发展到电、磁流变液等先进悬置发展，可控性越来越高，减振性能得到了进一步的提高，提供给驾驶者和乘客更好的驾驶体验和乘坐体验，相信越来悬置装置会向着主动控制方向发展。
结语
介绍了汽车设计中动力总成悬置系统的性能特点和布置理论基础，提出了平台化动力总成布置需要考虑的几个主要原则，并根据该原则在某新开发车型中进行应用，获得了良好的集成效果。
参考文献
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