技研 | 汽车动力总成悬置系统的设计理论研究

摘要：在振动系统当中，动力总成系统是重要的振动子系统，是由发动机、离合器、变速箱等零部件共同组合而成的，动力总成系统是通过悬置元件连接在车架（底盘）上的。对悬置系统进行研究并做合理的优化，在完善系统隔振水平以及提升解耦能力有着非常重要的意义。

关键词：动力总成；悬置系统；振动传递率

引言

在振动系统当中，动力总成系统是重要的振动子系统，是由发动机、离合器、变速箱等零部件共同组合而成的，动力总成系统是通过悬置元件连接在车架（底盘）上的。对悬置系统进行研究并做合理的优化，在完善系统隔振水平以及提升解耦能力有着非常重要的意义。

一、动力总成悬置系统的假设

一般来说，动力总成悬置系统不是一个线性系统，而是有着许多零部件一起组合而成的，这也是十分繁杂的汽车振动系统当中的子系统之一。对于这样的非线性系统而言，要对其进行减振性能的分析是十分困难的。因此，要对悬置系统进行一些合理假设：

（1）假设动力总成为绝对缸体构造；

（2）发动机在水平、垂直及其回转方向上产生的振动互不干涉；

（3）发动机在旋转上的角速度为一固定值。

以此为基础，进而来分析悬置系统的主要振动源有：

（1）发动机由于上下运动，而产生的垂直方向振动；

（2） 发动机自身绕横轴而产生的振动；

（3）发动机由于回转力矩的作用，所引起的振动。

二、动力总成悬置系统激励形成的说明

经研究得出，影响汽车动力总成的振动的因素有许多，且各种因素的产生也十分多变。但是依据振动的主要来源，可分为以下几种形式：

（1）因路面激励而引起的激励振动，频率小于2.5Hz ；

（2）因汽车忽然加减速造成的纵向振动，是汽车惯性力出现所导致的；

（3）因发动机刚性过低导致的弯曲振动；

（4）因各个气缸受力不同所导致的振动，主要原因是气缸燃烧不均而引发的；

（5） 由于不平衡作用导致的简谐运动；

（6）由于往复运动与不平衡回转导致力和力矩的产生。

要满足悬置系统的减振效果，必有两个激振作用于动力总成之上，第一种是由路面较差的因素所引起的频率较低的振动，这种振动的传递主要是通过悬架系统传至动力总成来实现的。第二种激励更为重要，虽然当今世界具有先进的制造工艺和合理的设计理念，但是动力总成在工作时自身会引发振动情况的现象仍然存在。第一种激励源会产生较大的振动幅度，但是激励的产生大多数都是属于低频范围内的，总体上小于2.5Hz，因此可以说明发动机的主体振动激励是由燃气爆炸及曲轴的不平衡转动在发动机气缸内产生的往复扭矩激扰而产生的。

三、动力总成悬置系统的减振原理

由于6 自由度汽车发动机内部的悬置系统特别复杂，其振动过程研究起来也繁琐，因此便于研究，可以将悬置系统转换为单自由度振动过程，其结构显示在图1 中。

将发动机竖向所具有的激振力设为方程Feq=Fsin(ωt)， 方程中Fsin(ωt) 用Fejwt 表示，动力总成在激振力作用下产生的垂向位移用x 表示，那么动力微分方程如下

用激振力表示在垂直方向上发动机产生的位移幅值X

传递到基础上的力大小FT 为

产生力的幅值大小A 为

传递率TR 用FT 和Feq 的幅值比来表示，即

式中：f ——频率，单位MHz ；

k ——弹簧自身刚度，单位N/mm ；

ωn——系统自身频率，单位Hz，ωn=√（k/m）

ω ——激振频率，单位Hz ；

m——系统集中的重量，单位kg ；

ζ——阻尼比， ；c 是粘性阻尼系数，单位N·s/mm ；

Cc——粘性阻尼系数临界值，单位N·s/mm， ；

λ ——频率比， 。

由上述公式可得：

（1）当λ＜1 时，会产生较低的激振频率，汽车几乎保持静止状态。

（2）当λ=1 时，为共振点，此点也可称为系统的危险点，在这一点时系统产生的振幅会随着阻尼比的轻微变动而发生较大的变动，具有相当大的破坏性，应尽可能避免此类情况的发生；

（3）当0.75＜λ＜√2

时，为隔离区，传递率TR 在此区域内大于1，在此区域内振动幅值较之前变化更大，这是在经过隔振处理之后的表现，所以这并没有起到很好的隔振作用，因此在进行研究时必须避让隔离区。

（4）当λ＞√2

时，是工作区域，在该区域内振动一般不大，而且不管阻尼值为多大，当阻尼比数值增加时，传递率会无限趋于0，达到良好的隔振效果。

所以目前可以研究出，考虑频率范围时，应尽量选取工作区内的频率比值，选用合理的阻尼参数。

四、动力总成悬置系统弹性元件布置

目前驾驶员及乘客对汽车乘坐舒适性的要求越来越高，研究工作者多数都是将弹性元件直接安装在车架结构上，从而降低振动所造成的影响。如果在弹性元件表面出现作用力，同时只会在力的产生方向上出现弹性位移，那么就可以将作用力方向称作弹性主轴方向。就汽车动力总成悬置而言，属于非常复杂的振动体系，系统的特性和系统的解耦程度是与悬置点的布置方式及个数有一定关系的。

（1）悬置点常用数量

目前，实车当中多数都运用三点式和四点式类型的悬置布置。

①三点式布置：由于该类型的布置能够确定一个面，所以布置方式产生的影响不会因车架变动而发生变化，并且这种悬置具有空间需求小、结构简单、设计简单及固有频率低等优点，被广泛应用于实车当中。

②四点式布置：因四点式布置形式能更大范围的抵抗作用力，所以会大大减小频率的布置区间，这样会造成不易避开低频振动的结果，导致极其不理想的减振效果。

（2）悬置常用到的布置形式

在实际过程中，对弹性悬置体系进行设计时，通常都会将布置是否对称规律放在考虑之列，目的在于避免布置形式不正确而导致系统发生耦合现象。图2 介绍了广泛采用的悬置分布方式：

①平置式。如图2（a）所示，结构相对不复杂、设计起来较为方便，不需要很高的装配精度，在后置发动机布局上广泛应用，且系统坐标轴x、y、z 三轴方向与弹性主轴的三个方向相同，此布置方式固定可靠，并且具有良好的隔振效果。

②斜置式。如图2（b）所示，如今被广泛应用的一种布置方式，悬置元件成V 型倾斜布置且左右对称。较比平置式，这种布置方式更为复杂，此布置形式能把系统总成位移控制在很好的范围内，且具有良好的横侧向刚度。

五、结语

对悬置系统的设计是目前整车降噪减振的重要研究领域，通过对动力总成悬置系统基本理论的研究，说明了橡胶悬置元件在动力总成悬置系统中的功用，并对减振的理论进行了系统的分析，可以将悬置系统进行优化结构设计，进而改善汽车的振动性能。

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