【技术贴】EXCITE Mount Layout工具在动力总成悬置设计上的应用

1 前言

动力总成悬置系统作为动力总成和车身之间的隔振系统，其工作性能直接影响整车舒适性、平顺性及 NVH性能。随着汽车技术的发展和路况的不断改善，动力总成成了汽车的最大振动源，为改善汽车的乘坐舒适性，悬置必须具有良好的隔振作用。如何选择或设计合理的悬置也是汽车开发过程中的重点之一。EXCITE Mount Layout 工具作为悬置设计的专用工具，可为悬置设计开发提供极大便捷性。本期技术贴将给大家介绍EXCITE Mount Layout 在悬置开发过程中应用。

众所周知，汽车的悬置一方面固定和支撑动力总成，并在车辆行驶过程中限制由于车辆启动、加减速或者路面颠簸等原因引起的动力总成位移，防止与其他部件碰撞，另一方面也起到隔振作用，将内燃机的振动尽可能少的传递到车身，提高车辆的音振性能水平。从隔振角度而言，希望悬置越软越好，以此将振动隔离到最小；而从支承和限位的角度来讲，由于布置空间和结构的限制，希望悬置越硬越好。所以在悬置系统设计时，就要平衡好两者的关系，在尽可能隔振的基础上，也要保证支撑和限位的功能。

2 建模简介

由于动力总成悬置系统的固有频率一般在 5~30Hz之间，而动力总成的弹性模态一般要大于60 Hz，也就是说在悬置系统固有频率范围之间，动力总成的振动只以刚体模态存在，在悬置概念设计过程中，动力总成考虑成刚性体，只需要考虑其质量以及转动惯量。EXCITE Mount Layout工具中，用户可直接定义动力总成质量以及转动惯量信息。同时该工具也支持分别定义发动机以及变速箱质量属性以及空间位置，快速完成动力总成刚性体创建。

早期动力总成悬置方案选取过程中，合适的悬置个数与合理的位置直接关系到悬置的隔振效果，动力总成悬置个数与动力总成重量、尺寸、安装方式以及发动机排量相关。汽车动力总成悬置系统多采用三点或四点支承。三点支承的优点可以保证汽车在不同运行状态下支承点处在一个平面上，可很大程度上改善机体的受力情况，三点式悬置一般是前两后一的形式。四点悬置系统同样可以达到上下方向、扭转振动的独立解耦，可大幅减小耦合振动的出现。相对于三点悬置系统，四点式悬置的稳定性好、能克服较大的转矩反作用力，但由于扭转刚度较大，不利于隔离低频振动，四点式悬置往往采用前二后二或前三后一的形式，为了达到三点式的效果很多汽车前两悬置都会尽量靠拢。EXCITE Mount Layout工具中，为了便于用户确定悬置个数及位置方案，在参数定义过程中，可选择同时定义多个悬置，在动响应计算以及模态解耦时可选择性激活悬置工作属性，继而可实现悬置位置与个数方案的选取。

由于各悬置安装点的距离远大于悬置本身的尺寸，扭转作用不明显，忽略扭转弹性，悬置可看作三维弹性元件。当前EXCITE Mount Layout工具支持橡胶悬置以及液压悬置非线性静刚度定义。

动力总成悬置系统除了作为支承元件承受动力总成的质量以外，在车辆启动、制动和转向等工况下，为避免动力总成由于惯性力以及发动机振动激励产生过大的位移而与其它部件发生干涉，通常需从悬置的设计上以及结构上限制悬置元件在各个方向的最大位移量，以此作为边界条件，设定悬置的 Z 向刚度范围，并预设每个悬置点的 3个方向弹性主轴的刚度。为了计算动力总成准确的动响应位移，EXCITE Mount Layout 工具支持自动读取曲轴系多体动力学模型数据，定义发动机真实的载荷边界。同时考虑整车的运行状态，例如整车运动加速度以及Pitch与Roll方向倾斜角度对于悬置位移的影响。

对于多档位汽车，在车辆行驶过程中会伴随变速箱不同档位的切换，变速箱不同档位输出直接关系到动力总成所受反向力矩的变化，继而影响到动力总成的响应位移。EXCITE Mount Layout 工具支持变速箱不同档位以及后桥速比定义，可实现不同档位下动力总成位移及悬置响应计算。

3 实例说明

汽车动力总成悬置系统特性分析和优化计算所需的质量特性参数，可以通过专用测试设备量测取得，也可通过三维CAD软件计算得出。动力总成参数包括质量、质心位置、转动惯量和惯性积。表1 为某动力总成的质量特性。

表1 动力总成质量信息

当前动力总成采用3点式支撑，支撑位置如下表所示。

表2 悬置位置定义

悬置刚度定义为非线性静刚度，某悬置主方向刚度曲线如图6：

从激励层面上看，悬置系统需要隔离掉源于发动机的低频振动激励，如发动机往复惯性力以及倾覆力矩等，由于变速箱的激励频率范围主要是中高频，往往在定义动力总成载荷激励时可不用考虑。图7为当前模型缸压负载，结合曲轴动力学模型，可快速计算发动机相应的振动激励。

考虑汽车启动过程加速度变化，设置整车运动加速度为6m/s^2，结合悬置动响应分析，可快速计算当前状态动力总成响应位移。一般动力总成最大位移在10~20mm之间，动力总成最大旋转角度也需控制在4°以内。EXCITE Mount Layout 中用户可以自定义任意测点动响应结果，图8为各测点位置。通过计算结果图9与表3可知，以转速为1000rpm为例，该动力总成测点MP3的Z向位移最大，为6.12mm、动力总成旋转角度为2deg均不超过限制，满足设计位移设计需求。

表3 动力总成测点位移

图10为各悬置动响应位移和支承力，结合该结果可对悬置可靠性进一步进行校核。

在动力总成的悬置系统设计中，应尽可能解除动力总成的6自由度之间的刚性振动耦合，一方面便于减小可能激起共振响应的频带宽度，另一方面便于合理配置其固有振动频率，使激励频率远离固有频率，获得良好的整体隔振效果。因此，解除多自由度振动耦合便成为动力总成隔振系统设计中与固有频率的合理配置同等重要的目标。

通常对于悬置解耦率一般都要求。分析模型发动机为四缸发动机，转速在750rpm~6500rpm内，所对应的2阶主激励频率为25Hz~216Hz，从隔振的效率考虑，依振动理论，悬置频率应该小于22HZ；从汽车平顺性的角度来讲，悬置的频率设定应避开人体的垂向敏感频率 4~8 Hz 和水平共振频率 0.5~2 Hz ；另外从频率响应来看，需避开车身扭转振动频率。所有模态频率必须高于6Hz，以减少与汽车其它部分刚体模态的耦合。所有模态频率必须低于30Hz ，以减少与车身、转向柱及动力传动系统等模态的耦合；另外，为得到较好的垂向振动效果，动力总成绕曲轴转动方向的频率，和垂直方向频率要重点关注。这两个方向的频率间隔一般要大于2Hz，考虑到动力总成各个方向振动的耦合性，建议各个方向的频率间隔应大于1Hz。频率的设定范围和6个方向的解耦目标值参考表4。

图11是固有频率的设定及解耦率，从表中可以看出，各悬置模态的固有频率选用合适，大小与间隔符合要求，Vertical与 Roll方向解耦在90%以上，其它方向的解耦在 80%以上，悬置设计合理。

表4 悬置解耦限值

4 总结

动力总成悬置设计过程中需要选择合适的悬置刚度和支承位置，以保证动力总成在工作过程中与机舱内其他部件不发生干涉，同时使动力总成的刚体模态与底盘不发生共振，并且刚体模态之间应该达到较好的解耦率。解决好这些问题，就大致满足了悬置的设计要求。

结合EXCITE Mount Layout工具、基于真实的载荷边界以及便捷的悬置定义，可对动力总成动静响应位移进行快速校核，同时也可快速进行动力总成悬置刚度解耦率分析，对所设计悬置进行相应的评价。

希望上述内容对广大EXCITE用户有所帮助，如有任何疑问，欢迎发邮件至我们公共邮箱Mechanical_support_China@avl.com咨询。