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不同模型计算动力总成刚体模态方法

刘晓昂;上官文斌;秦际宏;殷智宏;叶必军

【摘要】首先,建立了由动力总成、车身和非簧载质量组成的13自由度整车模型,

推导了整车模型的运动微分方程;然后,分别建立了车身3自由度模型、动力总成6

自由度模型、车身和非簧载质量组成的7自由度平顺性分析模型及动力总成和车

身组成的9自由度乎顺性分析模型,给出了各简化模型的运动微分方程;最后,分别利

用上述不同自由度的模型计算并对比分析了动力总成的固有频率和能量分布、车身

和非簧载质量的固有频率.计算结果表明,动力总成6自由度模型计算的动力总成固

有频率与其实际频率存在差异;计算车身固有频率时需考虑动力总成的质量和转动

惯量;各模型计算的非簧载质量固有频率基本一致;13自由度模型计算的动力总成、

车身和非簧载质量的固有频率更加准确,对整车振动与噪声研究具有很大的参考价

值.

【期刊名称】《振动、测试与诊断》

【年(卷),期】2016(036)002

【总页数】7页(P269-275)

【关键词】动力总成;固有频率;计算模型;悬置系统

【作者】刘晓昂;上官文斌;秦际宏;殷智宏;叶必军

【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院广州,510641;华南理工大学机械

与汽车工程学院广州,510641;上汽通用五菱汽车股份有限公司柳州,545007;华南

理工大学机械与汽车工程学院广州,510641;宁波拓普集团股份有限公司宁

波,315800

【正文语种】中文

【中图分类】TH113.1;U461.1;O32

汽车动力总成悬置系统是指动力总成与车架或车身之间的弹性连接系统，包括汽车

动力总成和悬置元件，该系统设计的优劣直接影响整车的振动与噪声性能。近年来，

随着汽车NVH性能(noise,vibration,harshness,简称NVH)要求的不断提高，悬

置系统在汽车NVH中的地位越来越突出[1-3]。

目前在进行悬置系统的刚体模态和模态能量分布时，大都基于6自由度模型。通

过对动力总成6阶刚体模态和模态能量的要求，优化确定各悬置在其局部坐标系

下各方向线性段的刚度、安装位置和安装方位[4-5]。悬置在其局部坐标系中各个

方向非线性段刚度和拐点的坐标，由对动力总成位移控制的要求确定[6]。为了表

征车身的弹性，Ashrafiuon[7-8]将悬置系统建立在弹性基础上，使得悬置系统传

递到车身的力最小，得到优化后的各悬置刚度和安装方位。为了研究不同模型对计

算动力总成刚体模态的影响，Sirafi等[9]采用5种不同模型，分别计算分析了各模

型下动力总成的各阶固有频率，研究了各个模型对动力总成固有频率的影响。王峰

等[10]建立了动力总成-整车悬置系统13自由度数学模型，但并未涉及与3，7，9

自由度模型的对比和各模型的适用范围。

笔者考虑了悬置、悬架和车轮的刚度和阻尼，建立了由动力总成、车身和非簧载质

量组成的13自由度整车模型。目前广泛应用于悬置系统设计计算分析的6自由度

模型、不考虑悬置系统的7自由度汽车平顺性分析模型(车身3个自由度、非簧载

质量4个自由度)，和考虑车身和动力总成悬置系统的9自由度平顺性分析模型(忽

略非簧载质量)均为笔者推导的13自由度模型的特例。

利用建立的6，9，13自由度模型，计算与对比分析了动力总成固有频率和模态能

量分布。利用3，7，9，13自由度模型计算与对比分析了车身固有频率。利用7，

13自由度模型计算与对比分析了非簧载质量的固有频率。研究结果表明，由9，

13自由度模型计算得到的动力总成的固有频率和模态能量分布的结果接近，但是

需要更多的输入参数。而目前广泛利用的6自由度模型，由于忽略了车身质量、

悬架的刚度等，因此计算得到的动力总成刚体模态和能量分布与9，13自由度模

型的计算结果有一定差异。但是6自由度模型所需要的输入参数较少，在动力总

成悬置系统的设计初期，可以用来进行悬置系统的计算分析。

1.1基本定义

在路面和动力总成的激励下，考虑悬置、悬架和车轮的刚度与阻尼，建立由动力总

成、车身和非簧载质量组成的13自由度整车分析模型，如图1所示。该模型中考

虑了动力总成的6个自由度、车身的3个自由度(垂向、侧倾和俯仰)及4个非簧载

质量在垂向的自由度。静平衡时，在动力总成质心、车身质心和非簧载质量质心处

分别建立坐标系Op-xpypzp，Ob-xbybzb