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动力总成悬置系统对汽车动力学性能的影响

宋康;陈潇凯;林逸

【摘要】在1/4车辆模型的基础上加入动力总成悬置系统而建立了汽车前轴垂向

振动模型,基于该模型分析不同悬置系统设计对系统固有属性和汽车行驶动力学性

能的影响.将线性2自由度汽车模型与动力总成悬置系统相结合,建立3自由度汽车

侧向动力学模型,应用该模型计算整车在转向角阶跃输入和角脉冲输入下的响应,以

分析不同悬置系统设计对汽车转向稳态与瞬态特性的影响.结果显示,动力总成悬置

系统对车身加速度的影响很大,但对悬架动挠度和车轮动载荷影响很小;随着悬置系

统侧向偏频的升高,汽车的横摆谐振频率增高,谐振峰值增大,而相位滞后角的变化很

小.

【期刊名称】《汽车工程》

【年(卷),期】2016(038)004

【总页数】8页(P488-494,505)

【关键词】动力总成悬置系统;垂向动力学;侧向动力学;固有属性;瞬态响应

【作者】宋康;陈潇凯;林逸

【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车

辆学院,北京100081;北京汽车股份有限公司汽车工程研究院,北京101300

【正文语种】中文

动力总成悬置系统是影响汽车NVH性能的关键子系统，其作用包括隔离动力总成

的振动向车身传递，控制外部激励引起的系统振动和冲击等。

目前，动力总成悬置系统的设计方法已经趋于完善，最常用的有扭矩轴解耦法和弹

性轴解耦法[1]。但这类方法在应用中通常假设动力总成安装于固定的刚性基础之

上，从而忽略了汽车悬架和车身(或车架)等系统弹性的作用。针对该问题，文献[2]

中应用4端参数技术分析弹性基础上发动机悬置的隔振性能，揭示了发动机悬置

振动传递率曲线在高频下上扬的原因。文献[3]和文献[4]中采用有限元分析和试验

测试得到的模态信息来表征底盘的弹性，动态响应结果显示，车架弹性对怠速振动

和作用力传递有着重要影响。文献[5]中研究了悬置系统在整车环境下的分析和优

化问题。文献[6]中扩展了扭矩轴解耦理论，使之适用于悬置系统安装在弹性基础

上的解耦设计。上述文献主要讨论了外部弹性因素对动力总成悬置系统的影响，最

终的研究对象和所得结论仍局限于悬置系统本身。但是，动力总成是除车身以外的

最大集中质量体，如果不对其进行合理约束，就有可能造成车身的振动加剧等问题

[7]。对此，文献[8]中提出可通过合理配置悬置系统的侧倾频率和跳动频率来降低

车身和转向盘等处的振动水平。除了将动力总成作为吸振器，文献[9]中还指出车

辆的行驶和操纵性能也受到悬置系统调校的影响。虽然现有文献已经对悬置系统与

汽车动力学性能的关系有所涉及，但是并未对此问题展开进一步的分析，而所得出

的少数结论也仅停留在定性分析阶段。

本文中针对动力总成悬置系统对汽车动力学性能的影响，分别建立了汽车前轴垂向

振动模型和3自由度汽车侧向动力学模型，并基于所建模型分别分析了悬置系统

对汽车垂向和侧向动力学性能的影响。

解耦设计是动力总成悬置系统设计的重要内容，经过解耦的系统具有各向独立的振

动，能为系统的分析与设计带来便利。假设动力总成悬置系统在垂向的振动完全解

耦，并且动力总成的质心近似位于前轴上方，那么将悬置系统和1/4车辆模型相

结合建立的汽车前轴振动模型如图1所示。

模型中，mp为动力总成的质量，200kg；km和cm分别为悬置系统垂向刚度和

阻尼；mb为车身质量，767.31kg；ks和cs分别为悬架的刚度和阻尼；mu为非

簧载质量，42.81kg；kt为轮胎垂向刚度，254N/mm；q为地面位移输入；F为

动力总成的不平衡惯性力；zp，zb和zu分别为动力总成、车身和非簧载质量的

位移，m。对比1/4车辆模型，该模型中的簧载部分由动力总成和车身两部分构

成。

建立系统的运动方程：

其中：

广义坐标向量z=(zpzbzu)T

质量矩阵m=diag(mpmbmu)

阻尼矩阵

刚度矩阵

输入刚度矩阵

激励向量Q=(Fq)T。

1.1悬置系统对系统固有属性的影响

确定动力总成悬置系统固有频率的分布范围的原则是根据发动机的怠速转速、结构

类型和隔振设计要求确定系统频率的上限；根据整车其他子系统的频率配置确定系

统频率的下限。以怠速转速600r/min为例，4缸、6缸和8缸发动机的怠速激振

频率分别为20，30和40Hz，因此，按照有效隔振设计要求确定的