基于传递力的动力总成悬置系统测试评价研究
摘 要：通过振动加速度传递率评价动力总成悬置隔振性能时，评价结果易受到路面激励影响，针对该问题，探索一种通过动力总成悬置传递力评价悬置系统隔振性能的方法；建立动力总成悬置系统理论模型，通过仿真获得悬置模态参数及悬置传递力的变化趋势；应用电阻应变片制作动力总成悬置测力传感器，搭建相应的测试系统，并对传感器进行标定；在定置和道路行驶工况下，测得悬置传递力和悬置振动加速度。试验结果表明，车辆低速时悬置力与加速度传递率评价结果基本一致，中高车速时悬置传递力评价的稳定性更好。关键词：动力总成悬置；悬置传递力；隔振评价；电阻应变片动力总成是汽车最主要的振动噪声源，动力总成的振动直接影响到整车振动噪声水平。动力总成悬置可有效地对动力总成传递到车身和底盘的振动进行控制。因此，悬置的隔振性能成为该零件最重要的性能之一［１－２］。对悬置隔振性能进行测试和评价，直接影响到悬置系统和整车的性能开发及优化。目前，最为常用的测试评价方式是通过振动加速度传递率进行评价。Ｍ ＲａｖｉＴｅｊａＲｅｄｄｙ等［３］通过振动加速的方法对新型悬置系统进行了有效评价。陶庆水等［４］采用定置工况下测试悬置振动加速度传递率的方法对 ＳＵＶ悬置系统进行了测试和评价。振动加速度传递率的评价方法具有试验方法简单、测试设备产品成熟、传感器体积小、易布置的特点。但在道路试验时，评价结果会受到路面激励的影响，尤其是在动力总成激励较小或车辆行驶速度较快的工况下。悬置力是动力总成通过悬置元件传递给车身或底盘的力，通过悬置传递力可直接对悬置隔振性能进行评价。但由于悬置力测试困难，因此目前少有人通过悬置力评价动力总成隔振性能。在悬置载荷获取方面，ＵＥＯｚｔｕｒｋ等［５］研制了一种用于后驱重型汽车发动机悬置六自由度载荷测量的多轴载荷传感器，获取了悬置载荷。张秉虎等［６］将路谱采集器应用于悬置系统，获得了悬置载荷。但以上研究中采集到的悬置载荷都用于悬置疲劳测试，少有用于悬置隔振性能评价。本文主要通过悬置理论模型结合整车测试的方法，探索适用于整车条件下的动力总成悬置系统隔振性能的评价方式；为实现悬置传递力的测试，制作悬置测力传感器，使用底盘测功机实现对传感器的标定；通过对比定置工况和道路行驶工况的测试结果，得到适合悬置系统隔振性能的评价方式。１ 悬置隔振性能评价方法
理论模型评价主要应用于悬置系统的前期设计阶段，包括对悬置元件的布置和模态参数的评价。布置评价主要考核悬置元件弹性中心连线与扭矩轴的夹角及距离。模态参数评价主要考核悬置系统各阶模态分布、频率间隔及各阶模态能量解耦率。通过计算悬置主、被动侧的振动加速度均方值的比值，对悬置隔振性能进行评价，悬置振动传递率可以表示为式中：ａｐ为被动侧振动加速度均方根值；ａａ为主动侧振动加速度幅值；Ｔａ为悬置振动传递率；ＴｄＢ为对数表示的振动传递率。通常还可采用发动机二阶激励对应的悬置主、被动侧的振动加速度曲线幅值的比值进行辅助评价。悬置被动侧振动加速度一定程度上可反映动力总成实际传递到车身振动量能的大小。通常情况下，悬置被动侧的振动加速度越小，车内的振动水平越低，该评价方法常与悬置开发目标相对应。２ 悬置系统理论模型分析评价
为全面对样车进行悬置系统隔振性能分析评价，首先通过仿真分析进行理论模型评价。应用机械系统动力学自动分析软件（ａｕｔｏｍａｔｉｃｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｃｈｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＡＤＡＭＳ）建立悬置系统多体动力学模型。建模过程中将动力总成悬置系统简化为质点，对于悬置元件用“ｂｕｓｈｉｎｇ”单元进行模拟［７－８］。根据动力总成悬置系统试验测试结果，动力总成质量参数如表 １所示；悬置位置参数如表 ２所示；悬置刚度参数如表３所示。注：Ｉｘｘ、Ｉｙｙ、Ｉｚｚ分别为绕 Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向的转动惯量；Ｉｘｙ为绕Ｘ、Ｙ方向的惯性积；Ｉｘｚ为绕 Ｘ、Ｚ方向的惯性积；Ｉｙｚ为绕 Ｙ、Ｚ方向的惯性积。通过 ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ模块对模型进行模态分析，计算模型模态频率和模态能量，计算结果如表 ４所示。 根据表 ４计算结果，样车悬置系统各阶模态频率间隔在 １Ｈｚ以上，可以有效避免模态频率接近引起共振，较为合理。样车发动机怠速转速为８００ｒｐｍ，发动机激励频率 ｆ的计算公式为式中：ｎ为发动机转数；ｉ为发动机缸数，样车 ｉ取４；ｚ为发动机冲程系数，样车 ｚ取 ４；ｖ为激励阶数。对于四冲程四缸发动机，在怠速状态下，其主要激励为发动机二阶激励。由式（３）得到发动机二阶激励频率为 ２６．６Ｈｚ。根据发动机悬置系统隔振基本原理，悬置系统弹簧质量模型的激励频率大于其固有频率的槡２倍时，系统的振动传递率才小于 １，振动系统方能产生隔振效果［９］。因此，为保证悬置系统的隔振能力，动力总成的各阶模态频率必须低于发动机二阶激励频率的 １／槡２，即１８．８Ｈｚ。表 ４计算结果中，悬置各阶模态频率均低于 １８．８Ｈｚ，能够保证悬置系统具有隔振能力。样车悬置系统存在的主要问题为：除了 １４．４５Ｈｚ横摆模态外，其余各模态的主振型模态能量占比均小于 ９０％，即在其余模态频率下，除主振动方向外，其余方向的振动也比较明显，这可能导致发动机工作过程中产生耦合振动，降低悬置系统隔振效果。发动机的主要振动激励包括：发动机往复惯性力、发动机俯仰力矩、侧倾力矩等。对于直列 ４缸发动机，往复惯性力 Ｆｚ可以表示为［１０］式中：ｍｓ为活塞等效质量，ｋｇ；ｒ为曲柄半径，ｍ；ω为曲轴角速度，ｒａｄ／ｓ；λｐ为曲柄连杆比；ｔ为时间，ｓ。发动机俯仰力矩可表示为式中：Ｍｇ为燃烧气体产生的力矩，Ｎ·ｍ；Ｍｙ为往复惯性力矩，Ｎ·ｍ；Ｍ为发动机平均输出扭矩，Ｎ·ｍ。发动机侧倾力矩可表示为在模型中的发动机质心位置添加发动机往复惯性力、发动机俯仰力矩、侧倾力矩，进行仿真分析，分析工况如表 ５所示。 通过模型的仿真分析，获得悬置传递力随发 动机转速变化曲线，如图 １所示。 由图 １可知，悬置传递力随着发动机转速的增加而逐渐减小，这主要是与发动机的振动激励频率有关。发动机在转速较低时，虽然发动机的输出扭矩较小，但振动的频率低，振动幅度较大，导 致 悬 置 系 统 的 传 递 力 波 动 较 大。图 １中，１０００ｒｐｍ前、后悬置传递力为 ２０．３１Ｎ和 ３１．２３Ｎ，２５００ｒｐｍ前、后悬置传递力为 １２．１９Ｎ和 ２２．８９Ｎ，前、后悬置力变化幅度分别为 ４０％和 ２６．７％。３ 测力传感器的设计与标定
动力总成产生的激振力一般通过动力总成-动力总成侧悬置支架-悬置本体-车身侧悬置支架-车身的路径传递到车内。因此，测试动力总成的悬置传递的力，就必须将传感器布置到力的传递线路上。为保证悬置元件的连接强度和可靠性，悬置与动力总成、车身或副车架的连接点一般有２～４个；由于连接点过多，造成各点传递力分散，因此，该位置并不适合布置传感器。本文采用在连接悬置胶体与车身侧悬置支架的螺栓上布置电阻应变片的方式进行悬置传递力的测试。由于该位置是悬置传递力的必经之路，同时该位置连接螺栓仅有一个，具有唯一性，适合布置测力传感器。通过对悬置连接螺栓中部进行铣削加工，布置电阻应变片，对贴片部位进行封装等工作，制成悬置测力传感器，如图 ２所示。悬置力的测试系统主要包括：悬置力测试部分（应变片、电桥、放大器、滤波器），加速度测试部分（加速度传感器、放大器、滤波器），数据采集器、分析程序、显示、存储等。试验测试系统组成如图３所示。由于测试系统采集的悬置测力传感器信号为电压信号，要得到悬置力的测试结果还需要对测力传感器进行标定，获得悬置传递力和测试信号的数值关系，标定流程如图 ４所示。首先，通过底盘测功机进行整车测试。试验样车为 １．５Ｌ直列四缸发动机汽油车，试验车速为３０ｋｍ／ｈ，发动机负载为全负荷，变速器挡位为 ２挡。测试获得驱动轮驱动力曲线。根据发动机输出扭矩与驱动轮驱动力关系，有式中：ｉｇ为变速器传动比；ｉ０为主减速器速比；ｒ为轮胎滚动半径，ｍ；ηＴ为传动系统机械效率，％；Ｔｔｑ为发动机输出扭矩，Ｎ·ｍ。同时，根据试验结果中悬置测力传感器信号比值，得到前、后悬置力的比例关系。基于发动机输出扭矩和悬置反力矩的平衡关系，计算得到悬置力曲线。最后以悬置力曲线幅值为纵坐标，测试信号幅值为横坐标绘制散点图，并进行线性拟合，得到悬置力与测试信号幅值的比例关系为式中：Ｆ１、Ｆ２分别为前、后悬置的悬置力，Ｎ；Ａ１、Ａ２分别为传感器测试信号幅值，ｍＶ。４ 整车测试与评价
通过整车测试，可得到悬置传递力和悬置振动加速度的实际数据，为悬置隔振性能评价提供依据。试验设备包括：悬置测力传感器，振动加速度传感器，电脑笔记本，动态应变仪，信号调理仪等。其中悬置测力传感器布置在前、后悬置；同时在前、后悬置主被动侧布置加速度传感器。测试工况主要包括定置工况、道路定转速行驶工况，各工况试验数据均在发动机转速稳定状态下测得，具体见表６所示。定置工况试验悬置传递力与加速度传递率对比如图 ６所示。图 ６中，前后悬置的传递力、加速度传递率１０００ｒｐｍ和 ３０００ｒｐｍ数据相比，其值均下降，悬置的隔振性能增强，这和仿真结果一致。道路行驶工况悬置传递力与加速度传递率对比如图 ７所示。 由图 ７ａ和图 ７ｂ可知，在 ２挡定转速行驶工况下，悬置传递力和加速度传递率的变化趋势在１５００ｒｐｍ后基本一致。由图 ７ｃ可知，在 ３挡定转速行驶工况下，发动机前悬置传递力和加速度传递率的变化趋势有较大差别，发动机加速度传递率在 ２０００ｒｐｍ后有明显增大趋势。由图 ７ｄ可知，在 １５００ｒｐｍ后，悬置加速度传递率有明显的增大，但悬置传递力变化速率没有加速度传递率变化明显，这和车辆速度有较大关系。当车速较高时，路面对车身的激励明显增大，导致悬置车身侧振动加速度大幅增加，影响悬置的加速度传递率，但对悬置传递力的影响并不十分明显。 由图 ８可知，道路行驶工况下，悬置的传递力幅值相对于定置工况有一定的增大，在 ２５００ｒｐｍ前，悬置传递力变化趋势基本一致。后悬置的传递力，在 ２挡 ２５００ｒｐｍ后，一定程度上受到路面激励增加产生影响。图 ８中 ３挡工况下，１０００ｒｐｍ时，前、后悬置传递力分别为 ２１．６４Ｎ和４０．３８Ｎ；２５００ｒｐｍ时，前、后悬置传递力分别为 ２４．０６Ｎ和５１．４７Ｎ，变化幅度分别为 １１．１％和 ２７．５％。 由图 ９可知，定置工况和 ２挡行驶工况，悬置加速度传递率曲线变化趋势较为一致。但 ３挡工况下，前悬置 在 ２０００ｒｐｍ 后、后 悬 置 在 １５００ｒｐｍ后，悬置的加速度传递率增加明显。３挡工况下，１０００ｒｐｍ时，前、后 悬 置 加 速 度 传 递 率 分 别 为２５．６４％和 ４７．３％；２５００ｒｐｍ时，前、后悬置加速度传递率分别为 ５７．２９％和 ９０．３５％，变化幅度分别为 １２３．４％和 ９１％。表明在中高速行驶时，路面激励对振动加速度传递率的干扰十分明显。通过以上分析可以确定悬置传递力与悬置振动加速度的评价方法，在无外界振动干扰或干扰较小时，评价效果较为一致；当存在较大外界干扰时，通过悬置力评价动力总成悬置隔振性能则更为可靠。悬置传递力在道路行驶工况下，更适合对动力总成悬置隔振性能进行评价。５ 结论
（１）建立动力总成悬置系统模型，对样车悬置系统进行理论评价。悬置传递力的稳态波动幅值随发动机转速的增加而减小，１０００ｒｐｍ与 ２５００ｒｐｍ状态下相比，前、后悬置力变化幅度分别为 ４０％和２６．７％，这一结果与试验结果趋势一致。（２）通过在悬置连接螺栓上布置应变片的方式，制作了悬置测力传感器，计算出悬置传递力与传感器信号幅值的比例关系，实现对传感器标定。（３）悬置传递力在车辆定置和低速行驶工况，对悬置隔振性能评价结果与加速度传递率评价结果基 本 一 致。但 ３挡 行 驶 发 动 机 １０００ｒｐｍ 和２５００ｒｐｍ工况下，前、后悬置加速度传递率试验结果对比，分别增加 １２３．４％和 ９１％，而悬置传递力的增加幅度分别为 １１．１％和 ２７．５％，说明在汽车中高速行驶时，悬置传递力较加速度传递率评价更为稳定，更适用于整车道路行驶工况下的悬置隔振性能评价。作者单位：（沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 １１０１５９）【免责声明】本文来自网络，版权归原作者所有，仅用于学习等，对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注
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首次发布时间：2025-08-15
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