1 前言
动力总成悬置系统的怠速工况隔振设计是一项复杂的系统优化问题。在汽车设计开发中，合理地设计悬置系统，可以降低动力总成激励产生的振动传递到车架和车身，提高乘坐舒适性和降低振动噪声，提高汽车产品品质和竞争力。理想的悬置系统应可以将动力总成自身产生的振动与车架结构相隔离。它必须在汽车突然加速、制动、转向等非稳态干扰时，有效限制发动机的过分弹跳和过大的位移。从隔振理论可知，理想的动力总成悬置系统应在低频范围有较大的刚度和阻尼，而在高频范围有较低的动刚度。
目前国内外主要通过两种途径来改善动力总成悬置系统的性能。其一是使动力总成悬置自身的动态性能接近最佳状态，另一种是应用振动理论对传统橡胶垫的刚度、位置及倾角等参数应用计算机进行优化设计。针对工程试验中反映的某轻卡怠速隔振效果不佳的问题，基于解耦的能量法，我们应用大型商业软件一一机械系统动态分析软件ADAMS对悬置进行优化设计。
2 动力总成悬置系统的建模
2.1悬置系统动力学方程的建立
动力总成悬置系统的固有频率一般在5～30Hz之间，其固有频率远低于动力总成的弹性模态，可以系统低频隔振分析为主要目标的设计过程中，将动力总成视为刚体，悬置元件简化为三向正交的弹性阻尼元件。动力总成悬置系统构成了质量、刚度的振动系统，在无外力作用情况下，可得发动机悬置系统六自由度自由振动的运动方程式为：
公式一 发动机悬置系统六自由度自由振动的运动方程式
式中：M为系统的质量矩阵；q"为系统的广义加速度向量；C为系统的阻尼矩阵；q'为系统的广义速度向量；K为系统的刚度矩阵；q为系统广义位移向量。
由于悬置块的阻尼不大，其主要作用是降低共振峰值，在小振幅振动作用下，可以在分析系统自由振动时略去阻尼，系统的振动微分方程为：
公式二 系统的振动微分方程
公式三 微分方程式的同步运动解
其中：A为振幅；ω为固有频率；ψ为相位。
将(3)代入(2)，方程存在非零解的条件是：
公式四 求解发动机悬置系统固有频率的一般方程式
(4)即为求解发动机悬置系统固有频率的一般方程式，其解值ω即为各项固有频率值。
2.2模型描述
已知该轻卡动力总成位置、质量惯量参数及改进前后橡胶悬置的刚度参数见下表：
表1 动力总成质量惯量参数
表2 动力总成悬置坐标（发动机质心坐标系）
设定动力总成系统坐标系：定坐标系为Go-XYZ，原点Go取在动力总成的质心处，X轴平行于曲轴轴线，指向发动机前方；Z轴平行于活塞缸轴线向上；Y轴按右手定则确定。动坐标系G-xyz原点G固结在动力总成质心处，静平衡时，动、定坐标系重合。广义坐标为动力总成质心沿X，Y，Z三向的平移x，y，z及绕x，y，z轴的转角θx，θy，θz。对橡胶垫认为在正常工况下弹性是线性的，所有的悬置支架均视为刚体，与车架相连接的部分固接于地而上，于是得到如下的ADAMS模型（见图1）。
图1 四点悬置模型
3 解耦分析及优化设计
3.1目标函数的确定
悬置系统设计目标是实现整个系统6个方向的振动全部或者部分解耦。通常动力总成悬置系统的6个刚体模态之间存在比较严重的耦合作用，即耦合振动中的某一模态受到激励的同时，其它模态振动也受到激发。这使系统的激振频带加宽，给隔振和频率配置带来困难。根据系统总的能量矩阵及每个广义坐标所分配到的能量可以得到每阶固有频率下每一方向的能量解耦率，因此通过解耦率方程表达式可以看出，悬置系统的位置、方向角度及刚度都对解耦率有影响。本案例即以每个方向的能量分布为目标函数。
3.2设计变量及约束条件
由于整车布置的限制，动力总成悬置相对车架的位置和角度不能改动，那么最具可行性的就是对悬置弹性元件的刚度就是优化。这也显示出悬置设计在车辆性能开发早期就应该充分的考虑。
3.3优化结果分析
对模型中各元件赋值后，利用ADAMS的振动分析求解器vibration，很方便地求出系统的六阶频率及各阶频率中的能量分布。由于该轻卡是四缸四冲程柴油发动机，在怠速时的稳定转速750r/min，故可算出发动机怠速的激振频率为25Hz。根据隔振理论，悬置系统的最高频率不得超过激振频率的0.707倍，即17.6Hz。又由于底盘系统及路面激振频率的影响，悬置系统的最小频率应高于3Hz。由此可见，悬置系统各阶频率分布合理。又由于来自发动机的激励主要有垂直方向和绕曲轴轴线旋转方向两种，因此应尽量使这两个方向的振动耦合程度减少，由表4可见，Ox方向的能量分布百分比仅为51.86%，z方向的能量分布百分比也仅为52.96%，两方向解耦程度都不高，因此悬置系统在解耦度上还不合理，需要进行改进。通过悬置刚度优化，系统在保持频率合理分布的同时，解耦度有了明显提高（见表6）。
表3 动力总成悬置初始线刚度
表4 优化前系统自振频率和能量分布
表5 动力总成悬置优化后线刚度
表6 优化后系统自振频率及能量分布
四 结论
动力总成是汽车的重要激励源，通过某轻卡怠速共振的工程问题，通过对动力总成悬置系统进行动力学建模，结合悬置系统振动解耦理论和固有频率匹配理论研究了其能量解耦特性，利用ADAMS软件，在能量解耦理论基础上对动力总成悬置主刚度进行了优化设计。结果表明，优化后的刚度值提高了动力总成悬置系统的主振动解耦率，有效地降低了该卡车动力总成的振动，改善了整车的NVH特性。
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