动力总成--悬置系统振动解耦设计方法

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1、万方数据第41卷第4期2005年4月机械工程学报v01．41No．4CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGApr．2005动力总成一悬置系统振动解耦设计方法水吕振华范让林(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084)摘要：动力总成一悬置系统获得良好隔振性能的主要方法是最大限度地解除其多自由度振动耦合。在论述动力总成关于曲轴坐标系、转矩轴坐标系和主惯性轴坐标系的振动解耦原理的基础上，进行了动力总成一悬置系统的弹性解耦特性分析，探讨了对于前、后悬置均采用v形

2、悬置组的振动系统易于达到的弹性解耦程度；提出了v形悬置组布置设计的最小刚度比约束条件和悬置倾角的选择范围，完善了v形悬置组的设计方法。这些概念和设计方法拓展了动力总成一悬置系统的弹性解耦设计理论。关键词：动力总成悬置系统振动解耦汽车中图分类号：u461．1TBl23O前言以往复式内燃机为动力源的动力总成是车辆、船舶、动力机械等的主要振源之一。动力总成的激励主要有较低转速时的转矩波动激励、较高转速时的往复不平衡惯性力激励(特别是四缸四冲程发动机)，还有经过轮胎、悬架系统滤波之后的路面不平度激励。动力总

3、成的转矩波动激励作用在绕发动机曲轴的方向，不平衡惯性力激励作用在气缸中心线的方向，路面不平度激励在大多数情况下也作用在气缸中心线的方向。最大限度地解除动力总成一悬置系统的多自由度振动耦合是使其具有良好隔振性能的基本方法。鉴于动力总成所受激励及其作用方向的上述特点，解除动力总成一悬置系统的侧倾自由度、垂向自由度与其他自由度之间的弹性耦合就成为悬置系统设计的关键之一。在论述汽车动力总成一悬置系统分别关于曲轴坐标系、转矩轴坐标系和主惯性轴坐标系的振动解耦问题与特点之后，进行系统的弹性解耦设计分析，深入探讨

4、常用的V形悬置组的设计理论和方法，以利于实现V形悬置组的最优设计方案。1动力总成一悬置系统的振动解耦在动力总成的悬置系统设计中，应尽可能解除动力总成刚体的6自由度之间的振动耦合，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，使激励频率远离共·国家教育部博士点科研基金资助项目(98000321)。20040708收到初稿，20041220收到修改稿振频率，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。动

5、力总成一悬置系统的振动解耦设计措施包括惯性解耦、弹性解耦、激励解耦，在高、低频率段对隔振系统有不同的要求，因而还有高、低频率段解耦。首先建立动力总成的曲轴坐标系01犯，如图1所示，其坐标原点D位于动力总成的质心，x轴平行于曲轴中心线、指向发动机前端，z轴平行于气缸中心线、指向发动机缸盖，y轴按正交坐标系的右手定则确定。在此坐标系下，动力总成的转矩波动激励作用在绕x轴的方向，不平衡惯性力激励作用在z轴方向，激励之间不存在耦合。图l动力总成一悬置系统模型及其曲轴坐标系D驴、转矩轴坐标系Dhy白和悬置局部

6、坐标系0f“fuwfv形悬置组是解除弹性耦合的重要方法。在汽车动力总成一悬置系统中，常采用V形悬置组，即左、右两个呈v形对称布置的相同悬置的组合，如图2所示。v形悬置组的功能在于：解除动力总成一悬置系统的横向一侧倾弹性耦合，同时具有较大的横向刚度和较小的侧倾刚度，以提高横向稳定性、降低侧倾振动的固有频率；既有利于解除垂向、横万方数据机械工程学报第4l卷第4期向、侧倾自由度之间的弹性耦合，又容易调整其弹性中心；既有利于使动力总成的最低阶刚体振动模态为以侧倾振动为主的模态，也便于动力总成一悬置系统的刚体

7、模态频率与其他子系统固有频率之间的合理匹配，从而获得良好的综合隔振性能‘卜51。图2V形悬置组示意图0。——v形悬置组的弹性中心，也是v形悬置组所在平面与x轴的交点0，，q——左、右悬置的弹性中心^——悬置到0姊坐标平面的距离，称为高度6——距离oo的一半，称为宽度臼——悬置绕其“轴的倾斜角度，称为悬置倾角大量实例表明，汽车动力总成在曲轴坐标系下的惯性积一般都较小，远小于其转动惯量，因此惯性耦合较弱。加之不存在振动激励耦合，故利用v形悬置组实现弹性解耦是很有实际意义的。动力总成刚体有三根相互正交的主

8、惯性轴％、帅、zp，它们形成主惯性轴坐标系@咿怖(图1中没有画出)，一般不与曲轴坐标系仂啦重合，但对应坐标轴之间的夹角较小。在主惯性轴坐标系下，动力总成不存在惯性耦合，因此可利用V形悬置组进一步实现弹性解耦。然而，由于在此坐标系下发动机激励是耦合的，单一激励会在多个自由度方向激起振动，所以在该坐标系下并不能实现多自由度振动的完全解耦。由于动力总成的％轴与x轴并不重合，在绕x轴的发动机转矩波动激励下产生的侧倾振动是绕一特定的转矩轴x。的转动【lq]，相应地可定义转矩轴坐