1、合肥工業大學碩士學位論文汽車動力總成懸置系統優化設計與橡膠懸置研究姓名：王文亮申請學位級別：碩士專業：車輛工程指導教師：魏道高20100401汽車動力總成懸置系統優化設計與橡膠懸置研究摘要性能是衡量汽車制造質量的一個綜合性問題，它給汽車用戶的感受是最直接和最表面的，如今已成國際汽車業各大整車制造企業和零部件企業關注和研究的重要問題之一。而動力總成特性研究是整車特性研究的一個重要子系統，如何設計動力總成懸置系統，使動力總成傳到車架上的振動得到有效隔離，是汽車研究的一個重要課題。本文利用對某款樣車動力總成懸置系統進行了分析和優化設計，對橡膠懸置進行了有限元分析，其具體工作如下：、研究動力總成懸置系

2、統的發展現狀、設計流程，分析并總結了動力總成懸置系統研究的理論方法，研究成果及現代設計發展趨勢。、根據所研究的對象，測量分析出該動力總成懸置系統相關的實驗數據和技術資料，為之后的仿真分析提供試驗數據。、根據測量的數據，應用模塊建立了該動力總成懸置系統的空間六自由度虛擬樣機模型。通過模塊分析出動力總成懸置系統的固有特性和能量分布情況，并分析了動力總成懸置系統在怠速工況、最大扭矩工況、緊急制動工況以及緊急轉彎工況下的動態響應。、利用撞擊中心理論和扭矩軸法驗證懸置點位置的合理性，并以各支承處懸置元件的剛度為設計變量，以動力總成懸置系統六自由度解耦或部分解耦為優化目標，以系統固有頻率的合理配置為約束條

3、件，對動力總成懸置系統進行了優化，使得系統解耦程度更高，固有頻率分配更加合理，振動傳遞率減小，此次優化取得了良好的隔振效果。、利用軟件對橡膠懸置三維有限元模型的靜動態彈性仿真研究，對其應力應變分析，計算出了懸置的各向靜剛度，并根據仿真結果與實驗結果的對比分析，驗證了橡膠懸置靜動態彈性特性有限元仿真方法的有效性。關鍵詞：動力總成懸置系統優化有限元，：），），），）：；插圖清單圖典型橡膠減振塊的結構形式圖動力總成懸置系統設計流程圖動力總成懸置系統動力學模型圖發動機坐標系示意圖圖坐在駕駛員位置看各坐標系示意圖（俯視）圖儀器示意圖圖三線擺法的測量原理圖圖發動機輸出轉矩擬合曲線圖動力總成仿真模型圖第一振

4、型（沿方向移動）圖第二振型（繞方向轉動）圖第三振型（沿方向移動）一圖第四振型（沿方向移動）圖第五振型（繞方向轉動）圖第六振型（繞方向轉動）圖怠速工況下質，方向加速度時域、頻域響應圖怠速工況下質心方向位移時域、頻域響應圖怠速工況下右懸置方向動反力時域、頻域響應圖怠速工況下右懸置方向加速度時域、頻域響應圖怠速工況下后懸置方向動反力時域、頻域響應圖怠速工況下后懸置方向加速度時域、頻域響應圖怠速工況下左懸置方向動反力時域、頻域響應圖怠速工況下左懸置方向加速度時域、頻域響應圖最大扭矩工況下右懸置方向動反力時域、頻域響應圖最大扭矩工況下后懸置方向動反力時域、頻域響應圖最大扭矩工況下左懸置方向動反力時域、頻

5、域響應圖制動工況下質心在方向的位移響應圖制動工況下右懸置在方向的動反力響應圖制動工況下后懸置在方向的動反力響應圖制動工況下左懸置在方向的動反力響應圖過彎工況下質心在方向的位移響應圖過彎工況下右懸置在方向的動反力響應圖過彎工況下后懸置在方向的動反力響應圖過彎工況下左懸置在方向的動反力響應圖三坐標系的表示方法圖型懸置組示意圖圖優化前后的質心加速度頻響曲線對比圖優化前后的質心向位移頻響曲線對比圖優化前后質心向角位移頻響曲線對比圖右懸置振動傳遞率頻響曲線（優化后）圖怠速工況下右懸置在方向上的動反力響應（優化后）圖怠速工況下左懸置在方向上的動反力響應（優化后）圖怠速工況下后懸置在方向上的動反力響應（優化

6、后）圖橡膠懸置三維模型圖加載前網格模型圖懸詈向加載后的應力云圖圖懸置向加載后的應力云圖圖懸置向加載后的應力云圖圖后懸置向力與位移曲線圖后懸置向力與位移曲線圖后懸置向力與位移曲線圖理想懸置與傳統橡膠懸置動特性對比圖向動反力隨時、日曲線圖向動反力隨位移曲線圖懸置向動剛度隨頻率曲線表格清單表各種載荷下的許用應力表懸置坐標系與廣義坐標系夾角定義表發動機質心位置（相對發動機坐標系）表變速箱質心位置（相對變速箱坐標系）表相對發動機質心坐標系下發動機慣性參數表相對變速箱坐標系下變速箱慣性參數表整車坐標系下懸置元件初始位置表懸置安裝角度參數表動力總成懸置元件靜剛度參數表曲柄連桿參數表發動機轉速與扭矩對應表表系

7、統固有頻率和主振型表能量分布百分比表主慣性軸在曲軸坐標系下的夾角余弦值及主慣性矩。表扭矩軸與曲軸夾角值表優化角度后系統的能量分布百分比表設計變量的表達意義表動力總成懸置系統優化前后各階模態固有頻率及振型占優方向表優化后動力總成懸置系統的各階能量分布百分比表動力總成懸置系統優化前后各數值變量對比表表。橡膠懸置計算剛度值與試驗值對比獨創性聲明本人盧明所交的學位論文是本人在導師指導卜進行的研究：作及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標，占和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得金墾?。盒┷蹋焊峄蚱渌逃龣C構的學位或證而使川過的材料。與我一同。：作的同志對本

8、研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。一、）學位論文作者簽字：生氣克簽字日期：弘。年鉀月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解盒巴?。盒┷烫糜腥Ａ?、使川學何論文的規定。旮權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件利磁盤，允許論文被夯閱或借閱。本人授權僉目巴：?。盒┷烫每梢詫W位論文的全部或部分論文內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密屙適川本授權。忙）學位論文者簽名：簽字日期：加年學位論文作者畢業：作單位：通訊地址：導師簽名：簽字日期：電話：郵編：，日，忽馬，鑰：支月向毛去致謝本論文是在導師魏道高副

9、教授的悉心指導下完成的，在三年的學習中，得到了魏老師熱心的指導和無私的幫助。導師嚴謹的治學態度、求實敬業的工作作風和無私奉獻的精神，讓我受益匪淺，激勵著我順利完成了論文工作，在日常生活中，魏老師也給予我無微不至的關懷，在這里，向我的導師致以崇高的敬意和誠摯的感謝。同時感謝我的同學王景容、王磊、楊軍和師兄張偉峰，他們在論文方面給了我很大的幫助和建議。還要感謝三年來所有幫助過我的同學和老師，與他們共同度過了美好的三年時光。我很感激我的親人，他們的無微不至的支持和關懷讓我得以順利的完成學業。最后，感謝所有幫助過我的領導、老師和同學，謝謝您們！作者：王文亮年月日第一章緒論研究背景及其意義動力總成就是汽

10、車發動機系統和變速系統的總稱，為了減小振動，動力總成通過隔振元件安裝在車架上，這樣形成的整個振動系統叫做動力總成懸置系統。隨著汽車技術的發展，乘坐舒適性已經成為人們評價車輛的一個重要指標。汽車在行駛過程中會出現各種各樣的問題都關系到乘坐舒適性，這些問題大都和振動有關，如何減小振動來解決這些問題就變得至關重要，而汽車的振動問題表現在各結構的振動傳遞，汽車的振源主要來自于路面不平激勵、不均勻輪胎旋轉、發動機扭矩波動、不平衡傳動軸旋轉還有發動機傾覆力矩和曲軸不平衡等激勵，其中發動機振動是車輛的主要振源之一。發動機的振動頻率比路面激勵高，不僅會激起結構振動，且會激起車身及附件的噪聲，嚴重影響汽車的性能

11、，因此追切要求發展性隔振性能良好的發動機懸置元件，尤其是目前廣泛使用的四缸四沖程發動機，由于其劇烈的不平衡力和力矩，使得對四缸四沖程發動機懸置系統的設計要求大大提高。目前，動力總成懸置系統的設計受到了廣泛的重視，如何更有效的進行隔振己成為汽車設計的重要課題。發動機懸置作用動力總成懸置系統設計不合理引起的問題由于動力總成懸置系統設計不合理，可能會導致以下問題和現象：）發動機起動及停車時導致車身振動；）發動機無負荷運轉時導致車身振動；）發動機高速運轉時導致車身振動：）由于路面及簧下的周期激振力引起的發動機振動傳到車身上；）由于發動機的位移與其他部件發生碰撞干涉；）由于發動機的位移引起加速踏板、操縱

12、桿的拉緊，導致發動機功率的波動；）由于發動機的位移，引起變速桿的振動和變速箱的脫檔；）離合器跳動。發動機懸置的作用汽車動力總成在運行時主要受到瞬態激勵和發動機的周期性激勵作用。懸置系統在設計時一般需要考慮以下幾方面的要求【】（）、對動力總成具有支撐作用，這是懸置系統的最基本功用，根據懸置的工作狀態，合理設計每個懸置的靜動特性，保證懸置變形在許用范圍之內，保證懸置系統的使用壽命。（）、對動力總成具有限位作用，當汽車在啟動、緊急制動或過彎等瞬態工況下，動力總成會受到各種干擾力，懸置必須能有效地限制動力總成的最大位移，以避免動力總成與相鄰零部件發生運動干涉，避免碰撞。（）、懸置作為車架與發動機的連接

13、件，懸置系統必須具有主動隔振和被動隔振的雙重作用：、衰減發動機向車架傳遞振動力；、阻止路面不平激勵對發動機的振動和沖擊。針對支承和限位作用來說，我們要求懸置越硬越好，以限制動力總成的各向位移，避免運動干涉，保證動力總成正常工作。但從隔振和舒適的角度而言，懸置越軟隔振效果越佳。由于存在這樣的矛盾，因此在懸置系統設計中如何尋求最優方案是一個極為重要的問題。橡膠作為隔振材料的優點用橡膠作隔振材料的主要優點如下【】：）橡膠呈現非線性，其應力、應變具有遲滯作用，不可壓縮，彈性模量比金屬等其他一些材料要小，因此是比較良好的隔振材料；）金屬彈簧作為隔振材料由于本身材料性質關系，會導致固有振動，產生沖擊振動，

14、而且它通過內摩擦產生的衰減幅度小，但是隔振橡膠不存在這方面的問題，橡膠內摩擦大，臨界阻尼比較大，因此很少發生鋼彈簧那樣的強烈共振共振現象。另外，橡膠隔振器通常是由橡膠和金屬結合而成的，金屬與橡膠復合后的聲阻抗較大，能夠有效地起到隔聲作用。）隔振橡膠體積小，重量輕，與金屬可以牢固的粘結，而且支承方法簡單，加工制作和維修安裝方便；）橡膠可通過改變成分和形狀結構來改變其彈性系數，以滿足懸置設計和使用的需要。動力總成懸置系統的研究發展動力總成懸置的發展汽車剛誕生的時候，動力總成與車架之間采用剛性連接，這樣動力總成產生的振動和噪聲全部直接傳遞到車架上，導致乘坐舒適性極差，因此人們就丌始考慮用柔性材料（如

15、：皮革墊或者布墊）來連接動力總成和車架引，降低車架的振動。直到上世紀二十年代，人們發現開始用橡膠懸置來連接動力總成和車架，由于橡膠材料具有高彈性、良好阻尼等特性，通過內摩擦力將部分機械能轉化成熱能消耗出去了，所以利用橡膠懸置可以減少力的傳遞，提高乘坐舒適性。年，美國通用汽車公司的】開發出第一個發動機液壓懸置，標志著發動機懸置由純橡膠懸置開始向液壓懸置發展，它是通過結合橡膠支承與液壓減振裝置在一起，這樣具有更好的減振性能。隨后幾十年，由于液壓懸置的動特性更符合理想懸置的要求，液壓懸置的開發越來越受到重視，紛紛研制出很多不同形式的液壓懸置，液壓懸置的動剛度和阻尼角具有變頻特性，其優點】：、在低頻時

16、具有大阻尼、高動剛度特性，滿足低速時隔振要求，隔離低速振動，極大衰減振動幅值，很好地控制動力總成的運動位移和懸置變形，同時可以很好的抗擊沖擊運動和振動；在高頻域具有小阻尼、低動剛度的特性，可在較寬頻率范圍內能夠滿足動力總成的高頻隔振要求，衰減汽車在高速行駛中的車內振動和噪聲。解耦式液壓懸置【”，具有很好中高頻工作范圍內的減振減噪性能，其工作原理是：內部采用橡膠膜或解耦盤，在高頻區域內解耦裝置通過調整內部液體的流量和流向以充分降低高頻時懸置的動剛度。到了上世紀年代后期，液壓懸置的發展趨勢是半主動和主動控制式液壓懸置，年美國公司在實驗室開始研制開發主動控制式液壓懸置瞵，這標志液壓懸置己由被動式向半

17、主動和主動控制方向發展。發動機懸置系統的隔振研究發展幾十年來，經過國內外學者對動力總成懸置系統隔振性能的不斷探索和研究，得出了成熟的懸置系統設計方法，通過分析懸置系統的模態、振型、扭矩軸線、以及彈性中心與系統解耦的關系來評價動力總成懸置系統的隔振性能。國外許多專家對動力總成懸置系統隔振研究比較早，做出了許多有益的研究和探討，下面介紹幾個代表性的研究成果：上世紀五十年代，和提出懸置系統的六自由度解耦理論，推導出解耦的計算方法。上世紀六十年代，和】通過撞擊中心理論來對動力總成懸置點的布置，起到了一定的解耦效果。上世紀七十年代，根據撞擊中心理論，通過布置懸置點在彈性振動模態節點上，提出了合理布置動力

18、總成懸置的方法，取得較好的隔振效果。上世紀八十年代，很多轎車采用發動機前置前驅動，并且四缸四沖程發動機的平衡性很差，對懸置的隔振水平要求較高，但動力總成沒有嚴格的對稱面，主慣性軸與曲軸存在一定角度，而且發動機艙的空間限制，導致懸置點的位置布置有限，人們丌始運用優化方法對動力總成懸置系統進行設計，主要采用能量解耦、系統固有頻率的合理配置、傳遞率或懸置處動反力最小等優化目標。年，】以固有頻率的合理配置和系統能量解耦為優化目標，設計變量主要是懸置的剛度、懸置位置角度以及懸置垂向與側向剛度比等，對動力總成懸置系統進行了優化，取得了比較好的隔振效果。年，采用“移頻法對動力總成懸置系統固有頻率進行合理配置

19、，優化方法采用懲罰函數法，以懸置剛度、位置以及安裝角度為設計變量，取得了良好的效果。年，和【以懸置位置的為優化變量，分析發動機懸置系統在怠速工況下的振動特性，分析出為了避免共振車身彎曲固有頻率應高于怠速激勵頻率，而且動力總成的固有頻率應小于怠速頻率的倍。年，和以繞軸的轉動與三方向平動解耦和合理配置垂直固有頻率與轉動固有頻率為目標，以懸置位置和剛度為設計變量，對整車進行優化，取得了很好的優化效果，分析出懸置的位置對懸置系統的隔振性能的巨大影響。國內對動力總成懸置的研究比較晚，從上世紀八十年代開始，國內學者對動力總成懸置系統隔振研究也越來越深入，取得了一些重要成果，下面介紹一下國內這方面的研究狀況

20、。年，徐石安采用的優化目標是懸置處的動反力幅值最小，同時使系統固有頻率得到合理配置，取得了比較好的優化效果。年，上官文斌、蔣學鋒提出了利用扭矩軸對動力總成懸置優化設計的方法，通過在扭矩軸坐標系中建立模型，以系統固有頻率的合理配置為優化目標，達到各自出度解耦，并且運用撞擊中心理論和對一階彎曲模態節點的選取對懸置布置設計，取得了很好的結果。年，徐石安利用傳遞函數分析動力總成振動，討論了發動機振動模型簡化的理論基礎，以及隔振和解耦的關系，并提出了能量解耦方法【】。年，史文庫、林逸、呂振華通過建立自由度的整車動力學模型，進行仿真分析和實驗，分析了液壓懸置和橡膠懸置在怠速工況下對整車振動的不同影響。年，

21、史文庫和林逸在轎車的懸置系統的隔振性能時，考慮了發動機懸置點在彈性基礎上，利用四端參數理論對其計算分析，得出了彈性基礎對動力總成懸置系統隔振性能具有一定影響】。年，樊興華、陳金玉和黃席樾以人機環境為基礎，建立了多目標優化模型，提出了以人體在垂直振動加速度均方根加權值最小、動力總成懸置系統能量解耦的多優化目標函數，以懸置參數為設計變量，進行了優化，有效的降低了汽車振動，改善了汽車的乘坐舒適性【引。年，呂振華以動力總成懸置系統的設計理論和優化方法為基礎，系統的分析了各項因素對動力總成懸置系統隔振性能的影響，并以懸置的安裝位置和角度以及懸置的剛度為設計變量，對兩種動力總成進行了優化設計，大大提高了系

22、統的解耦率引。年，周舟、王曉光、李波灝通過建立整車虛擬樣機模型，對動力總成懸置系統進行優化設計，分析了懸置系統的隔振性能【引。動力總成懸置系統的設計流程概述動力總成懸置系統的匹配設計概述、懸置系統設計所必要的數據】本論文的第三章會具體介紹到動力總成相關數據的獲得。在這里只做個簡要概述如下：（）動力總成的主要參數：設計動力總成懸置系統時，必須已知：動力總成的重心位置、重量及慣性主軸的方向和繞其軸的慣性矩，設計時可通過相關試驗測得其數據。（）懸置基本參數：包括懸置彈性參數、安裝位置和角度。（）動力總成懸置系統上產生的激振力的性質：必須了解激振力毋，耳，疋，咒，瓦，乏的振動頻率及其大小。第二章里會詳

23、細分析動力總成懸置系統上的激勵力。、固有振動頻率的優化已知在懸置系統產生的激振力的振動頻率，則依據隔振理論可以規定懸置系所希望的固有頻率。這樣，懸置點的位置、安裝角度及懸置的參數在許可范圍內加以變動，用逐次接近法進行計算，直到得到所希望的固有頻率，滿足隔振要求為止。橡膠減振器的設計概述通過對懸置系統固有頻率的優化，得到了所希望的固有振動頻率，此時，必須根據要求設計出各橡膠減振元件，通過對橡膠材料的選定以及懸置形狀的確定，使其彈性常數必須符合要求。（）橡膠材料的選定隔振橡膠的橡膠材料【】在中規定為四種：）一般的加硫橡膠，例如（天然橡膠），（苯乙烯丁二烯橡膠）；）要求耐油性特別強的加硫橡膠一（丙烯

24、腈丁二烯橡膠）；）要求耐蝕性特別強的（及輕度耐油性）加硫橡膠一一（氯丁二烯橡膠）：）要求振動衰減性特別強的加硫橡膠一一（異丁烯異戊二烯橡膠）。一般發動機懸置用的橡膠材料是和。具有耐蝕性、耐油性和耐熱性等優點，但是其機械性能及加工性差，在實際中大部分用絕用做懸置減振器。的特點是內部衰減大、彈性模數小，并且在同一形狀下可以降低彈性常數，根據振動理論，如果內部衰減大，共振點的振幅值小，但其缺點是共振點以外的振動傳遞力增大，對于兩種橡膠材料，必須根據實際情況有效地利用其優缺點。（）橡膠減震器形狀的選定為了得到隔振橡膠的三個方向所希望的彈性常數比，必須采用合理的形狀，典型橡膠減振塊的結構形式通常有復合型

25、、剪切型和壓縮型種【，如圖所示。表是橡膠材料在各種工作狀況下的許用應力值【。各壓緡型。剪仞壁復臺型圖典型橡膠減振塊的結構形式表各種載荷下的許用應力許用應力（）載荷方向靜態動態沖擊壓縮拉伸一剪切扭轉一綜上所述，動力總成懸置系統設計其基本程序【如下圖一所示：、概念設計；、對動力總成相關參數和數據進行測量和采集：、對懸置系統性能進行優化和結構設計；、虛擬樣機（仿真分析和零部件有限元分析）；、根據最佳方案試制裝車；、試驗驗證；、批量生產。撅念設計相關爿采集山系統性能優化及結構設計山虛擬樣機（仿真分析與部件的有限元分析）山山試驗驗證山圖動力總成懸置系統設計流程本課題研究的主要內容本文主要研究的內容如下：

26、、通過學習國內外相關成果，分析和研究國內外動力總成懸置元件以及懸置系統優化設計的發展狀況，系統學習汽車動力總成懸置系統設計的理論與方法以及橡膠懸置的有限元方法。、測量和采集發動機及其懸置系統的實驗數據和相關參數，包括動力總成基本參數、懸置基本參數和一些發動機相關參數。、根據發動機動力總成的實際測試所得到的參數，利用建立樣車動力總成懸詈系統的六自由度虛擬樣機模型，分析其固有特性與主振型以及能量分布情況，分析其系統在各種工況下的動態響應。、利用撞擊中心理論和扭矩軸法驗證懸置位置布置的合理性，最后以懸置的剛度參數作為設計變量，以能量解耦為目標函數，以固有頻率的合理分配為約束條件，對動力總成懸置系統進

27、行優化設計，并對優化前后的系統進行隔振特性的對比分析。、利用軟件對橡膠懸置三維有限元模型的靜動態特性仿真分析，對其應力應變分析，計算懸置的各向靜剛度和動剛度，對比實驗值，驗證模型的有效性。第二章動力總成懸置系統基礎理論動力總成懸置系統振源分析動力總成振源分析汽車在行駛時，引起汽車動力總成產生振動的原因是多方面的，主要分為發動機內部激勵和外部激勵，內部激勵主要有發動機不平衡往復質量引起的慣性力和力矩、不平衡質量旋轉運動導致的離心力和力矩、爆發氣體壓力等。外部激勵主要有路面不平導致的隨機激勵和瞬態工況下引起的動力總成慣性力。設本文所研究的動力總成懸置系統受到的激勵力為（），簡化到動力總成質心處的表

28、達式為：擴（）以藝巧乃乏】下面主要分析激振力，疋，瓦，乃，已的特性及其大小，內部產生的激振力和來自外部的激振力兩方面：（）主要討論發動機凡：主要是由汽車瞬態工況下緊急加速和緊急制動時的慣性力以及操縱離合器的外力構成的，這些力可能引起發動機的向位移，和其他接近的部件發生干擾，產生不協調現象。例如，冷卻風扇和散熱器的干擾，或變速器脫檔等。：主要考慮發動機內部的不平衡旋轉質量引起的一次慣性力，以方向的成分為主，外部激振力可不考慮。從理論上說，旋轉質量的不平衡現象是完全可以消除的，由于發動機的曲軸形狀復雜，其旋轉時或多或少會出現不平衡現象。此外，曲軸在高速運轉時可能產生彎曲振動以及軸承的松動或汽缸體的

29、變形等現象，都會發生不平衡慣性力和慣性力偶。易：向受力要考慮發動機內部和外部激勵兩方面，發動機內部的激振力主要是不平衡旋轉質量引起的一次慣性力作用在方向的成分和往復質量引起的不平衡慣性力。發動機外部激振力有來自路面和來自簧下兩部分，來自路面的激振力是由路面凹凸不平引起的隨機振動，來自簧下部分的激振力主要是由于不平衡引起的一次激振力。：這主要由于燃氣爆發力和往復質量引起的扭矩變動形成的激振力矩，特別是怠速時傳到車身上的振動和燃氣爆發力引起的扭矩變動。設汽缸數為，汽缸直徑為，曲軸半徑為，可得出下式：瓦（氣）正。（，打）（）四沖程：二沖程：，式中為平均扭矩；瓦：諧波扭矩；（）。占。：轡一箜簍相位；（

30、），腳一一由實測示功圖求得的扭矩諧波系數的正弦及余弦成分。由于進氣分配不均勻，壓縮比不同等引起的爆發力不均勻，可產生如式（）所表示以外的扭矩變動。，己：這是由于發動機內部的不平衡旋轉質量引起的次慣性力偶。除此以外，還有其他激振力，如排氣系統的振動、動力傳動系的振動、曲軸的扭轉振動、各汽缸的活塞和連桿等的重量差異、裝配誤差造成的各組件間隙的不同、擰緊力不均勻等所引起的激振力，這些在設計動力總成懸置系統時可以不考慮。本文所研究的發動機動力總成懸置系統的激勵力只考慮發動機內部激勵，外部激勵暫不予考慮，由于此發動機是直列四缸發動機，曲柄夾角是。，第一階往復慣性力和力矩相互平衡消除，發動機主要激勵是第二

31、階往復慣性力和繞曲軸的反作用力矩，其受力表達式為：巧弓乏，（）其中：，乃彳，徹（）咒瓦（）（），（）式中：一一單缸活塞及往復運動部分質量；一一曲柄半徑；兄一一曲柄半徑與連桿長度之比；彩一一發動機曲軸轉動的角速度：一一二、三缸中心線至發動機動力總成質心的距離；一一發動機的輸出扭矩。值得注意的是，在分析發動機的振動問題時，可做如下兩個假設：發動機通過發動機懸置安裝在車架上，而車架可看作是絕對剛體。）假設發動機曲軸的回轉角速度是一定值，即緲：掣弧度秒：常數（）實際上，在發動機的循環中，回轉角速度是時刻在變化的，隨著發動機運轉，這種變化又是在重復進行，但是我們在分析時，重點考慮不平衡力的影響，所以回轉

32、角速度可以假設為定值，忽略其影響。發動機激振頻率范圍上面介紹了動力總成的主要振源，下面分析下其激勵的頻率范圍，其各頻率的計算公式如下【】：、點火激勵頻率，由于燃料在氣缸內爆發燃燒，在缸體上形成平行于曲軸的輸出力矩脈沖，而多缸發動機的扭矩呈周期性變化，導致發動機上產生反作用力矩，這種周期性的力矩脈動引起的激勵叫做點火激勵。點火激勵頻率計算公式如下：石焉（舷）（）其中，發動機轉速，；一發動機汽缸數；發動機沖程數。其頻率范圍為贏。意。（）其中：一怠速轉速（）；一一最高轉速（）。、不平衡慣性力引起的激勵頻率，由于發動機不平衡質量的旋轉和往復運動的部分質量產生慣性力，此慣性力激勵頻率公式可寫為：厶等（舷

33、）（）其中：發動機轉速，；激勵力的階數不平衡慣性力引起的激勵頻率范圍為：時：百百胛刀時：貴貴（）動力總成懸置系統動力學方程研究動力總成懸置系統的低頻振動特性時，常假設動力總成和車架為絕對剛體，因為動力總成懸置系統的最高階固有頻率比動力總成最低的彈性模態頻率都要低得多。首先，建立全局坐標系，原點在動力總成質心處，軸平行予曲軸軸線，汽車前進方向為正，軸垂直向上，軸由右手定則確定。（，目。，）為剛體的廣義坐標，圖一為動力總成懸置系統動力學模型。圖動力總成懸置系統動力學模型本文是利用拉格朗日（）方程建立動力總成懸置系統動力學方程。拉格朗日方程形式如下：旦鴛一堡堡堡：（）飽”其中：為系統動能，為系統勢能

34、，為系統耗散能，為系統廣義坐標，為系統所受廣義力。、系統動能動力總成懸置系統的動能為沿質心平動動能和繞質心轉動動能之和，可以通過下式得到：珥動動丟祗圭緲三聊三丟喜一（）式中：為動力總成內第個微小質量；為第個微小質量相對于坐標系的速度。令，莨表示沿三個坐標方向的單位矢量，其角位移可表示為：秒見七（）則其角速度可表示為：口，嘭眈七（）動力總成上相對質心的任意一點的矢徑為：尹，尹歹，云（）通過式和式可以求得任意一點相對于質心的速度為：哥否×尹（反嘭歹曉）×（，），了云）（）：（，矽：，痧，）（一，六十，曉）歹十（一，六十，反）云將上式代入可算出臻為：曇窆鴨諺，三喜【（只曉乙或聲（

35、乙曉曉）歹（五諺咒曉弦吾窆，珥？）磚三喜（芎）彩蘭喜，?。┧m喜以薯只幺或三喜啊咒互曉一三喜惕刁曉反轉動慣量和慣性積的計算公式如下：心則動力總成做剛體運動的動能為：珥動丁轉動秒扣丟彰丟彩三彰毛叫一毛旺。一專。上式寫成矩陣形式，可表示為；恥多乏舀舀：！丁肋一。，竹垅一斜一。其中，三曉島曉，肘：、系統勢能圣¨三一島一憾。一匕一旺。嬸（）（）（）（）、，所。閏囂，、，少腳。川。硝研，。腳壚。瑚砂，乞一一所聊在這里本文不考慮動力總成自身在重力場中的勢能的變化，所以，彈性元件的勢能就是整個系統的勢能。設系統有個橡膠元件，其坐標為（，）；則懸置點位移在廣義坐標中可表示為：塹缸，緲歹歹一（）其

36、中：，。，見弩：（）則懸置點位移可表示為：出莖言；：亡，三一：以眈目）式中：為位置的轉移矩陣。表懸置坐標系與廣義坐標系夾角定義“口兒吼，口。州“，塹丁沁，于緲，歹垃，聲（）塹歹沁歹緲，歹，石）歹（），每云沁，丁緲，歹，云弦（）差蔞蔓蔞爰蔞至莖（糊，毋：丟窆純，甜；！，諺以）三喜陋毛。雖蘭，其中：二，毛，毛七圳尼。七塒，邑圭喜¨砍！托，諺，嘶）三喜陋吃嘭嘭（喜雖曼（）（）（）去喜萋：喜局夕尼，后，“塒（，懸置系統固有特性分析及計算根據振動理論可知，動力總成懸置系統具有六階模態，當各階固有頻率與激勵力頻率相近時，可能會引起系統共振，由隔振原理可知，為了使懸置起到”血加螄；兒鵬鵬鵬業陋蓼的

37、作用，應使系統的最高階固有頻率低于發動機怠速時的激勵頻率的矗倍，同時要使動力總成懸置不會與路面激勵力產生共振，則應使動力總成懸置系統的最低固有頻率大于路面激勵力頻率的倍，因此必須要合理配置懸置系統各階固有頻率。系統的無阻尼自由振動微分方程如下式：（）得：（伊）將（伊）代入方程（）得：緲（）對方程（）兩邊同乘。得：（）令彳一，得：緲由方程（）可知，為矩陣為其相應特征向量，表示對應的主陣型。（）的特征值，為系統各階固有頻率，本章小結本章介紹了動力總成懸置系統振動的相關理論，包括發動機動力總成懸置系統的振源及振動頻率范圍，并分析了系統動力學方程和固有特性理論計算公式，為以后的建模、模型仿真分析及優化

38、奠定了理論基礎。第三章動力總成懸置系統的實驗數據測量在對動力總成懸置系統建模和優化設計之前，必須獲得動力總成懸置系統基本參數，主要包括動力總成基本參數、懸置基本參數和發動機相關參數。系統坐標系建立樣車型發動機為直列四缸，驅動方式為前置前驅（），發動機偉置方式為縱置，動力總成縱置的式汽車有助于整車質量平衡，工作平穩，尤其有利于降低小型汽車的低速振動。其相關坐標系布置如下：、整車坐標系：原點：懸置軟墊中心；軸：與汽車前進方向相反；軸：與曲軸中心線垂直，指向右；軸：垂直于汽缸上端面端蓋法蘭平面，指向上方。、發動機坐標系發動機坐標原點位置：缸體后端面與曲軸旋轉中心線交點處；軸：與整車坐標系的軸方向相反

39、；軸：與整車坐標系的軸方向相反；軸：于整車坐標系相同。發動機質心坐標系位置在發動機質心處，方向同發動機坐標系。圖為發動機坐標系示意圖圖一發動機坐標系不意圖、變速箱坐標系變速箱坐標原點位置：變速箱輸入軸中心線與離合器殼體端面的交點；變速箱坐標系（縱置）與整車坐標系各軸方向相同；變速箱質心坐標系位置在變速箱質心處，方向同變速箱坐標系。圖為坐在駕駛室里看各坐標系示意圖（俯視）。（）整車坐標系（）發動機坐標系（）變速箱坐標系圖坐在駕駛員位置看各坐標系示意圖（俯視）動力總成基本參數測量動力總成基本參數主要包括動力總成質量、動力總成質心位置和動力總成慣性參數。動力總成質量測量動力總成質量測量方法簡單多樣，

40、一般可以直接利用磅秤測量動力總成的重量。這罩我們用下圖所示儀器測量動力總成質量，其結構和原理如下：測量平臺旋轉軸測量架質量質心測頭升降岢向質量質心傳感器基座圖儀器示意圖通過圖可以看出，動力總成質量是由、兩只傳感器直接測得，其公式如下：×（鼻一尸）×（最一）（式中：為動力總成質量；為加載時傳感器的讀數；為空載時傳感器的讀數；為加載時傳感器的讀數；為空載時傳感器的讀數；為傳感器的傳遞系數；為傳感器的傳遞系數。通過上述儀器測得發動機質量為，變速箱質量為，動力總成總質量為。動力總成質心位置測量質心位置的測量方法很多，常用的有稱量法、力矩平衡法和懸吊法。此動力總成質心位置測量采用懸吊法，其懸吊法原理為：任一連續物體的自由懸線的延長線必定通過物體質心。用吊車將發動機和變速箱懸吊起來并使其自然下垂，待穩定后，用三坐標系