1、Oct.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年1 0 月No.10Vol.40第4 0 卷第1 0 期机计设械基于多参数可调悬置的动力系统隔振性能优化*沈保山，张美娟，钟兵，游专!（1.无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏无锡214121;2.山东交通学院汽车工程学院，山东济南250357)摘要：为提升并保持橡胶悬置的隔振性能，文中提出了一种三向刚度和支撑高度均可调整且各向均有限位的橡胶悬置结构，并对其基本构成和工作原理进行了阐述；以某商用车动力悬置系统为例，在研究了锥角、厚度及高度等参数对轴、径向刚度比例系数影响的基础上，对该悬置结构进行了详细设计，并采用理论计算与刚
2、度试验的方法研究了预载位移与轴、径向刚度的关系，进一步明确了该悬置刚度可变范围；最后，进行了车辆悬置刚度调校及隔振性能测试。结果表明：通过多参数的调整，能够保证动力总成的姿态，并可有效提升动力悬置系统的环境适应性、隔振性能及系统开发效率。关键词：橡胶悬置；解耦率；隔振率；有限元分析；刚度中图分类号：U469文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 3 5 4（2 0 2 3）1 0-0 1 2 2-0 6Optimization of power system s vibration-isolation performancebased on multi-parameter adjustab
3、le mountSHEN Baoshan,ZHANG Meijuan,ZHONG Bing,YOU Zhuan(1.School of Automotive and Transportation,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214121;2.School of Automotive Engineering,Shandong Jiaotong University,Jinan 250357)Abstract:In this article,in order to improve and maintain the rubber mounts vibratio
4、n-isolation performance,a rubber-mount structure is proposed,which can adjust the parameters of three-way stffness and support height,and has finite position inall directions.Its basic structure and working principle are described.Then,with the commercial vehicles power suspensionsystem as an exampl
5、e,efforts are made to explore the influence of cone angle,thickness,height and other parameters on the pro-portion coefficient of the shaft and radial stiffness;the suspension structure is designed in detail,and the relationship between thepreload displacement and the shaft and radial stffness was s
6、tudied is identified by a series of theoretical calculation and stffnesstest;the variable range of the suspension stiffness is clarified.Finally,the vehicle is subject to the adjustment in its mountingstiffness and the test on its vibration-isolation performance.The results show that the power train
7、 attitude can be guaranteed thanksto the adjustment in multiple parameters.Besides,the power mounting systems environmental adaptability,vibration-isolationperformance and efficiency in development have greatly improved.Key words:rubber mount;decoupling rate;vibration-isolation rate;finite-element a
8、nalysis;stiffness动力总成悬置实现了动力总成与底盘间的柔性连接，支撑且保证动力总成与周边附件不发生干涉，同时还减少动力总成向底盘及地面激励向动力总成传递振动,提升了整车的NVH性能,受到了众多学者的关注，并逐渐建立起了较为完善的理论模型。其中，文献2-6运用动力总成悬置系统6 自由度模型,以高解耦率为目标,对悬置刚度进行了优化；文献7-9 运用13自由度整车简化模型,以系统的隔振率、能量解耦率最大为目标，对悬置刚度值进行了优化；文献1 0-11考虑了车身耦合因素,建立了1 5 自由度耦合模型，*收稿日期：2 0 2 2-0 8-1 0；修订日期：2 0 2 3-0 4-1 5基
9、金项目：江苏省产学研合作项目（BY2022826）；教授博士启动基金项目（1 0 4 9 3 1 2 1 0 1 8）；江苏高校 青蓝工程 资助项目1232023年1 0 月沈保山，多参数可调悬置的动力系统隔振性能优化以扭矩轴解耦率和总传递振动力为目标，优化了悬置刚度。文献1 2 建立了整车1 6 自由度模型，通过DOE分析得到座椅导轨振动对各悬置刚度的敏感度排序，并对部分悬置刚度进行了优化。由此可见，优化悬置刚度可有效提升悬置系统的隔振性能,且刚度优化考虑的因素、模型自由度数逐渐增加,理论计算准确度逐步提升。但实际应用中,用于刚度优化理论计算的动力总成各参数的测试一般是在无水、无油状态下完成
10、的，与真实工况存在差异，使刚度优化结果产生较大误差。同时，橡胶刚度受诸多因素影响（如温度、预载力、频率、老化程度等），进一步影响了悬置在不同季节、区域内的隔振性能。在此情况下，能够保证动力总成安装姿态且刚度可调橡胶悬置成为了研究重点。文献1 3 提出了一种柔性橡胶悬置结构,在一定程度上提升了悬置系统的隔振性能，但其仅实现了主方向（W向)的刚度可调,性能改进效果受到了一定的限制；专利CN201866147U中，虽然实现了悬置垂向刚度的可调，但在刚度调整的过程中改变了悬置主要方向上的限位间距及支撑高度，易引起传动系的NVH问题，且各向限位不全面，可靠性受到影响。专利CN105818666A和CN2
11、07825915U中，通过增加和减少悬置主簧的数量改变悬置刚度，但无法实现无级化调整，且调整过程中需要其他设备克服动力总成的重力或将其拆下调整。为此，文中提出了一种三向刚度及支撑高度均可调的全限位悬置结构，并利用该结构对某商用车动力总成悬置的隔振性能进行了优化提升。1多参数可调悬置结构及工作原理1.1多参数可调悬置结构该橡胶悬置（图1）由上悬置总成、下悬置总成、高度测量销、上连接螺栓、下连接螺栓及约束螺栓组件等部件组成。其中，上连接螺栓N区间内为外螺纹，下连接螺栓为内螺纹，与上连接螺栓的下部螺纹配合上连接螺栓高度测量销调整螺母上悬置总成约束螺栓组件下连接螺栓之下悬置总成螺母一图1多参数可调悬置
12、总体构成上悬置总成（图2）由内骨架1、外骨架1 及硫化在内、外骨架之间的橡胶1 等部件组成；外骨架1 底部内壁设有内螺纹,其周边铸有加强筋，既提升了刚、强度性能，又便于上悬置总成的旋转。下悬置总成（图2）由内骨架2、外骨架2 及硫化在内、外骨架之间的橡胶2 等部件组成，且外骨架2外表面靠近上骨架1 处设有与其内螺纹相配合的外螺纹。橡胶1内骨架1外骨架1橡胶2内骨架2外骨架2图2上、下悬置总成详细构成断面图可按照如下步骤进行悬置总成装配：（1)将上连接螺栓从上悬置总成底部穿入内骨架1孔内，并旋上调整螺母；（2)将下连接螺栓旋入上连接螺栓；（3)保证上连接螺栓与下悬置总成内骨架2 同轴，整体旋转下
13、悬置总成使外骨架1 与外骨架2 螺纹旋合到位；（4)旋转下连接螺栓，使其台阶下表面与内骨架2上表面相抵，旋上螺母；（5）旋上约束螺栓组件，保证上、下悬置总成无法相对旋转。进行悬置系统装配时，动力总成支架与动力总成一体与上连接螺栓连接；车架侧支架与外骨架2 通过下固定螺栓组件连接，如图3 所示上固定螺母动力总成支架橡胶悬置总成车架侧支架下固定螺栓组件图3动力悬置系统装配图1.2多参数可调悬置工作原理在动力总成重力及扭矩的作用下，动力总成支架带动上连接螺栓、内骨架1、下连接螺栓及内骨架2等部件相对于外骨架1、外骨架2 运动，使橡胶1 和124第4 0 卷第1 0 期计机设械橡胶2 产生变形，实现隔
14、振作用。极限工况下，当动力总成支架与外骨架1 上端接触时，实现下限位；当下连接螺栓A处与外骨架1 B处接触时，实现上限位，如图4 所示，以防止橡胶因过度压缩或拉伸而破坏。下限位间距调整螺栓DC高度测量销BA上限位间距图4悬置参数说明图当悬置橡胶刚度发生变化时，动力总成高度及限位间距也将发生改变，从而影响悬置的隔振性能及传动系的传动效率。为此，需对该悬置的刚度及支撑高度等参数进行调整。悬置橡胶刚度变小情况下的调整步骤如图5 所示插人高度测量销，测量高度测量销上端面突出动力总成支架上平面的高度L后，取下测量销根据L及常温下该悬置的预压位移-刚度的曲线，预判调整橡胶刚度需调整的单个内骨架位移M旋下上
15、固定螺母，旋转调整螺母，使其上升距离大于3 M，释放上悬置总成拆下约束螺栓组件，旋转使上悬置总成上升M采用两调整螺栓将动力总成质量作用于外骨架1上，释放上连接螺栓及橡胶2旋转上连接螺栓，使其下降2 M距离旋转调整螺母，使其将内骨架1 紧压在上连接螺栓台阶的上端面上拆下调整螺栓，重力重新施加在悬置总成上插入测量销，测量L否是否为0 或在误差范围内是安装约束螺栓组件，参数调整完毕图5多参数可调悬置参数调整流程图针对以上调整步骤，进行如下说明：(1)利用高度测量销测量L时，高度测量销从动力总成支架的C孔插人，其下端面垂直抵靠在外骨架1上端面的橡胶处,理论状态下，此时高度测量销的上端面与动力总成支架上
16、平面平齐。而当悬置橡胶刚度变小时，动力总成支架高度下降，高度测量销上端面将突出动力总成支架上平面；(2)S为悬置静载预压高度，一般为3 5 mm；由S值及步骤（1）获取的L值可得刚度调整目标为理论S+L刚度的倍，可依据试验测得的常温下该悬置的S预压位移-刚度曲线，得到单个内骨架预压位移M。但因温度和老化程度对橡胶预压位移-刚度曲线存在一定影响,致使部分悬置调整存在误差，可通过微调步骤(2)中M值的方法进行修正,以达到更准确的效果；（3）当上、下连接螺栓端面D（图4)接触时，上、下内骨架的间距就无法再继续调整，防止因过度调整而造成橡胶破坏。（4)以上是基于上、下悬置总成垂向刚度相等条件下的各参数
17、调整方法2多参数可调悬置的设计2.1动力总成各参数数据及悬置刚度优化该动力总成的各参数如表1 所示，通过多目标优化获得的前、后悬置动刚度最优值分别为（4 7 6,4 7 6,4 5 1），(229,229,854)N/mml1)表1动力总成惯性参数参数试验结果动力总成质量/kg584.5动力总成质心位置坐标/mm(-94.5,-9.59,62.44)（整车坐标系）Ixx2.09107转动惯量/7.7107(kgmm)（基于动力总成7.09107质心位置，方向与Ixy3.5105整车坐标系1yz-9.112105方向相同）Ixz6.4771062.2悬置结构设计为了研究该悬置结构的性能特点、提升
18、悬置的设1252023年1 0 月沈保山，等于多参数可调悬置的动力系统隔振性能优化计效率，文中通过有限元法对影响轴、径向刚度比例关系的各参数进行了研究，即采用ABAQUS软件中的Mooney-Rivlin橡胶模型研究锥角、厚度W、高度H等参数对轴、径向刚度比的影响，各主要参数图示如图6所示，各参数对刚度比的影响如图7 所示，W图6各主要参数图示1.51.20.90.6锥角-刚度比0.3厚度-刚度比高度-刚度比00204060锥角/）、厚度/mm、高度/mm图7各参数对刚度比的影响鉴于橡胶悬置轴、径向刚度比受锥角、厚度影响较为明显的特点，文中采用上悬置锥角和厚度与下悬相等、高度存在差异的方案保证
19、上、下悬置的刚度比及刚度基本一致。当采用邵氏硬度为5 5 的天然橡胶、动静刚度比为1.3 时，通过调整各参数及结构特征（如开槽、局部凸起等）获得满足刚度要求的前悬置结构，如图8 所示。因后悬置轴向刚度与径向刚度比达到3.7 3，如通过增大锥角来实现该比值，将造成悬置直径较大，无法满足装配空间及提高制造成本等问题，因此，文中采用了基本结构的演变结构一一两相同悬置总成对称装配结构，如图9 所示。(a)正截面图(b)俯视图图8前橡胶悬置结构径向下限悬置总成动力总成支架固定横梁限位间距下支座亻位间距上限位间距(a)正面视图(b)侧截面图图9后橡胶悬置结构2.3悬置刚度调整特性研究为获得该悬置的刚度调整
20、特性，文中对不同调整状态下的悬置刚度进行了计算，即对三维模型进行几何处理、网格划分后，采用梁单元模拟刚度调整螺栓，并进行工况定义。因该工况涉及边界和几何非线性问题，容易产生不收敛问题，所以文中在每个分析步中都使用了Nlgeom及Controls关键字，提升分析的收敛性能，具体工况定义如下。分3 个分析步,均采用Static分析方法：第1 个分析步为起始分析步,约束外骨架两螺栓固定孔的所有自由度；第2 个分析步为螺栓预紧力加载工况，在梁单元中点处施加螺栓预紧力，以模拟悬置橡胶所受到的预压；第3 个分析步为强制变形工况，固定螺栓预紧力下上、下内骨架的位移,并在中间梁单元的节点上分别施加轴向和径向3
21、 mm强制位移，其工况定义模型如图1 0 所示。梁单元轴向或径向螺栓预紧力强制位移轴向或预紧力位移固定径向强制位移固定（a）前悬置刚度计算有限元模型该两区域建立接触关系（b）后悬置刚度计算有限元模型图1 0刚度计算有限元模型126机计设械第4 0 卷第1 0 期提交计算后，通过后处理可获得强制位移作用点上的支反力，从而得到不同预载位移下，悬置总成在03mm位移范围内的刚度变化曲线，如图1 1 所示(/500轴向刚度一径向刚度400300200100-10-8-6-4-202468单个内骨架预载位移/mm（a）前悬置预载位移-轴向、径向刚度曲线2.500轴向刚度(/)/径向刚度2.0001500
22、1000500-10-86-4-202468单个内骨架预载位移/mm（b）后悬置预载位移-轴向、径向刚度曲线图1 1预载位移-轴向、径向刚度曲线由图1 1 可以得知,前、后悬置的特性如下：(1)前悬置轴向、径向刚度值均随预压位移的增大而增大，且轴向刚度的增大略快于径向，轴向、径向刚度比值变化较小，有利于隔振性能的保证；(2)后悬置轴向刚度值随预压位移的增大而增大，且当预压位移超过5.5 mm后，部分橡胶变形与下支座接触引起轴向刚度增大迅速；（3）后悬置径向刚度值基本保持不变；（4)各悬置的轴向刚度调整范围均可达到1 5%范围，可有效补偿制造误差造成的刚度偏差。3试验验证3.1多参数可调橡胶悬置
23、刚度试验通过旋转上调整螺栓使悬置处于不同预载位移状态下，利用测试设备对其静刚度进行测试，如图1 2 所示，理论计算结果与试验结果对比如图1 3 所示。由图13可以看出，前、后悬置刚度理论计算值与试验值随预载位移变化的趋势较为一致，但因模型中橡胶的属性及接触区域定义与实际存在差异，导致随着预载位移的增大，刚度误差逐渐增大图1 2悬置三向刚度测试试验700(u/)/回理论轴向刚度600理论径向刚度500试验轴向刚度试验径向刚度400300200100-10-8-6-4-202468单个内骨架预载位移/mm（a）前悬置刚度曲线对比2.500F理论轴向刚度(/理论径向刚度2000试验轴向刚度试验径向刚
24、度15001000500-10-8-6-4-202468单个内骨架预载位移/mm(b)后悬置刚度曲线对比图1 3计算与试验的预载位移-刚度曲线对比3.2悬置系统隔振性能试验为检验该悬置结构在整车中的隔振效果，进行了怠速及缓加速工况下的悬置隔振性能测试。在缓加速工况无共振的条件下，怠速工况时刚度调校前、后悬置隔振率及车身关键点振动机速度分别如表2、表3 所示。表2怠速工况悬置隔振率dB状态刚度调校前刚度调校后位置XYZXYZ左前21.016.716.224.220.619.1左后21.113.712.916.223.722.8右前18.719.714.028.317.519.3右后13.012.
25、515.318.317.521.6表3急速工况车身关键点振动加速度m/s2刚度调校前刚度调校后状态综合振综合振位置XYZXYZ动烈度动烈度方向盘1 2 点2.091.762.753.881.821.522.103.17座椅导轨0.250.420.850.98 0.280.380.720.861272023年1 0 月沈保山，多参数可调悬置的动力系统隔振性能优化由表2 和表3 可以看出，通过调校工作修正悬置刚度后，各悬置的隔振率提升明显，使方向盘1 2 点钟位置及座椅导轨位置的综合振动烈度分别减小了18.3%和1 2.2%，有效提升了悬置系统的隔振率。4结论(1)设计了一种刚度和支撑高度均可调、
26、各向均可限位的橡胶悬置结构，装调方便，有利于提升悬置系统的环境适应性、隔振性能及开发效率。（2）通过有限元法，研究了不同锥角、厚度、高度等参数对轴向、径向刚度比例系数的影响,有利于悬置结构设计效率的提升。(3)依据某具体车型的前、后悬置最优刚度值，完成了前、后橡胶悬置的结构设计,并采用理论计算与试验测试的方法研究了预载位移与轴向、径向刚度的关系,进一步明确了该橡胶悬置刚度可变范围（4)对某具体车型的动力悬置系统进行了悬置刚度调校及隔振性能测试，测试结果表明：刚度调校后方向盘1 2 点钟及座椅导轨位置的综合振动烈度较调校前分别减小了1 8.3%和1 2.2%，有效提升了该悬置系统的隔振性能。参考
27、文献1童东红，郝志勇.动力总成悬置系统优化及稳健性分析J.汽车技术,2 0 1 4(2):1 9-2 4.2徐中明，李晓，刘和平.纯电动汽车动力总成悬置系统的优化J.汽车工程2 0 1 2,3 4（9）：8 0 6-8 1 0.3周宇杰，雷刚，贺艳辉，等.基于惯性参数的动力总成悬置系统解耦分析J.噪声与振动控制,2 0 1 7,3 7（6）：9 4-9 7.4卢炽华，刘永臣，刘志恩，等.基于遗传算法的动力总成悬置模态解耦及隔振性能优化J.振动与冲击，2 0 1 8,3 7(14):248-253.5伍建伟，刘夫云，李娇，等.基于遗传算法汽车动力总成悬置系统解耦优化J.噪声与振动控制，2 0 1
28、 5,3 5（5）：7 7-81.6何智成，刘红谱，郝耀东，等.基于动力总成-整车模型的发动机等效激励参数识别J.振动与冲击，2 0 1 7,3 6(18):154-163.7林新有，郝耀东，何智成，等.基于动力总成-车耦合模型的动力悬置系统振动性能研究J.汽车工程学报，2 0 1 7，7(7):357-367.8吴行，郑玲，廖光亮，等.汽车动力总成悬置优化设计分析J.噪声与振动控制,2 0 1 8,3 8（S1)：2 9 6-3 0 2.9杨志远，陈剑，沈忠亮.基于整车的动力总成悬置系统多目标稳健优化J.合肥工业大学学报：自然科学版，2016,39(10):1305-1310.10张志强，徐
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