动力总成悬置支架振动噪声设计
NVH Design of Powertrain Mount Bracket
辛雨 火进 梁耕龙
(北京汽车新能源汽车有限公司 北京 102606)
摘 要：动力总成悬置支架振动噪声设计关系到整车振动噪声，它是动力总成悬置系统设计的必 要部分。本文介绍了悬置支架振动噪声设计方法，包括结构设计，模态设计，静刚度与动刚度设 计等。通过案例，分析了悬置支架结构与悬置布置、悬置解耦结果的关系；悬置支架的模态分析、 设计要求；悬置支架的静刚度设计方法及要求；悬置支架的动刚度设计及判断依据等。在悬置支 架模态计算、静刚度和动刚度计算中，使用 HyperMesh 软件进行几何处理，网格划分，使用 HyperView 或 HyperGraph 进行结果显示，可以大大提高悬置支架振动噪声设计的效率。
关键词：模态 静刚度 动刚度 HyperWorks
Abstract: NVH design of powertrain mount bracket is very important, and it is a necessary part of powertrain mount system design. It consists of structure design, modal design, stiffness design, point mobility design, etc. Structure design relates to mount arrangement and optimization of mount decoupling ratio. Modal of mount bracket is designed to prevent resonance. Stiffness is designed for vibration isolation efficiency of the mount system. Point mobility is essential for isolation of vibration of every frequency. When we calculate the modal, stiffness, point mobility of the mount bracket, HyperMesh software can help us in the geometry cleaning and the meshing, HyperView and HyperGraph software can help us display the result. Using HyperWorks software can greatly improve the design efficiency.
Key words: modal, stiffness, point mobility, HyperWorks
1 引言
悬置系统是指动力总成(包括发动机、离合器及变速器等)与车架或车身之间的弹性连接系统， 该系统的好坏直接关系到发动机与车体之间的振动传递，影响整车的振动噪声性能。在悬置系统 中，悬置起到支承发动机，衰减和隔离发动机振动的重要作用，对整车的振动噪声水平起到重要 影响。而悬置支架起到连接悬置与发动机、车架或车身的重要作用，悬置支架的设计成功与否， 对悬置系统本身的性能起到很大影响。
自从汽车振动噪声性能引起国内汽车公司重视以来，对动力总成悬置支架的优化设计就引起 了振动噪声工程师的一致重视，出现了一系列针对动力总成悬置支架进行优化的案例[1-4]。随着国 内振动噪声研究水平的不断提高，振动噪声工程师的工作已经从单纯的出现振动噪声问题后进行 优化，逐步转移到进行合理的正向振动噪声设计，并在样车设计的前期解决振动噪声问题的思路 上来[5]。
2 支架结构形式
动力总成悬置支架结构与发动机的布置，车架或车身上各零部件的结构布置相关。同时，动力总成悬置支架结构应满足动力总成悬置解耦优化设计中提出的悬置布置角度和位置要求。图 1为悬置解耦优化计算示例图，一般要求悬置解耦率在 85%以上，各悬置频率分隔 1Hz 以上。
动力总成悬置布置形式多样，简单的按照悬置个数可以分为二点悬置、三点悬置、四点悬置、以及常用于大功率发动机的五点和六点悬置等。由于与动力总成悬置的布置有关，悬置支架的结 构形式比较多，支架个数与悬置个数相关。总体来说，动力总成悬置支架分为主动侧悬置支架（动力总成侧）和被动侧悬置支架（车架或车身侧），结构如如图 2 所示。
3 支架模态设计
针对不同的发动机，对动力总成悬置支架的模态频率要求是不同的。动力总成悬置支架受发 动机振动影响较大，为了与发动机振动隔离，动力总成悬置支架频率应设置在怠速频率以下或额 定转速频率以上。低于发动机怠速频率的区域一般用于布置动力总成悬置系统的固有频率，同时 动力总成悬置支架的频率一般较高，设计在该段频率困难较大，因此动力总成悬置支架固有频率 一般布置在额定转速频率以上区域。
在进行动力总成悬置设计时，一般要求外部激励频率与系统固有频率之比至少达到 1.414 倍 时才能起到隔振作用。相对于该悬置设计规则，经验上一般以不低于发动机额定频率 2-3 倍的频 率为悬置支架频率设计值。一般也要求动力总成悬置支架的一阶模态频率在 500Hz 以上。
图 3 为对图 2 中动力总成悬置支架的模态计算结果。该悬置支架模态分析使用 HyperMesh进行网格划分，从而导出有限元模型进行模态计算，最后使用 HyperView 软件进行结果显示。计 算结果为：发动机侧支架一阶频率为 637.7Hz，二阶频率为 992.3Hz；车身侧支架一阶频率为504.1Hz，二阶频率为 685.2Hz。该悬置对应的发动机额定转速为 3600rpm，按 3 倍的发动机额 定转速对应频率计算，要求动力总成悬置支架一阶频率在 360Hz 以上，示例中悬置支架满足该要 求，且一阶频率在 500Hz 以上，满足振动噪声设计要求。
针对不同的发动机，对动力总成悬置支架的模态频率要求是不同的。动力总成悬置支架受发 动机振动影响较大，为了与发动机振动隔离，动力总成悬置支架频率应设置在怠速频率以下或额 定转速频率以上。低于发动机怠速频率的区域一般用于布置动力总成悬置系统的固有频率，同时 动力总成悬置支架的频率一般较高，设计在该段频率困难较大，因此动力总成悬置支架固有频率 一般布置在额定转速频率以上区域。
在进行动力总成悬置设计时，一般要求外部激励频率与系统固有频率之比至少达到 1.414 倍 时才能起到隔振作用。相对于该悬置设计规则，经验上一般以不低于发动机额定频率 2-3 倍的频 率为悬置支架频率设计值。一般也要求动力总成悬置支架的一阶模态频率在 500Hz 以上。
图 3 为对图 2 中动力总成悬置支架的模态计算结果。该悬置支架模态分析使用 HyperMesh进行网格划分，从而导出有限元模型进行模态计算，最后使用 HyperView 软件进行结果显示。计 算结果为：发动机侧支架一阶频率为 637.7Hz，二阶频率为 992.3Hz；车身侧支架一阶频率为504.1Hz，二阶频率为 685.2Hz。该悬置对应的发动机额定转速为 3600rpm，按 3 倍的发动机额 定转速对应频率计算，要求动力总成悬置支架一阶频率在 360Hz 以上，示例中悬置支架满足该要 求，且一阶频率在 500Hz 以上，满足振动噪声设计要求。
4 支架静刚度设计
动力总成悬置系统的隔振效果不仅取决于橡胶件的刚度，还与悬置支架的刚度有关。支架-隔 振橡胶件-支架共同组成动力总成悬置系统，从而起到在发动机和车架或车身之间隔振与支承的作 用。悬置系统的总刚度可用下式表示：
动力总成悬置系统的隔振效果不仅取决于橡胶件的刚度，还与悬置支架的刚度有关。支架-隔 振橡胶件-支架共同组成动力总成悬置系统，从而起到在发动机和车架或车身之间隔振与支承的作 用。悬置系统的总刚度可用下式表示：
式中，K 为悬置系统总刚度，KE 为发动机侧支架刚度，KI 为隔振橡胶件刚度，KV 为车架或车身侧支架刚度。
根据上式悬置支架的刚度应尽量大，这样悬置系统的刚度就近似于隔振橡胶件的刚度，从而 使悬置系统达到好的隔振效果。一般来说，支架刚度应为隔振橡胶刚度的 6-10 倍。如图 4 所示为 某样车动力总成后悬置支架设计改进的实例。改进方案 1 相比原始方案加宽并加肋板，改进方案2 相比方案 1 降低了悬置高度。本静刚度优化实例中采用 HyperMesh 进行网格划分，然后导出有 限元模型进行计算，采用文本文档从结果文件中读取结果。
根据上式悬置支架的刚度应尽量大，这样悬置系统的刚度就近似于隔振橡胶件的刚度，从而 使悬置系统达到好的隔振效果。一般来说，支架刚度应为隔振橡胶刚度的 6-10 倍。如图 4 所示为 某样车动力总成后悬置支架设计改进的实例。改进方案 1 相比原始方案加宽并加肋板，改进方案2 相比方案 1 降低了悬置高度。本静刚度优化实例中采用 HyperMesh 进行网格划分，然后导出有 限元模型进行计算，采用文本文档从结果文件中读取结果。
在三个方案中，经过分析，其静刚度计算如下表。在加肋板及加宽后，后悬置的 Z 向静刚度 达到了要求，但 X 向和 Y 向刚度仍然不足；经过与设计部门协调相关布置，在改变悬置支架的高 度后，动力总成悬置支架三个方向的静刚度都满足了要求。
5 支架点动刚度设计
动力总成悬置系统的隔振效果不仅仅与静刚度有关，还与动刚度有关。动刚度是指单位位移 作用下，作用点沿位移作用方向的力随位移作用频率的变化。对于橡胶等粘弹性体减振元件，其 动刚度是描述减振性能的关键指标。对动力总成悬置支架来说，与支架动刚度密切相关的一个概 念是 Mobility [6]，它指在单位力作用下作用点沿力作用方向的速度随力作用频率的变化，反映零 部件的局部动态刚度特性；mobility 和动刚度之间的关系为：
动力总成悬置系统的隔振效果不仅仅与静刚度有关，还与动刚度有关。动刚度是指单位位移 作用下，作用点沿位移作用方向的力随位移作用频率的变化。对于橡胶等粘弹性体减振元件，其 动刚度是描述减振性能的关键指标。对动力总成悬置支架来说，与支架动刚度密切相关的一个概 念是 Mobility [6]，它指在单位力作用下作用点沿力作用方向的速度随力作用频率的变化，反映零 部件的局部动态刚度特性；mobility 和动刚度之间的关系为：
式中，ME 为发动机侧支架的 moblity，MI 为隔振橡胶件的 moblity，MV 为车架或车身侧支架 的 moblity。
由上式可知，当动力总成悬置支架的点动刚度远大于悬置的动刚度时，可有效隔离发动机的 振动。由于动刚度（Mobility）会随着频率而变化，所以需要在整个工作频率下对其进行考核。
一般要求动力总成悬置系统具有 20dB 以上的力传递损失，这相当于力传递率是 0.1， 振动的能量能量损失 99%。如果车架和动力总成的动刚度相同，并且其是悬置动刚度的 18 倍以 上，则可达到 20dB 的力传递损失。在图 4 的动力总成悬置支架优化实例中，各支架的 X 向点动 刚度如图 5 所示，经过计算其等效动刚度如表 2 所示。在完成计算后采用 HyperGraph 读取结果 曲线。由分析结果可知，改进方案 2 达到设计的动刚度目标值，可以作为实际设计方案。
由上式可知，当动力总成悬置支架的点动刚度远大于悬置的动刚度时，可有效隔离发动机的 振动。由于动刚度（Mobility）会随着频率而变化，所以需要在整个工作频率下对其进行考核。
一般要求动力总成悬置系统具有 20dB 以上的力传递损失，这相当于力传递率是 0.1， 振动的能量能量损失 99%。如果车架和动力总成的动刚度相同，并且其是悬置动刚度的 18 倍以 上，则可达到 20dB 的力传递损失。在图 4 的动力总成悬置支架优化实例中，各支架的 X 向点动 刚度如图 5 所示，经过计算其等效动刚度如表 2 所示。在完成计算后采用 HyperGraph 读取结果 曲线。由分析结果可知，改进方案 2 达到设计的动刚度目标值，可以作为实际设计方案。
6 总结
动力总成悬置支架设计是否合理影响整个悬置系统的性能；动力总成悬置支架 NVH 设计应 包括从悬置解耦来设计支架结构，悬置支架的模态设计，静刚度设计和动刚度设计等内容。
动力总成悬置解耦率一般要求在 85%以上，各悬置频率分隔 1Hz 以上；动力总成悬置支架的 频率要求在发动机额定或最高转速频率的 2-3 倍，一般要求第一阶模态频率在 500Hz 以上；动力 总成悬置支架静刚度要求为悬置静刚度的 6-10 倍；动力总成悬置支架动刚度要求在悬置动刚度的18 倍以上。
在悬置支架模态计算、静刚度和动刚度计算中，使用 HyperMesh 软件进行几何处理和网格 划分，使用 HyperView 和 HyperGraph 进行结果显示和曲线处理，可以大大提高悬置支架振动噪 声设计的效率。
7 参考文献
【1】陈继红.沈密群.发动机悬置系统的一些设计问题.噪声与振动， 1999（1）
【2】吴红.钱道新.发动机右悬置支架的优化.科技信息，2008 年第 25 期
【3】林涛.闫建涛.吕兆平.基于 CAE 分析变速器后悬置支架优化设计.装备制造技术，2010 年 10月
【4】廖抒华.成传盛.基于 ABAQUS 的某商务车发动机前悬置支架的创新设计.机械设计与制造，2012 年 6 月
【5】庞剑.谌刚.何华.汽车噪音与振动:理论与应用.北京理工大学出版社，2006.6
【6】孙学军.张静宜.基于 nastran 的车架 mobility 分析研究.2010 年 mscsoftware 中国用户论文 集，2010 年
动力总成悬置支架设计是否合理影响整个悬置系统的性能；动力总成悬置支架 NVH 设计应 包括从悬置解耦来设计支架结构，悬置支架的模态设计，静刚度设计和动刚度设计等内容。
动力总成悬置解耦率一般要求在 85%以上，各悬置频率分隔 1Hz 以上；动力总成悬置支架的 频率要求在发动机额定或最高转速频率的 2-3 倍，一般要求第一阶模态频率在 500Hz 以上；动力 总成悬置支架静刚度要求为悬置静刚度的 6-10 倍；动力总成悬置支架动刚度要求在悬置动刚度的18 倍以上。
在悬置支架模态计算、静刚度和动刚度计算中，使用 HyperMesh 软件进行几何处理和网格 划分，使用 HyperView 和 HyperGraph 进行结果显示和曲线处理，可以大大提高悬置支架振动噪 声设计的效率。
7 参考文献
【1】陈继红.沈密群.发动机悬置系统的一些设计问题.噪声与振动， 1999（1）
【2】吴红.钱道新.发动机右悬置支架的优化.科技信息，2008 年第 25 期
【3】林涛.闫建涛.吕兆平.基于 CAE 分析变速器后悬置支架优化设计.装备制造技术，2010 年 10月
【4】廖抒华.成传盛.基于 ABAQUS 的某商务车发动机前悬置支架的创新设计.机械设计与制造，2012 年 6 月
【5】庞剑.谌刚.何华.汽车噪音与振动:理论与应用.北京理工大学出版社，2006.6
【6】孙学军.张静宜.基于 nastran 的车架 mobility 分析研究.2010 年 mscsoftware 中国用户论文 集，2010 年
