汽车动力总成振动及其影响的综合技术

动力总成是汽车最主要的振动与噪声源。大部分汽车的NVH问题的源头都在于此。解决汽车NVH问题，必须从源头上去解决。因此，有必要掌握发动机激振力产生的原理及降低发动机激振力的有效措施。

动力总成的振动分两类。一类是低频范围内动力总成的刚体振动。这个振动系统是由动力总成的质量和隔振器的刚度及阻尼组成的。其振动形式包括三个方向的线性振动及绕三个轴的旋转振动。另一类是高频范围内的发动机零部件的弹性振动。比如缸体的弯曲振动、曲轴的弯曲和扭转振动等。这些振动都会在总体上表现为发动机输出激振力，直接引起各种NVH问题。

图14-1 动力总成的六个刚体模态

低频范围内，发动机作为一个刚体，有六个方向的振动：上下、前后、左右的跳动，以及绕三个轴的转动模态，如图14-1所示。

发动机的刚体运动是按照发动机本体的坐标系定义的。其原点定义为曲轴中心线与缸体后端面的交点。与气缸中心线平行为Z轴，正向指向缸盖一侧。曲轴中心线定义为X轴，正向指向发动机前端。Y向按照右手定则确定。在该坐标系下，发动机的六个刚体模态分别为：

前后运动：沿Y轴运动（T_x）

左右运动：沿X轴运动（T_y）

上下跳动：沿Z轴运动（T_z）

侧倾：绕X轴转动，也称为侧倾（R_x）

俯仰：绕Y轴转动，也称为俯仰（R_y）

横摆：绕Z轴转动，也称为横摆（R_z）

如果这些模态是彼此独立的，那么就可以把每个模态当成单自由度系统来处理。这样在处理一个模态的时候就不会影响到另外一个模态。模态彼此独立也称为模态解耦。当然，在实际工程中，要保证所有的模态相互之间都解耦是非常困难的。要视实际情况来决定到底需要对哪两个模进行解耦。比如，对于四缸发动机来说，上下跳动模态和侧倾模态对整车的影响非常大，所以，要尽量保证这两个模态相互之间解耦。而其他的几个模态，即使有稍许的模态耦合，也不会造成严重的问题。这样一来，就减少了解决问题的约束条件，可以有针对性且更有效地采取措施。(www.xing528.com)

在工程上，按照模态能量比例来评价模态之间是否有耦合。动力总成在作各阶次振动时，其能量分布在六个刚体模态上，根据动力总成系统的质量矩阵和刚度矩阵，可以求出系统在做各阶主振动时各个方向的振动能量所占的百分比，写成矩阵形式，便可得到系统的能量分布。当系统以第j阶固有频率振动时，第k个广义坐标所占的能量百分比E_ki为

式中，ϕ_j为系统的第j阶主振型，（ϕ_j）k为ϕ_j的第k个元素，m_kl为质量矩阵第k行、第l列元素。E_kj的值越大则系统的解耦程度就越高，100%表示完全解耦。

对于某个共振频率来说，可能是由若干个模态耦合而成的。而各个模态所占的总能量的百分比是不同的。下面以一个例子来进行详细说明，见表14-1。

表14-1 动力总成模态解耦

如对于7.03Hz时，R_y（俯仰）模态的能量高达89.43%，其他模态所占的能量百分比相对来说非常小，就认为这个频率时是侧倾模态。在这个频率点上各个模态之间是解耦的。而对于10.84Hz这个频率，左右运动模态能量为77.73%，但横摆（R_z）模态的能量也达到了12.83%。因此，在这个频率下，模态能量分布散，侧倾模态与横摆模态之间有耦合。

并不能说某个频率下，100%的能量属于一个模态才能算是解耦。一般在工程上，如果某个模态的能量比例达到85%以上，那么就认为这个模态与其他模态是解耦的。

在汽车开发设计阶段，做动力系统方案布置时，就需要制定一个表14-1所示的动力总成模态分布表，按照表格的样式进行动力总成各个模态的规划。并在悬置的选点及悬置刚度的设计，包括悬置支架的设计上，去满足上述要求。当样车生产出来以后，还要进行试验验证，以保证实车动力总成的各个模态满足设计要求，并对没能达到设计要求的模态进行调整。

动力总成模态规划表设计好以后，可以采取CAE分析计算的方法来选定相关的结构或参数，如悬置布置方案、悬置支架结构、悬置各个方向的刚度。把这些参数当做设计变量，对其进行调整计算，以达到模态规划目标。

动力总成除了刚体模态以外，还存在弹性模态。弹性模态具有高频特性，它所引起的振动和噪声问题也呈现高频特点。另外，动力总成的弹性振动还会影响车内噪声的品质。关于动力总成弹性模态的详细论述，请参考本章第四节。