悬置系统设计学习路线，从汽车悬置系统六自由度解耦分析开始

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导读：2024年2月6日，仿真秀2023年度用户好评的“受用户好评的仿真好内容”名单公示。由仿真秀2022年度优秀讲师、教授级高级工程师，汽车行业从业27年,负责过发动机悬置系统、发动机前端附件驱动系统、动力总成操纵系统设计开发、离合器开发、汽车燃油系统开发,在汽车动力学模拟及仿真技术和汽车噪声振动控制方面有较为深入的研究，发表论文30余篇的吕老师原创的视频课程《汽车NVH悬置系统开发案例8讲》荣获仿真秀2023年度“受用户好评的仿真好内容”（见下文）。

本文旨在向悬置系统设计工程师或NVH工程师从悬置系统六自由度解耦分析的不足之处及解决办法出发。学习汽车规悬置系统分析内容和解决方案出发，一起探索我20年+精心耕耘“的汽车悬置系统设计”的学习路线和仿真知识体系。以下是正文：

一、写在文前

常规悬置系统分析通常会进行六自由度解耦分析（见图1）。它的设计目标一般包括以下方面：

1. 最大固有频率应满足隔振要求，即小于1/2倍的怠速激励频率；

2. 固有频率应避开人体座椅Z向敏感频率范围5~7Hz；

3. 各阶频率间隔大于1Hz，以避免模态相邻太近导致耦合；

4. 不同激励模态之间需要避免耦合，例如对于四冲程四缸机而言，主激励方向为Bounce和Pitch，需要规定两者的最大耦合率；

5.Bounce模态频率范围的设计需要考虑前舱的模态频率。

图1六自由解耦简化模型

在满足以上频率要求的基础上，我们希望各自由度的能量解耦率越高越好。

然而，这种解耦分析也存在一些不足之处：无明确的量化关系

悬置系统的解耦率与表征NVH性能的悬置隔振和车内响应之间没有明确的量化关系，因为六自由度模型没有考虑车身质量、悬架和轮胎的刚度和阻尼对系统的影响，无法反映动力总成在整车环境下的模态和运动耦合。

图2六自由度解耦分析的不足之处

通过使用ADAMS建模进行悬置系统的六自由度和多自由度建模求解，我们发现表1和表2所得的动力总成和车身进行六自由度解耦分析的结果与表3和表4的12自由度和16自由度分析结果相比，在ry方向的模态差异不大，但解耦率变化很大。因此，常规的悬置设计规范中追求六自由度下的高解耦率是有局限性的。

表1 动力总成单独六自由度解耦

表2 车身单独进行六自由度解耦

表3 12自由度解耦

表4 16自由度解耦

解耦稳健性不足悬置系统的解耦计算受刚度波动的影响较大，通常不能覆盖生产存在的制造偏差范围。例如，现有制造水平下悬置刚度公差只能保证在±15%之内。如图3所示，后拉杆的刚度由180变化到190，变化值很小，但解耦率变化很大，已经不满足设计要求。

图3刚度变化对解耦率的影响

二、悬置系统设计的解决方案

为了解决以上问题，我们提出以下解决方案：

1、稳健性分析

悬置系统的稳健性分析旨在提高悬置系统在各种因素变化下的关键目标质量。

表5 刚度变化范围

可以对原始刚度方案进行系统稳健性分析，重点考察垂向和绕曲轴方向的能量解耦率大于90%、第一阶模态与7Hz之间的距离、第六阶模态与16Hz之间的距离小于1的参数。稳健性分析结果如图4所示。在原始方案下，EPitch的质量水平略低。通过稳健性优化（图5），EBounce的质量水平从>=8 sigma降至>=6sigma，仍然满足要求，而EPitch的质量水平则由2.3 sigma提升到8 sigma，稳健性显著提高。

图4原方案的6SIGMA分析结果

图5优化方案的6sigma 分析结果

2、多自由度分析

动力总成悬置系统的6DOF计算模型将车身简化为固定约束点，并未考虑车身质量、悬架和轮胎的刚度和阻尼，无法反映动力总成在整车环境下的模态和运动耦合。因此，在悬置系统的分析模型中，不仅应包括动力总成悬置系统的6个自由度，还需考虑车身或悬架的自由度，以构建一个多自由度的悬置系统计算模型（图6）。该模型可以考虑车身质量和模态，更符合实车振动状态。此外，该模型还可以考虑路面悬挂激励的影响，该激励通过悬置系统传递到动力总成上，提出了对悬置系统反向隔振的要求。

图6多自由度悬置系统分析模型

3、进行强迫响应分析

可以在动力总成质心处加载单位扭矩或者路面激励，通过优化六自由度悬置系统，使得各支撑力总和最小或者动力总成质心位移响应最小且解耦率最大。根据优化分析获得的结果来选取合适的悬置刚度和安装位置，可以减小悬置支撑力或降低动力总成响应，从而减小对车身振动响应的贡献量（见图7和图8）。具体的应用案例可以参考《基于动力总成质心位移及转角控制的悬置系统优化设计》这篇文章。