减振器支柱总成衬套对整车NVH性能影响

减振器支柱总成衬套对整车NVH性能影响

王灿,  ,侯福增  ,郭炎

长城汽车股份有限公 河北省汽车技术创新中心  河北保定   071000

摘要：悬架总成中的橡胶衬套作为悬架系统各构件的连接元件，对悬架及整车的NVH性能有很大影响。建立含减振器支柱总成橡胶衬套及不含相应衬套的整车振动系统数学模型，求解得到，橡胶衬套可有效地改善整车的 NVH 性能；基于ADAMS/CAR 建立整车平顺性仿真模型，仿真结果验证了数学模型及分析结果的准确性；基于该数学模型采用灵敏度分析方式研究不同连接处衬套刚度对整车振动响应的影响并进行优化设计，结果表明，优化衬套刚度可进一步提升整车的NVH性能。研究结果对整车NVH性能的优化设计具有一定的参考意义。

关键词：橡胶衬套；整车振动数学模型；整车动力学仿真；NVH

1 引言

汽车悬架作为底盘系统的关键部件，起着衰减路面激励的重要作用，其性能的好坏决定着整车的操纵稳定性、平顺性及NVH性能。影响悬架性能的因素很多，橡胶衬套作为悬架系统各构件的连接元件，是影响悬架性能的重要因素之一。橡胶衬套主要是用于约束悬架构件间的相对运动、缓冲各构件之间的振动冲击以及弥补装配制造误差等。

因此，研究悬架衬套对整车及悬架性能的影响，对提高车辆的 NVH 性能有着重要的实际意义。以某款开发中的车型为研究对象，建立包含减振器支柱总成各连接衬套（减振器连接车身衬套、弹簧连接车身衬套、减振器底部衬套）的整车数学理论模型，通过整车动力学仿真验证理论模型的正确性，并在此基础上优化相关衬套刚度，提升该车型的 NVH 性能。

2 多自由度整车理论模型的建立与求解

2.1 整车数学模型的建立

当前，对于橡胶衬套力学特性的研究主要有 Kelvin-Voigt 理论、三参数Maxwell理论，BERG理论、DZIERZEK理论等四种半经验理论。综合分析各种理论模型的特点，基于其与整车振动分析模型结合的简洁性及有效性，选取刚度、阻尼相并联的Kelvin-Voigt 模型，建立考虑相应连接衬套的整车振动模型。所研车型前悬架为麦弗逊悬架，其减振器、弹簧及连接衬套组成减振器支柱总成，后悬架为多连杆悬架，弹簧独立于减振器安装在H控制臂处。根据所研车辆的实际结构，建立包含减振器支柱总成各连接衬套的整车振动模型。

2.2 整车模型的求解

目前，对于路面激励的研究已经很成熟，在时域内对其有多种计算方法，采用滤波白噪声法来模拟路面不平度模型。

在相同的路面激励下，含相应连接衬套的整车数学模型与不含各衬套的整车数学模型相比，车身垂向振动响应趋势基本一致，振动幅值有所降低。通过计算两模型车身垂向加速度的均方根值，得含衬套与不含衬套模型的车身垂向振动响应均方根值分别为0.538m/s2、0.560m/s2，相对减小了3.93%；两模型均在2Hz附近（车身共振处）与12Hz附近（车轮共振处）出现振动峰值，这与所研车辆的实际情况一致；在（1~10）Hz 的低频段内两模型的垂向加速度功率谱密度基本一致，当频率大于 10Hz，主要在（50~90）Hz 的中高频率段内，含衬套模型的车身垂向振动明显低于不含衬套模型的车身垂向振动，说明减振器支柱总成衬套对衰减由路面激励产生的振动起着关键的作用，尤其对高速行驶车辆的中高频振动衰减作用更显著，这主要是因为减振器不容易衰减由路面产生的中高频激励，使较多的中高频振动能量传递至橡胶衬套，衬套通过自身的变形可吸收较多的能量达到衰减振动的效果，提升车辆高速行驶的平顺性和NVH性能。

3 整车动力学仿真

为验证理论分析的正确性，利用 ADAMS/CAR 软件建立整车的虚拟样机模型，进行整车平顺性仿真。所研究的车型，前悬架采用的是麦弗逊式悬架，后悬架采用的是 H 臂型多连杆独立悬架，根据车辆部件的实际结构及相关硬点坐标，在ADAMS/CAR中分别建立前、后悬架仿真模型。由于需要分析含相应连接衬套与不含相应连接衬套的整车仿真模型，建立悬架模型时，在各连接处建立了刚性连接。

有、无衬套模型的理论计算与仿真分析结果的相关参数的均方根值及变化的百分比基本一致，表明所建立的考虑减振器支柱总成衬套的整车理论模型是正确可靠的，可用其进行衬套的优化设计研究，以提升整车 NVH 性能。

4 衬套力学特性对整车 NVH 影响的研究及优化

4.1 衬套力学特性对整车 NVH 影响的研究

基于正确的整车模型，研究相关衬套参数变化对整车平顺性的影响，衬套的力学特性参数主要有阻尼特性和刚度特性，由于衬套阻尼的改变对车身参数几乎无影响，此处不作讨论。为了直观地观察衬套刚度变化对车辆平顺性的影响，此处基于Simulink自带的优化工具箱，以车身垂向加速度均方根值最小为设计要求，以衬套刚度 为设计变量进行灵敏度分析，考虑衬套刚度对平顺性与操纵性影响的矛盾性，其不能取太大与太小，此处取各衬套刚度的0.2倍与5倍作为设计变量的最小值与最大值，在每个刚度区间内通过随样抽样法产生100个样本，计算结果。

由相关系数（Correlation）、偏相关系数（PartialCorrelation）与标准回归系数（Standardized Regression）评价得到的灵敏度结果。相关系数绝对值越接近1，说明自变量对设计要求的影响越大，偏相关系数与相关系数的差别在于不考虑各变量间的相互作用，标准回归系数主要用于评价呈线性关系的自变量与因变量的影响关系，绝对值越大，自变量的改变对因变量的影响越大。

4.2 衬套刚度的优化

由上述衬套刚度灵敏度的分析结果可知选取适当的衬套刚度，可改善车辆的NVH性能。此处基于遗传算法，以车身加权加速度均方根值最小为优化目标，由于衬套刚度不仅影响车辆的平顺性，也对车辆的操纵稳定性起着关键的作用，而且一般来说平顺性与操纵稳定性是相互矛盾的，为了在得到较好平顺性的同时保证车辆的操纵稳定性与安全性，以动挠度、动行程、侧倾角与俯仰角为约束条件，对衬套刚度进行优化。

5 结论

针对当前整车振动模型研究的不足之处，建立了综合考虑减振器支柱总成各衬套的整车振动模型，通过理论与仿真相结合的方式，就衬套对整车 NVH 的影响进行了一定的研究，取得了以下成果：

（1）根据所研车型建立了含减振器支柱总成各连接衬套的整车振动理论数学模型，并基于随机路面激励模型进行了整车振动模型的求解分析。

（2）通过 ADAMS/CAR的虚拟样机仿真验证了理论模型的正确性，理论与仿真结果均表明减振器支柱总成各衬套可有效改善整车的NVH性能。

（3）基于Simulink 灵敏度分析的方法研究了各衬套刚度对车辆平顺性的影响，并基于此对衬套刚度进行了优化设计，结果表明，适当选取衬套刚度可以进一步有效改善整车的NVH性能，研究结果可以为整车性能的优化设计提供一定的参考。

参考文献:

［1］姜栋，高翔，刘义.橡胶衬套刚度对悬架弹性运动影响的研究［J］.机械设计与制造，2011（10）：207-209.

［2］李欣冉，陈晓新，王家恩.橡胶衬套对汽车悬架系统 NVH 性能影响研

究.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（5）：581-584.

［3］徐东镇，张祖芳，夏公.整车路面不平度激励的仿真方法研究［J］.图学学报，2016，37（5）：668-674.

［4］卢凡，陈思忠.汽车路面激励的时域建模与仿真［J］.汽车工程，2015，

37（5）：549-553.

［5］张立军，陈双，李刚.悬架橡胶件对汽车平顺性影响的仿真与实验研

究［J］.汽车工程，2013，35（3）：238-242.