動力總成懸置系統(tǒng)剛度優(yōu)化研究

孫慶勇 王登琦 蘇成林

摘 要：汽車動力總成懸置系統(tǒng)是指動力總成與車架或車身之間的彈性連接系統(tǒng)，它起著支承、隔振和限位的作用，該系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)振動向車體的傳遞，影響整車的NVH（Noise，Vibration and Harshness）性能。

關(guān)鍵詞：車輛工程；動力總成；懸置系統(tǒng)；解耦；NVH

引言：

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和道路條件的不斷改善，發(fā)動機(jī)成為汽車振動的主要振源。一組合適的懸置系統(tǒng)能起到很好的隔振作用，提高乘坐舒適性。懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要達(dá)到共振頻率的合理分配、提高主振動方向的能量解耦率和限制振動位移過大的目標(biāo)。傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是在共振頻率和解耦率滿足要求的條件下求得懸置系統(tǒng)剛度的確定性最優(yōu)解。

1動力總成懸置系統(tǒng)

1.1動力總成懸置系統(tǒng)簡化建模

動力總成懸置系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于動力總成彈性模態(tài)頻率，因此在對懸置系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)常將動力總成和車架假定為剛體。用于發(fā)動機(jī)和車架連接的橡膠懸置，由于阻尼不大，且動力總成是小幅振動，因此建模時(shí)其阻尼予以忽略；懸置的3向剛度則用3個(gè)相互垂直的彈簧連接表示，這3條軸線為彈性主軸。此外，建立模型時(shí)需建立幾個(gè)坐標(biāo)系：①定坐標(biāo)系G0-XYZ，原點(diǎn)G0位于動力總成靜平衡時(shí)的質(zhì)心；Z軸平行于曲軸軸線，指向發(fā)動機(jī)前方；Y軸垂直于曲軸方向向上；X軸按右手定則確定。②動坐標(biāo)系GXYZ，原點(diǎn)G固結(jié)在動力總成質(zhì)心處，靜平衡時(shí)動、定坐標(biāo)系重合。動力總成剛體振動是由動坐標(biāo)系相對于定坐標(biāo)系平動和繞3個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動合成。因此廣義坐標(biāo)為X、Y、Z、θx、θy、θz[5-6]。基于此，動力總成懸置系統(tǒng)簡化力學(xué)模型和ADAMS模型分別如圖1。發(fā)動機(jī)為4點(diǎn)懸置，前后各2點(diǎn)，變速箱前面與發(fā)動機(jī)后部螺栓連接，后面為1點(diǎn)懸置，每個(gè)點(diǎn)為3自由度，故動力總成懸置系統(tǒng)模型共15自由度。

在扁擔(dān)梁柔性體相應(yīng)位置施加X、Y、Z這3個(gè)方向力得到力-變形曲線，其斜率即為單向剛度，其X、Y、Z這3個(gè)方向剛度分別為：12000、3100、1420N/mm。

1.2優(yōu)化前仿真結(jié)果對模型中各元件賦值，如對于動力總成輸入質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，各懸置輸入初始剛度值。經(jīng)過ADAMS振動分析求解器Vibration求解得到優(yōu)化前系統(tǒng)前6階模態(tài)頻率及能量占比分布見表1。

1.3變速箱彈性支撐剛度

發(fā)動機(jī)懸置的3向剛度一般可從懸置供應(yīng)商處直接獲得，但變速箱彈性支撐——扁擔(dān)梁則需要通過一定技術(shù)手段獲取。筆者采用柔性體建模方法獲得扁擔(dān)梁剛度曲線，采用柔性體方法獲取剛度曲線具體步驟為：將3D模型導(dǎo)入有限元分析軟件，劃分網(wǎng)格、定義外連接點(diǎn)、設(shè)置模態(tài)信息，將模型導(dǎo)出mnf柔性體文件，最后將柔性體文件導(dǎo)入ADAMS添加約束及載荷，查看剛度曲線。筆者對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)選用的是6缸4沖程發(fā)動機(jī)，其怠速轉(zhuǎn)速為600r/min，故怠速激振頻率為30Hz。按照隔振理論，懸置系統(tǒng)最高頻率不得超過激振頻率的1/√2倍，即21.2Hz。同時(shí)考慮到路面激勵及底盤系統(tǒng)影響，懸置系統(tǒng)最小頻率應(yīng)高于5Hz。由表1可看出：優(yōu)化前懸置系統(tǒng)第6階固有頻率過高，同時(shí)第1、6階方向的能量占比分別只有62.99%和70.48%，解耦度不高。因此該懸置系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)化。

2動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化

2.1能量解耦法通常動力總成懸置系統(tǒng)的6個(gè)剛體模態(tài)之間存在不同程度的耦合，耦合作用會導(dǎo)致系統(tǒng)隔振性能變差，降低汽車舒適性。目前常采用能量解耦法對動力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）可以在原坐標(biāo)系上對系統(tǒng)解耦：2）僅需對系統(tǒng)進(jìn)行自由振動分析即可求得剛體模態(tài)參數(shù)，具有普遍的實(shí)用性。能量解耦率的高低是評價(jià)懸置系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)做第m階模態(tài)振動時(shí)，第l方向的廣義坐標(biāo)分配的能量分布digml為

式中：Em為第m階模態(tài)頻率下各方向振動的總能量，m=1，2，…，6：Eml為第m階模態(tài)頻率下第l方向的振動能量。φml為第m階模態(tài)振動時(shí)第l方向的振型：φmj為第m階模態(tài)振動時(shí)第j方向的振型，l﹑j=1，2，…，6：Mlj為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣M中第l行、第j列元素。digml反映系統(tǒng)做第m階模態(tài)振動時(shí)，第l方向的廣義坐標(biāo)與其他坐標(biāo)間的耦合程度。digml數(shù)值越大，表示系統(tǒng)解耦程度越高。當(dāng)digml=100%時(shí)，表示系統(tǒng)完全解耦，即系統(tǒng)第l方向的廣義坐標(biāo)上的運(yùn)動與其他坐標(biāo)上的運(yùn)動彼此獨(dú)立。

2.2目標(biāo)函數(shù)的建立

懸置系統(tǒng)要求6個(gè)運(yùn)動方向盡可能解耦，因此懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題歸為一個(gè)多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題。但是由于懸置系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得求解多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題比較困難，因此一般都采用線性加權(quán)的方法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題來解決，因此，取懸置系統(tǒng)6個(gè)廣義坐標(biāo)對應(yīng)的主振動能量分布的加權(quán)函數(shù)和作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。定義目標(biāo)函數(shù)f（x）為：

式中：βm為加權(quán)因子。對于縱置發(fā)動機(jī)，其主要激勵集中于沿Z方向的垂向模態(tài)和繞X軸方向的滾轉(zhuǎn)模態(tài)，故此兩階模態(tài)解耦程度要求較高。在優(yōu)化過程中，此兩階模態(tài)的加權(quán)因子取值較大：此外，根據(jù)多次的優(yōu)化結(jié)果調(diào)整加權(quán)因子，以便獲得最優(yōu)結(jié)果。

2.3設(shè)計(jì)變量選擇

由式可知，解耦程度與質(zhì)量矩陣和剛度矩陣相關(guān)。系統(tǒng)質(zhì)量矩陣由動力總成的質(zhì)量和慣性參數(shù)決定：系統(tǒng)剛度矩陣由懸置安裝角度、安裝位置及懸置剛度決定。某國產(chǎn)商用車現(xiàn)處于造車階段，因而動力總成、各懸置在車身上的安裝位置和安裝角度不能改變，即不能作為優(yōu)化對象，因此僅能選取各懸置元件剛度作為設(shè)計(jì)變量。

3實(shí)車振動試驗(yàn)

眾所周知，懸置系統(tǒng)并不是汽車中獨(dú)立的振動系統(tǒng)，單獨(dú)分析懸置系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果只是停留在它的理論設(shè)計(jì)階段，因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果開發(fā)新懸置樣件，安裝樣件到汽車上，進(jìn)行實(shí)車振動試驗(yàn)，以測得的懸置隔振率來論證優(yōu)化后懸置系統(tǒng)的隔振性能。發(fā)動機(jī)機(jī)體、車身的振動加速度都是隨機(jī)信號，振動加速度的幅值也是隨機(jī)變量，所以工程實(shí)踐常用加速度均方根值描述振動加速度幅值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

結(jié)束語：

利用ADAMS軟件進(jìn)行懸置系統(tǒng)建模仿真優(yōu)化可達(dá)到預(yù)期。另外利用此方法可縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行有效預(yù)測并減小了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)及優(yōu)化提供了一條有效途徑。

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