發(fā)動機懸置系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計

孫偉 金明 王曉東

摘 要：懸置系統(tǒng)作為車輛動力總成的重要部件系統(tǒng)，在保證車內(nèi)振動和噪聲有效可控的同時，也是車輛可靠性和安全性的重要保障。本文以微型車為原型，建立發(fā)動機懸置數(shù)學模型，汽車在行駛過程中，發(fā)動機正常激勵下，對可能影響車輛NVH性能的因素進行研究和優(yōu)化。關(guān)鍵詞：懸置系統(tǒng)；發(fā)動機；優(yōu)化設(shè)計。

引言：

汽車的NVH性能是當下車輛購買者比較關(guān)注的車輛性能之一，車輛的NVH性能主要是汽車減振降噪方面的控制能力，而動力總成懸置系統(tǒng)對整車的振動和噪音有較大的影響，發(fā)動機是汽車上的主要振動源，懸置系統(tǒng)是連接車身與發(fā)動機的裝置，可見研究懸置系統(tǒng)的性能對整車的減振降噪有重要的意義。一方面，懸置系統(tǒng)較高的剛度有利于限制發(fā)動機運行過程中的位移，另一方面，懸置系統(tǒng)的剛度應(yīng)盡可能小些，減少由發(fā)動機傳向車身的振動，對懸置系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計能夠使懸置系統(tǒng)在以上兩個方面有一個較優(yōu)的解。

1系統(tǒng)力學模型

1.1動力總成懸置系統(tǒng)

耦合模型本文中研究對象采用三個懸置，為了考慮動力總成和車身的耦合，此處將懸置安裝點視為彈性節(jié)點，以該三個彈性節(jié)點之間的導納函數(shù)[H0]來代表車身的動特性。動力總成懸置系統(tǒng)簡化模型如圖1所示。采用拉格朗日方法可得到系統(tǒng)的振動微分方程。簡化模型中總計十五個自由度（動力總成六個自由度，左、右和后懸置處的三個彈性節(jié)點共九個自由度）。

以動力總成的質(zhì)心坐標系O-XYZ為標準，三個懸置點處的局部坐標系O1-u1v1w1、O2-u2v2w2、O3-u3v3w3的坐標軸見圖1所示。設(shè)廣義坐標為qe=[q0q1]T，其中，q0=[xyzαβγ]表示動力總成的位移矢量，q1=[u1v1w1u2v2w2u3v3w3]表示左懸置、右懸置、后懸置與車架三個彈性節(jié)點的位移矢量。不考慮阻尼時，系統(tǒng)振動微分方程可描述為

式（1）中Me、Ke分別是系統(tǒng)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，可以由系統(tǒng)動能表達式和系統(tǒng)勢能表達式推導而來。Fe=[FxFyFzMαMβMγ]是激振力矢量。質(zhì)量矩陣表達式如下

其中m為動力總成質(zhì)量，I為動力總成的各個轉(zhuǎn)動慣量和慣性積。剛度矩陣可表示為

其中

H可以由力錘敲擊實驗測得。Ei表示動力總成剛體質(zhì)心的運動引起剛體上懸置點三個方向運動的位移轉(zhuǎn)移矩陣。Ti矩陣表示夾角歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣。Ki表示第i個懸置在局部坐標系下的三個方向的剛度組成的剛度系數(shù)矩陣。

1.2自由度模型

解耦率是懸置系統(tǒng)的重要特性，由于動力總成固有頻率一般低于30Hz，將動力總成懸置系統(tǒng)簡化為一個空間六自由度系統(tǒng)。動力總成懸置系統(tǒng)只包含q0的6個自由度，在扭矩軸坐標系下，其運動微分方程為

該系統(tǒng)一般可采用發(fā)動機曲軸坐標系CXYZ、主慣性軸坐標系CXPYPZP和動力總成扭矩軸坐標系CXTYTZT表示，如圖2所示，這三種坐標系相互關(guān)聯(lián)，各坐標系可進行相互轉(zhuǎn)換，可通過歐拉角來表達?？紤]到動力總成在繞曲軸線的傾覆力矩作用下產(chǎn)生的實際運動是繞扭矩軸的轉(zhuǎn)動，因此選取扭矩軸能量解耦率作為優(yōu)化目標之一。

2車輛模型的建立

2.1路面激勵

汽車是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，假定左右車輪受到的路面激勵對稱于縱向軸線且相等，此種情況下，汽車振動系統(tǒng)可簡化為1/2車輛模型。當質(zhì)量分配系數(shù)接近1時，進而可簡化為二自由度懸架振動系統(tǒng)。垂直振動、俯仰振動與俯仰振動引起的車輛縱向水平振動都是和車輛行駛平順性有關(guān)。

2.2缸體受力

車輛發(fā)動機總成由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組構(gòu)成。曲柄連桿機構(gòu)作為活塞連桿組的重要組成部分，將混合氣燃燒后作用在活塞頂部的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力。機體組主要由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、氣缸套和氣缸墊等不動件組成，氣缸體和曲柄連桿機構(gòu)在工作情況下受力，缸體受力通過懸置作用于車架上。其中主要包括有氣體作用力、運動質(zhì)量的慣性力、旋轉(zhuǎn)運動件的離心力以及相對運動件的接觸表面所產(chǎn)生的摩擦力等。

2.3模型的建立

m2為發(fā)動機質(zhì)量，m1為車身非簧載質(zhì)量，c2為懸置系統(tǒng)阻尼系數(shù)，c1為減振器阻尼系數(shù)，k2為懸置剛度系數(shù)，k1為懸架剛度系數(shù)，x0為地面的擾動輸入，x1為車體位移，x2為動力總成位移，u為控制力，對懸架的能量輸入。由微分變換得出懸置系統(tǒng)的振動動力學方程

以?c為連續(xù)可調(diào)阻尼器阻尼力，νr=χ2-χ1為發(fā)動機質(zhì)量與車身質(zhì)量間的相對速度，c為阻尼器的阻尼系數(shù)，χ0為路面干擾，F(xiàn)eg為發(fā)動機激勵，則系統(tǒng)振動方程為：

令fc=c2vr，0≤c2≤2cm，2cm，為可變阻尼系數(shù)的上限值，將fc表示成?c=cmVr+（c2-cm）Vr，記c-cm=cm（c/cm-1）=cmu（t），則|u|≤1，系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為

式中n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，α為曲軸轉(zhuǎn)角，F(xiàn)j為慣性力，MJ為往復(fù)運動構(gòu)件質(zhì)量分量，F(xiàn)cy為離心力，MR為旋轉(zhuǎn)構(gòu)件集中質(zhì)量，F(xiàn)p為氣體作用力。

3懸置元件結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計

橡膠主簧是液壓懸置的主要承力構(gòu)件，要承受動力總成的垂向和側(cè)向的靜、動載荷，為了滿足在惡劣工況下工作和與金屬良好的粘接性，大多采用天然橡膠或丁腈膠。底座要求有良好的承力結(jié)構(gòu)和密封性能，金屬骨架要有足夠的強度和剛度，設(shè)計時應(yīng)避免應(yīng)力集中。可以選擇懸置支承處響應(yīng)力振幅最小為目標，進行設(shè)計。

4優(yōu)化計算結(jié)果分析

4.1橡膠懸置從材料和工藝方面使得性能發(fā)揮最優(yōu)，液壓懸置可考慮更優(yōu)的結(jié)構(gòu)以及適配性問題，兩者不能滿足多工況復(fù)雜情況的變化需求但成本較低；半主動懸架和主動懸置隔振性能較前兩者更好，其研制成為趨勢，如何提高其可控性，優(yōu)化算法和空間配置，降低成本是更值得思考的問題。

4.2汽車從一個代步工具變?yōu)楝F(xiàn)今居家必備的智能化產(chǎn)品，人們對車輛的綜合性能要求越來越高，隔振和降噪勢必更多地受到關(guān)注。從剛開始的解決破壞性維修難題，到如今的

控制懸置系統(tǒng)經(jīng)歷了從橡膠懸置、液壓懸置到半主動懸置、主動懸置的發(fā)展。因此，分析對比，尋找有效途徑，尋找更優(yōu)的解決辦法十分必要。

4.3本文在車輛振動和噪聲來源的基礎(chǔ)上，結(jié)合動力學模型，進行仿真分析，對懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計。從構(gòu)件的響應(yīng)力以及作用力曲線圖可看出，以響應(yīng)力振幅最小為目標出發(fā)，結(jié)合動力總成懸置系統(tǒng)配置，可達到減小振動和噪聲的目的，提高車輛平順性和乘坐舒適性。此法可以簡化系統(tǒng)，節(jié)約成本，利于下步實驗的開展。下一步的工作需要涉及實驗來驗證對懸置系統(tǒng)優(yōu)化的有效性，并對影響車輛NVH性能的因素加以全面控制。

結(jié)束語：

發(fā)動機懸置系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是一個相對復(fù)雜的過程，對懸置系統(tǒng)的剛度不僅要求其相對降低來滿足減少由發(fā)動機振動通過懸置系統(tǒng)傳遞給車身，造成車輛的NVH性能極差，影響車輛的性能，從而影響了消費者對車輛的購買欲望；另一方面，需要懸置系統(tǒng)的剛度相應(yīng)提高些，來滿足限制發(fā)動機動態(tài)位移。

參考文獻

[1] 陳樹勛，尹國保，黃錦成，韋齊峰，李志強.基于等效分析模型的發(fā)動機懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].工程力學，2013，30（11）：221-226.

[2] 郭林.某轎車動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[D].華南理工大學，2013.

[3] 楊凱.微型車動力總成懸置系統(tǒng)特性分析及優(yōu)化設(shè)計[D].武漢理工大學，2013.

[4] 苑衍靈.動力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與振動分析[D].青島理工大學，2012.

[5] 董良.汽油發(fā)動機振動測試與隔振優(yōu)化研究[D].吉林大學，2012.