动力总成悬置系统刚度优化研究获奖科研报告

动力总成悬置系统刚度优化研究获奖科研报告摘要：汽车动力总成悬置系统是指动力总成与车架或车身之间的弹性连接系统，它起着支承、隔振和限位的作用，该系统性能设计的优劣直接关系到发动机振动向车体的传递，影响整车的NVH（Noise，VibrationandHarshness）性能。

关键词：车辆工程；动力总成；悬置系统；解耦；NVH

引言：

随着汽车工业的发展和道路条件的不断改善，发动机成为汽车振动的主要振源。一组合适的悬置系统能起到很好的隔振作用，提高乘坐舒适性。悬置系统的设计需要达到共振频率的合理分配、提高主振动方向的能量解耦率和限制振动位移过大的目标。传统的优化设计方法是在共振频率和解耦率满足要求的条件下求得悬置系统刚度的确定性最优解。

1动力总成悬置系统

1.1动力总成悬置系统简化建模

动力总成悬置系统固有频率远远小于动力总成弹性模态频率，因此在对悬置系统进行研究时常将动力总成和车架假定为刚体。用于发动机和车架连接的橡胶悬置，由于阻尼不大，且动力总成是小幅振动，因此建模时其阻尼予以忽略；悬置的3向刚度则用3个相互垂直的弹簧连接表示，这3条轴线为弹性主轴。此外，建立模型时需建立几个坐标系：①定坐标系G0-XYZ，原点G0位于动力总成静平衡时的质心；Z轴平行于曲轴轴线，指向发动机前方；Y轴垂直于曲轴方向向上；X轴按右手定则确定。②动坐标系GXYZ，原点G固结在动力总成质心处，静平衡时动、定坐标系重合。动力总成刚体振动是由动坐标系相对于定坐标系平动和绕3个坐标轴转动合成。因此广义坐标为X、Y、Z、θx、θy、θz[5-6]。基于此，动力总成悬置系统简化力学模型和ADAMS模型分别如图1。发动机为4点悬置，前后各2点，变速箱前面与发动机后部螺栓连接，后面为1点悬置，每个点为3自由度，故动力总成悬置系统模型共15自由度。

在扁担梁柔性体相应位置施加X、Y、Z这3个方向力得到力-变形曲线，其斜率即为单向刚度，其X、Y、Z这3个方向刚度分别为：12000、3100、1420N/mm。

1.2优化前仿真结果对模型中各元件赋值，如对于动力总成输入质心位置、转动惯量等参数，各悬置输入初始刚度值。经过ADAMS振动分析求解器Vibration求解得到优化前系统前6阶模态频率及能量占比分布见表1。

1.3变速箱弹性支撑刚度

發动机悬置的3向刚度一般可从悬置供应商处直接获得，但变速箱弹性支撑——扁担梁则需要通过一定技术手段获取。笔者采用柔性体建模方法获得扁担梁刚度曲线，采用柔性体方法获取刚度曲线具体步骤为：将3D模型导入有限元分析软件，划分网格、定义外连接点、设置模态信息，将模型导出mnf柔性体文件，最后将柔性体文件导入ADAMS添加约束及载荷，查看刚度曲线。笔者对悬置系统进行优化设计选用的是6缸4冲程发动机，其怠速转速为600r/min，故怠速激振频率为30Hz。按照隔振理论，悬置系统最高频率不得超过激振频率的1/√2倍，即21.2Hz。同时考虑到路面激励及底盘系统影响，悬置系统最小频率应高于5Hz。由表1可看出：优化前悬置系统第6阶固有频率过高，同时第1、6阶方向的能量占比分别只有62.99%和70.48%，解耦度不高。因此该悬置系统需要进行优化。

2动力总成悬置系统优化

2.1能量解耦法通常动力总成悬置系统的6个刚体模态之间存在不同程度的耦合，耦合作用会导致系统隔振性能变差，降低汽车舒适性。目前常采用能量解耦法对动力总成悬置系统进行优化。它有两个优点：1）可以在原坐标系上对系统解耦：2）仅需对系统进行自由振动分析即可求得刚体模态参数，具有普遍的实用性。能量解耦率的高低是评价悬置系统隔振设计好坏的一个重要指标。当系统做第m阶模态振动时，第l方向的广义坐标分配的能量分布digml为

式中：Em为第m阶模态频率下各方向振动的总能量，m=1，2，…，6：Eml为第m阶模态频率下第l方向的振动能量。φml为第m阶模态振动时第l方向的振型：φmj为第m阶模态振动时第j方向的振型，l﹑j=1，2，…，6：Mlj为系统质量矩阵M中第l行、第j列元素。digml反映系统做第m阶模态振动时，第l方向的广义坐标与其他坐标间的耦合程度。digml数值越大，表示系统解耦程度越高。当digml=100%时，表示系统完全解耦，即系统第l方向的广义坐标上的运动与其他坐标上的运动彼此独立。

2.2目标函数的建立

悬置系统要求6个运动方向尽可能解耦，因此悬置系统优化设计问题归为一个多目标函数的优化问题。但是由于悬置系统的复杂性，使得求解多目标函数的优化问题比较困难，因此一般都采用线性加权的方法将多目标优化问题转化为单目标优化问题来解决，因此，取悬置系统6个广义坐标对应的主振动能量分布的加权函数和作为优化目标函数。定义目标函数f（x）为：

式中：βm为加权因子。对于纵置发动机，其主要激励集中于沿Z方向的垂向模态和绕X轴方向的滚转模态，故此两阶模态解耦程度要求较高。在优化过程中，此两阶模态的加权因子取值较大：此外，根据多次的优化结果调整加权因子，以便获得最优结果。

2.3设计变量选择

由式可知，解耦程度与质量矩阵和刚度矩阵相关。系统质量矩阵由动力总成的质量和惯性参数决定：系统刚度矩阵由悬置安装角度、安装位置及悬置刚度决定。某国产商用车现处于造车阶段，因而动力总成、各悬置在车身上的安装位置和安装角度不能改变，即不能作为优化对象，因此仅能选取各悬置元件刚度作为设计变量。

3实车振动试验

众所周知，悬置系统并不是汽车中独立的振动系统，单独分析悬置系统的优化结果只是停留在它的理论设计阶段，因此，根据计算结果开发新悬置样件，安装样件到汽车上，进行实车振动试验，以测得的悬置隔振率来论证优化后悬置系统的隔振性能。发动机机体、车身的振动加速度都是随机信号，振动加速度的幅值也是随机变量，所以工程实践常用加速度均方根值