某國產(chǎn)SUV懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與隔振測試評價

陶慶水，張亞新，鐘海兵，劉建勛，朱石沙( .湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭405；.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲4000)

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某國產(chǎn)SUV懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與隔振測試評價

陶慶水1, 2，張亞新2，鐘海兵2，劉建勛2，朱石沙1
( 1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭411105；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412000)

摘要：動力總成懸置系統(tǒng)是汽車振動子系統(tǒng)之一，其性能對于整車NVH性能具有很大影響。以某國產(chǎn)SUV懸置系統(tǒng)作為研究對象，基于能量解耦法思想采用Isight集成Adams對懸置系統(tǒng)初始剛度進(jìn)行匹配優(yōu)化，優(yōu)化后懸置系統(tǒng)垂向與繞曲軸轉(zhuǎn)動方向解耦率由原來52.2 %、45.9 %提高到90.3 %、85.4 %，其他四個方向解耦率也均達(dá)到了85 %以上，并對裝有OTS樣件的整車進(jìn)行隔振率測試，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過優(yōu)化后懸置系統(tǒng)隔振率基本能達(dá)到要求，并檢測出系統(tǒng)與其他部件存在共振現(xiàn)象，為該車型后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：振動與波；懸置系統(tǒng)；振動解耦；Isight優(yōu)化設(shè)計；隔振性能

動力總成以及將其與車架相連的支撐元件所組成的動力總成懸置系統(tǒng)是汽車的重要子系統(tǒng)，懸置系統(tǒng)性能好壞對降低動力總成振動向車身的傳遞以及衰減路面激勵引起的動力總成振動具有重要作用。而懸置系統(tǒng)的性能不僅取決于單個懸置的性能，也取決于整個系統(tǒng)，動力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計包括懸置剛度參數(shù)的選取、安裝位置與方位的確定，對動力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行解耦設(shè)計可有效隔離振動、衰減噪聲[1]。

目前對于動力總成隔振設(shè)計與評價尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前常用的解耦設(shè)計方法有扭矩軸解耦法和能量解耦法。在外力矩作用下，發(fā)動機(jī)并非沿著任意一根主慣性軸或曲軸軸線轉(zhuǎn)動，而是繞著空間某一特殊軸線轉(zhuǎn)動，即扭矩軸（TRA），其取決于動力總成的慣性特性和外力矩的方向[2]。扭矩軸解耦設(shè)計方法以提高動力總成繞扭矩軸轉(zhuǎn)動的側(cè)傾模態(tài)的解耦程度為目標(biāo)，其主要應(yīng)用于前縱置后驅(qū)式(FR式)汽車的懸置系統(tǒng)設(shè)計。FR式汽車的動力總成結(jié)構(gòu)形式較為對稱，動力總成的扭矩軸線和曲軸軸線基本在一個平面內(nèi)，懸置的布置空間較大，通過懸置組V形布置，可解除動力總成懸置系統(tǒng)的橫向-側(cè)傾彈性耦合，同時具有較大的橫向剛度和較小的側(cè)傾剛度[3-5]。當(dāng)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)缺少明顯的對稱面（如前置前驅(qū)式汽車），若按扭矩軸理論設(shè)計則難以實(shí)現(xiàn)，此時可采用能量解耦法，它不拘泥于發(fā)動機(jī)的類型和懸置的布置形式等具體特征。在進(jìn)行懸置系統(tǒng)的解耦設(shè)計時，一般把動力總成看作空間彈性支承著的剛體，考慮其六個自由度的運(yùn)動。根據(jù)動力總成的質(zhì)量矩陣[M]及振型矩陣{Xi}，可以求出動力總成在作各階主振動時的能量分布，將其寫成矩陣形式，并定義為能量分布矩陣，記為[KE]。懸置系統(tǒng)以第j階固有頻率振動時第k個廣義坐標(biāo)分配到能量所占總能量的百分比為

如此，要提高懸置系統(tǒng)某個方向上的解耦程度，就是要改變懸置系統(tǒng)的參數(shù)，使其對應(yīng)的能量百分比逐漸提高并盡量接近于1。能量解耦法較其它方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無需坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可在原坐標(biāo)系上對懸置系統(tǒng)進(jìn)行解耦設(shè)計；

(2)僅需對懸置系統(tǒng)進(jìn)行自由振動分析求得剛體模態(tài)參數(shù)，在一定程度上脫離動力總成類型及布置形式的具體特點(diǎn)；

(3)解耦指標(biāo)總是在（0，1）內(nèi)變化，可使優(yōu)化計算保持較好的數(shù)值穩(wěn)定性[6]。

1　懸置系統(tǒng)動力學(xué)建模

發(fā)動機(jī)動力總成主要受到兩方面的振動激勵作用，一是通過懸架系統(tǒng)傳遞到動力總成的路面激勵作用，其頻率一般低于2.5 Hz，屬于低頻范圍；其次是動力總成自身在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的激勵作用，頻率較高。徐石安與閻紅玉提出將汽車看成由發(fā)動機(jī)、車架、駕駛室和車橋等子系統(tǒng)構(gòu)成的組合系統(tǒng)，把發(fā)動機(jī)（包括發(fā)動機(jī)懸置）視作要修改的子結(jié)構(gòu)，根據(jù)各類汽車共有的特性找出發(fā)動機(jī)與其它子結(jié)構(gòu)在整車中的一般匹配關(guān)系，而無需建立整車振動模型，直接根據(jù)發(fā)動機(jī)子結(jié)構(gòu)所確定的動態(tài)特性比較準(zhǔn)確地預(yù)估出整車振動狀況[7]。由于動力總成固有頻率遠(yuǎn)大于懸置系統(tǒng)固有頻率，可將動力總成和車架視為剛體，同時將懸置簡化為三個相互垂直的線性粘彈性阻尼元件，根據(jù)測試所得的動力總成質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣性等參數(shù)，建立如圖1所示的六自由度懸置系統(tǒng)模型。圖中OeXeYeZe為懸置系統(tǒng)坐標(biāo)系，以曲軸中心線與發(fā)動機(jī)后端面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；Xe軸為曲軸中心線，指向發(fā)動機(jī)前端（皮帶輪端）；Ze軸平行于氣缸中心線，指向缸蓋；Ye軸根據(jù)右手定則確定。

根據(jù)廠家提供的坐標(biāo)及質(zhì)量參數(shù)，在Adams中建立動力學(xué)模型，并進(jìn)行解耦率計算，得出騾車的系統(tǒng)解耦率，從表2計算結(jié)果可以看出，騾車懸置系統(tǒng)的解耦率普遍較低，尤其是沿垂向與繞曲軸轉(zhuǎn)動方向解耦率分別為52.2 %和45.9 %，懸置系統(tǒng)初次匹配不理想，因此有必要對懸置系統(tǒng)進(jìn)行解耦優(yōu)化設(shè)計。

圖1　動力總成懸置系統(tǒng)模型

表1　騾車懸置剛度性能參數(shù)

表2　騾車懸置系統(tǒng)解耦率計算結(jié)果

2　懸置系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.1設(shè)計變量

由于該車型懸置安裝位置與安裝方位等受整車布置限制都已確定，不便于改動，故選取懸置的三向主軸剛度作為優(yōu)化變量，因有四個懸置，共12個變量。

2.2約束條件

考慮到懸置系統(tǒng)要有足夠的剛度支撐發(fā)動機(jī)總成及避開路面激勵力的頻率，故懸置系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)大于4.677 Hz[8]，取各階固有頻率的最低限值為5 Hz。其次動力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率須低于發(fā)動機(jī)激勵力最低頻率的倍才能有效隔振，故研究的發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min，最低激勵頻率為25 Hz，懸置系統(tǒng)的固有頻率需滿足：。因此，頻率約束條件為：5 Hz

振動系統(tǒng)在某坐標(biāo)系下出現(xiàn)耦合現(xiàn)象時，沿某一廣義坐標(biāo)的振動將會引起沿其它坐標(biāo)方向的振動，這樣對振動控制不利[10]。為避免動力總成懸置系統(tǒng)各階模態(tài)之間耦合而使懸置系統(tǒng)隔振性能惡化，應(yīng)使懸置系統(tǒng)有較低的耦合度，對于工程實(shí)踐而言，要使解耦率達(dá)到100 %幾乎是不可能的事，因此應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，使一些重要模態(tài)達(dá)到較高的解耦率，在研究中，限定Z向、Rxx向解耦率大于85%，其他各方向解耦率大于80%。

2.3優(yōu)化目標(biāo)和算法

在對動力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，可從不同角度提出不同的目標(biāo)函數(shù)，常見的目標(biāo)函數(shù)有：動力總成六自由度解耦優(yōu)化設(shè)計[11]，以廣義力傳遞率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[12]，轉(zhuǎn)矩軸解耦優(yōu)化設(shè)計[3]。綜合考慮，以動力總成懸置系統(tǒng)的六自由度解耦率最大為目標(biāo)。對多個子目標(biāo)同時實(shí)施最優(yōu)化的問題稱為多目標(biāo)優(yōu)化問題或多準(zhǔn)則優(yōu)化問題，優(yōu)化問題為6階解耦率實(shí)現(xiàn)最大。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

非支配排序遺傳算法（NSGA-II）是K. Deb對Srini Vas所提出的NSGA算法的改進(jìn)，NSGA-II優(yōu)點(diǎn)在于探索性能良好，在非支配排序中，因?yàn)榻咏黀areto前沿的個體被選擇，使Pareto前進(jìn)能力增強(qiáng)[13]。在Isight中選擇NSGA-II作為優(yōu)化算法，通過Isight集成Adams所建立的整個優(yōu)化流程見圖2。

圖2　Isight集成Adams懸置系統(tǒng)優(yōu)化流程

2.4優(yōu)化結(jié)果及分析

經(jīng)過優(yōu)化計算后，懸置系統(tǒng)的解耦率有了很大提高，主振方向Z向和Rxx向的解耦率分別為90.3 % 和85.4 %，其它方向的解耦率均大于85 %，系統(tǒng)解耦效果較好，且各方向固有頻率間距分布合理。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，得到各懸置的剛度性能參數(shù)如表4。

表3　懸置系統(tǒng)優(yōu)化計算結(jié)果

表4　系統(tǒng)優(yōu)化后懸置剛度性能參數(shù)

3　實(shí)車試驗(yàn)

懸置系統(tǒng)解耦性能是設(shè)計階段其性能評價的主要指標(biāo)，在整車階段，評價系統(tǒng)隔振效果的主要指標(biāo)是懸置振動傳遞率和懸置元件隔振率[14]，傳遞率是指被隔振物體振動響應(yīng)與基礎(chǔ)振動響應(yīng)的比值，常用加速度對數(shù)形式的傳遞率[15]

為了驗(yàn)證動力總成懸置系統(tǒng)的參數(shù)匹配優(yōu)化后的減隔振性能，對裝有OTS樣件的整車進(jìn)行了隔振率測試評價分析。

3.1試驗(yàn)設(shè)備及方案

本次試驗(yàn)需數(shù)據(jù)采集儀一套，筆記本電腦一臺，三向加速度傳感器14個，轉(zhuǎn)速脈沖傳感器一個。將加速度傳感器分別布置在各測點(diǎn)上拾取振動信號，通過LMSSCADAS數(shù)據(jù)采集儀將其采集至計算機(jī)并記錄下來，采用LMSTest. Lab測試分析系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。動力總成各懸置的位置按照司機(jī)駕駛時所面對的方向定義為前、后、左、右懸置，振動加速度傳感器布置在每個懸置的上方（發(fā)動機(jī)端）和下方（車架端），每個測點(diǎn)均采集三個軸向的振動加速度，即垂向（上下方向）、橫向（左右方向）和縱向（前后方向）。轉(zhuǎn)速傳感器布置在發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)軸或齒輪端，用于實(shí)時測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，振動測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3　測點(diǎn)布置示意圖

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1定置工況懸置隔振率測試

在800 r/min～3 100 r/min定置升速工況下，對懸置隔振率進(jìn)行分析，分析頻率范圍為0～200 Hz。

由圖4中懸置隔振率分析結(jié)果可知：

（1）左懸置縱/垂向、前懸置橫向、右懸置縱/橫/垂向、后懸置縱/橫/垂向的隔振率較好，均達(dá)到70 %以上，部分達(dá)到90%以上，隔振效果較好。

（2）前懸置縱向和垂向的隔振率在1 950 r/min左右出現(xiàn)低谷，說明在該轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)某結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重共振現(xiàn)象，懸置不僅沒有實(shí)現(xiàn)隔振，反而將基礎(chǔ)振動放大了。

（3）左懸置橫向的隔振率在2 113 r/min和2 670 r/min出現(xiàn)低谷，最小值為45 %左右，隔振效果不理想。

3.2.2前懸置支撐桿錘擊測試

通過對懸置進(jìn)行隔振率測試可知前懸置隔振效果非常不理想，進(jìn)一步對發(fā)動機(jī)機(jī)體、懸置系統(tǒng)和前懸置支撐車架進(jìn)行錘擊法模態(tài)測試分析，得出如圖5所示的頻響函數(shù)曲線。

由圖5中頻響函數(shù)測試結(jié)果可知，前懸置下方支撐桿件測點(diǎn)存在明顯65 Hz模態(tài)頻率，與圖4中前懸置在1 950 r/min時出現(xiàn)異常的頻率吻合，表明該桿件模態(tài)影響了前懸置隔振效果。

圖4　發(fā)動機(jī)懸置隔振率

4　結(jié)語

(1)優(yōu)化后懸置系統(tǒng)垂向與繞曲軸轉(zhuǎn)動方向的解耦率由原來的52.2 %、45.9 %提高到90.3 %、85.4 %，其他四個方向的解耦率也均達(dá)到了85%以上，各階固有頻率間隔最小為0.5 Hz，能達(dá)到工程應(yīng)用要求。

(2)優(yōu)化后的系統(tǒng)隔振測試結(jié)果表明采用Isight集成adams對懸置系統(tǒng)剛度參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化效果良好，四個懸置各個方向的隔振率均達(dá)到70 %以上，部分達(dá)到90%以上。

(3)檢測出了系統(tǒng)某結(jié)構(gòu)在1 950 r/min的轉(zhuǎn)速下存在嚴(yán)重共振現(xiàn)象，為避免共振造成巨大破壞，進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)測試分析，測試結(jié)果表明前懸置下方車架存在65 Hz固有模態(tài)，后期需對車架進(jìn)行優(yōu)化。

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Optimal Design and Vibration Isolation Test Evaluation for a Domestic SUV Mount System

TAO Qing-shui1, 2, ZHANG Ya-xin2, ZHONG Hai-bing2, LIU Jian-xun2, ZHU Shi-sha1
( 1. School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, Hunan China; 2. Zhuhzou TimeNew Material Technology Co. Ltd., Zhuhzou 412000, Hunan China)

Abstract:Thepowertrain mount system isoneof theautomobilevibration subsystems, which influencethevehicle’s NVH performancegreatly. In thispaper, adomestic SUV mount system wasstudied based on theideaof energy decoupling method. The Isight integrated Adams was applied to optimize the initial stiffness of the mount system. After the optimization, thevertical decoupling rateand thearound-crank decoupling ratewereraised from 52.2 % to 90.3 % and from 45.9 % to 84.5 % respectively. Meanwhile, thedecoupling ratesin theother four directionswereall larger than 85 %. Then, testing for vibration isolation ratemeasurement for theautomobile’smounted OTSsamplewasconducted. Theresultsshow that the vibration isolation rate can essentially meet the requirement. The resonant phenomena of the system and the other componentsweredetected. Thiswork hasprovidedanimportant guidancefor researchanddevelopment of vehicles.

Key word:vibration and wave; powertrain mount system; vibration decoupling; Isight optimization; vibration isolation performance

作者簡介：陶慶水（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械動力學(xué)。E-mail:15073218946@163.com

收稿日期：2015-09-10

文章編號：1006-1355(2016)02-0112-04+204

中圖分類號：U461.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.025