動力總成懸置系統優化與減振分析*

陳　克， 李曉政， 周霜霜

(沈陽理工大學 汽車與交通學院， 沈陽 110159)

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動力總成懸置系統優化與減振分析*

陳克， 李曉政， 周霜霜

(沈陽理工大學 汽車與交通學院， 沈陽 110159)

為了解決汽車動力總成懸置系統隔振問題，建立了某型號動力總成懸置系統的仿真模型.針對懸置系統無阻尼和有阻尼的情況，對支反力進行了對比分析；選取四個橡膠懸置的12個主方向剛度為設計變量，以動力總成懸置系統在各階固有頻率主振方向上的能量解耦程度為目標函數，利用Adams/Insight模塊對動力總成懸置系統進行優化，結果顯示優化后的懸置系統支反力明顯降低，減小了動力總成振動的傳遞，解耦程度有了明顯的提高，通過優化懸置系統的減振效果有了很大的改善.

動力總成； 懸置系統； 振動； 剛度； 阻尼； 支反力； Adams/Insight模塊； 能量解耦； 優化設計

由于汽車市場發展越來越快，人們對汽車的乘坐舒適性越來越重視.其中，發動機的減振是急需解決的問題之一，動力總成懸置系統的設計研究也顯得越來越重要，合理地匹配懸置系統參數是提高整車性能的關鍵.目前，多采用優化方法對懸置系統的剛度參數進行優化，匹配合理的懸置系統剛度，以減小發動機傳遞到支承系統的振動[1-3].但懸置系統的結構形式、幾何位置及懸置系統的結構、剛度和阻尼等特性直接影響懸置系統的減振性能[4-5]，因此，在匹配懸置系統參數時不但要考慮懸置系統的剛度，還要考慮懸置系統的阻尼.

本文以某動力總成懸置系統為研究對象，基于振動微分方程理論，建立動力總成的多剛體動力學模型，分析懸置在有、無阻尼狀態下的減振情況，進而在考慮懸置系統阻尼特性情況下，優化懸置的剛度參數來減小支反力大小，從而降低振動的傳遞，減小動力總成懸置系統的振動，并求解系統的固有頻率和主能量分布方向上的解耦程度.

1　動力總成懸置系統

汽車在路上行駛時，主要的振源為發動機的激勵和路面的不平度激勵，然而隨著道路條件越來越好，發動機激勵對振動的影響就越來越明顯，為了減小這種影響，需要動力總成懸置系統具有較好的減振性能.

動力總成的懸置系統中，通常用橡膠元件作為懸置裝置來聯接動力總成與車體，所以動力總成的固有頻率不高(一般都低于30 Hz)，因此，可以把動力總成看作剛體.考慮阻尼和激勵的工況下，動力總成懸置系統的振動微分方程[6]可表示為

(1)

式中：M為系統的質量矩陣；C為系統的阻尼矩陣；K為系統的剛度矩陣；q為系統的廣義坐標；F(t)為系統所受的廣義力矩陣.

在考慮系統阻尼的情況下，令F(t)=0即可得到系統六自由度的自由振動微分方程.在系統阻尼和外激勵都不考慮的情況下，令C=0、F(t)=0即可得到系統六自由度的自由振動微分方程.

能量解耦基本原理是在求得系統自由振動方程的基礎上，求出系統的固有頻率與固有振型，它每一階的主振動動能和勢能之和是保持不變的，不同階的能量也是互不變換的.如果系統以第j階模態振動來分析的話，它的能量分布矩陣可以表示為

(k，l，j=1，2，…，6)

(2)

式中：M(k，l)為系統質量矩陣的第k行，第l列；φ(k，j)、φ(l，j)為系統第j階振型第k、l個元素；ωj為系統六階固有頻率.

動力總成懸置系統的振動頻率求解方程為

f=ni/60τ

(3)

式中：n為發動機轉速；i為發動機氣缸數；τ為沖程系數，兩沖程為1，四沖程為2.

2　動力總成模型建立

在保證動力總成懸置系統的質心和各懸置相對位置不變、動力總成質量不變的情況下，把動力總成進行簡化[8-9].在UG中建立動力總成懸置系統的幾何模型，并導入Adams中建立的動力總成懸置系統6自由度的仿真模型如圖1所示.動力總成懸置系統的慣性矩及懸置元件特性參數如表1、2所示(表1中，m為總成懸置系統質量，I為慣性矩).

圖1　動力總成懸置系統6自由度仿真模型

表1　動力總成慣性矩參數

表2　動力總成懸置元件特性參數

3　動力總成懸置系統仿真分析

在Adams的Vibration模塊中，對模型進行頻域振動仿真分析，在Vibration Analysis選項中進行求解設置并選擇模態分析，啟動能量解耦組件[10]，可獲得動力總成在各階模態下的振型，如圖2所示.由圖2可以看出三階模態振型和五階模態振型耦合程度較高，且動力總成存在一定的扭轉振動.

圖2　動力總成懸置系統各階模態振型

時域分析主要針對怠速工況(n=700 r/min)進行仿真分析，圖3～10為系統在怠速工況下，懸置無阻尼和有阻尼時懸置垂直方向支反力隨時間變化的曲線.

圖3　無阻尼怠速工況下左前懸置支反力

圖4　有阻尼怠速工況下左前懸置支反力

圖5　無阻尼怠速工況下右前懸置支反力

圖6　有阻尼怠速工況下右前懸置支反力

圖7　無阻尼怠速工況下左后懸置支反力

圖8　有阻尼怠速工況下左后懸置支反力

由圖3～10中可知，考慮阻尼時，在怠速工況下左前懸置垂直支反力穩定在1 510 N左右，其波動幅值由158 N減小為144 N；右前懸置垂直支反力穩定在1 400 N左右，其波動幅值由140 N減小為130 N；左后懸置垂直支反力穩定在250 N左右，其波動幅值由35 N減小為32 N；右后懸置垂直支反力穩定在230 N左右，其波動幅值由28 N減小為26 N.這說明振動在通過橡膠懸置時由于阻尼的存在而減小的更多，所以在減振分析時不能夠忽略橡膠懸置的阻尼參數.

圖9　無阻尼怠速工況下右后懸置支反力

圖10　有阻尼怠速工況下右后懸置支反力

4　動力總成懸置系統優化分析

本文對動力總成懸置系統采用insight模塊進行優化分析，在怠速工況下對6自由度懸置模型進行參數優化設計.

4.1動力總成懸置系統優化

由于4個懸置主方向上的剛度對懸置系統的減振效果都有一定的影響，故選取設計變量為4個懸置的12個主方向剛度，取值范圍為上下變動50%，即

59.5 N/mm≤DV_Fflx≤178.5 N/mm

376.3 N/mm≤DV_Ffly≤1 128.9 N/mm

266 N/mm≤DV_Fflz≤798 N/mm

59.5 N/mm≤DV_Ffrx≤178.5 N/mm

376.3 N/mm≤DV_Ffry≤1 128.9 N/mm

266 N/mm≤DV_Ffrz≤798 N/mm

141 N/mm≤DV_Frrx≤423 N/mm

26.05 N/mm≤DV_Frry≤78.15 N/mm

57 N/mm≤DV_Frrz≤171 N/mm

141 N/mm≤DV_Frlx≤423 N/mm

26.05 N/mm≤DV_Frly≤78.15 N/mm

57 N/mm≤DV_Frlz≤171 N/mm

對動力總成懸置系統來說，其約束條件主要是：約束剛度的變化范圍為±50%，系統固有頻率的約束變化范圍為5～16.4 Hz.

若把能量在其各階主振方向上的解耦情況作為動力總成懸置系統優化設計的目標，可把動力總成主振動能量分布的加權和最大設為目標函數.由式(2)可得當系統第j階模態振動時，第k個廣義坐標分配到的能量占系統總能量的百分比為

(4)式中，EPjk為系統的解耦程度，若其值為100%，即表示系統完全解耦，因此能量解耦目標函數Fi(x)為

(5)

式中，ci為第i階頻率的加權因子.

利用Adams/View建立設計變量與目標函數，然后引入到Insight中，并設計一個試驗.采用DOE Response Surface對試驗結果進行Quadratic二次模型擬合，并利用D-Optimal有效地縮減設計矩陣，對靈敏度進行分析，然后優化求解動力總成懸置系統的剛度參數.

4.2動力總成懸置系統優化前后對比分析

通過對動力總成懸置系統進行優化求解，得到定阻尼條件下懸置系統剛度優化結果與之前結果對比如表3所示，表4、5為優化前后懸置系統的固有頻率及解耦程度對比，表5中，X、Y、Z及R分別表示平動及轉動方向.

表3　懸置元件剛度比較

表4　懸置系統固有頻率的比較

表5　懸置系統的解耦程度比較

從表3懸置剛度優化結果中可以看出，優化后X方向的剛度值普遍降低；Y方向上左前、左后懸置的剛度值有所增大，右前、右后懸置的剛度有所減??；Z方向上右前、左后懸置的剛度有所增大，左前、右后懸置的剛度有所減小，動力總成存在扭轉振動現象，所以在討論懸置剛度參數時要同時考慮每一個位置懸置剛度的變化規律.從表4中能夠看出，優化前后懸置系統的6階固有頻率都小于16 Hz，避開了怠速時的共振頻率；優化后懸置系統的固有頻率有所降低，怠速工況時的共振問題能夠很好地避免.通過表5比較優化前后的主振型能量分布情況發現，各階模態上的主振型能量都有所提高，且除沿Z軸平動的振動能量分布是82.11%以外，其它各個自由度方向上的能量分布都超過了85%，振動耦合現象有了很大程度上的改善[11].

圖11～14為系統在怠速工況下，有阻尼時優化后各懸置垂直方向支反力隨時間變化的曲線.

通過優化后垂直方向支反力的響應曲線(圖11～14)和優化前有阻尼情況(圖4、6、8、10)對比分析發現，在怠速工況下，左前懸置垂直支反力穩定在1 500 N左右，其波動幅值由144 N減小為133 N；右前懸置垂直支反力穩定在1 390 N左右，其波動幅值由130 N減小為124 N；左后懸置垂直支反力穩定在230 N左右，其波動幅值由32 N減小為27 N；右后懸置垂直支反力穩定在220 N左右，其波動幅值由26 N減小為21 N.各懸置處的垂直支反力波動幅值普遍降低，減小了力的傳遞，減振效果有了很大改善.

圖11　優化后左前懸置支反力

圖12　優化后右前懸置支反力

圖13　優化后左后懸置支反力

圖14　優化后右后懸置支反力

圖15為系統在怠速工況下，考慮阻尼時優化前后動力總成質心位移隨時間變化的曲線.從圖15可以看出，優化前動力總成的質心經過一段較大的波動后穩定在3.4 mm左右，優化后質心位移波動穩定在2.3 mm左右，質心的位移減小了很多，有效地降低了動力總成的振動幅值，懸置系統起到了減振的作用[12].

圖15　優化前后動力總成質心位移

5　結　論

本文針對汽車普遍存在動力總成在怠速過程中的振動問題，對某型號動力總成及其懸置系統應用Adams/View構建了空間六自由度的動力學模型，利用Adams/Vibration模塊分析得到了系統的固有頻率，并就得到的問題借助Adams/Insight模塊對系統進行了優化.優化后動力總成懸置系統左前、右前、左后、右后的垂直支反力波動幅值分別減小了7.6%、4.6%、15.6%、19.2%，動力總成的質心在平穩運行中的振動位移明顯減小，降低了振動的傳遞，減小了動力總成懸置系統的振動，并且各階固有頻率值都有所降低，各階次的解耦程度基本都達到了85%以上，有了明顯提高.結果表明，采用以動力總成懸置系統在各階固有頻率主振方向上的能量解耦程度為目標函數，能很好地匹配懸置系統的參數，達到懸置系統的減振目的.

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(責任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Optimization and vibration reduction analysis for powertrain mounting system

CHEN Ke, LI Xiao-zheng, ZHOU Shuang-shuang

(School of Automobile and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

In order to solve the vibration isolation problem in the vehicle powertrain mounting system, the simulation model for a certain type of powertrain mounting system was established. For the mounting system with and without damping, the comparative analysis for the support reaction of mounting system was carried out. Through selecting 12 main direction stiffness of four rubber mounting systems as the design variable and the energy decoupling degree in the main vibration direction of each order natural frequency of powertrain mounting system as the objective function, the optimization of powertrain mounting system was performed with Adams/Insight module. The results show that the support reaction of optimized mounting system obviously reduces, and the transmission of powertrain vibration also decreases. Moreover, the decoupling degree gets obviously enhanced, and the vibration reduction effect of mounting system gets greatly improved.

powertrain; mounting system; vibration; stiffness; damping; support reaction; Adams/Insight module; energy decoupling; optimization design

2015-04-29.

遼寧省教育廳科學研究資助項目(L2012068).

陳克(1965-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事汽車動力學與控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.10

TB 123

A

1000-1646(2016)01-0057-06

*本文已于2015-12-07 16∶18在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1618.036.html