發動機測試臺動力總成懸置系統優化設計

牛 水

天津科達動力測控技術有限公司

發動機測試臺動力總成懸置系統優化設計

牛 水

天津科達動力測控技術有限公司

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。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。

發動機；動力總成懸置；設計

隨著市場的發展和科技的進步，商用車噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise, Vibration and Harshness, NVH)稱為衡量商用車性能的重要指標，其性能是整車廠和相關零/部件開發商共同關注的重要問題，因為汽車NVH給用戶帶來最為直接的感受。汽車NVH問題是綜合性的復雜工程問題，擁有良好的NVH性能往往也體現了汽車設計實力與品牌價值。

1 某發動機測試臺動力總成懸置系統優化設計

表1 所示為自卸車原地駐車試驗所用的測試設備

1.1 懸置系統模型的建立

研究的動力總成懸置結構為6點支撐，呈對稱分布。發動機前懸置為左、右兩點，分別固定于發動機缸體左、右兩側前下方，通過左、右支架于車架縱梁腹板面連接，前懸置與地面呈30°傾角，后懸置點位于飛輪殼兩側，通過左、右支架于車架縱梁腹板面連接，后懸置與地面平行，輔助支撐通過橫梁吊裝變速箱尾部，與車架縱梁腹板面連接，輔助支撐與底面平行。

1.2 懸置系統優化運用

LMSVirtual.Lab優化模塊分別對發動機轉速為700、1500、2300r/min下的懸置系統進行優化。為滿足動力總成支撐定位功能，約束條件為橡膠懸置的形變量，前懸置不能超過6mm，后懸置不能超過10mm，輔助支撐不能超過2mm，優化目標為懸置下車架點處振動R MS值最小化，其中三種轉速的權重系數分別為0.6、0.3、0.1，統計自卸車在工地實際作業狀況得出的時間比，怠速700r/min工況使用最多，其次為1500r/min工況，因為當自卸車卸貨時，需要提高發動機轉速，從而提高舉升液壓缸的工作效率，接近最高轉速的2300r/min使用相對較少。建立模型仿真過程，輸入數據為實際試驗數據，以懸置系統6個懸置點的剛度為設計變量，建立相應的約束條件。

通過試驗對其他轉速數據進行仿真，結果比較理想，模型可信度較高，基本解決原車抖動異常問題，充分說明優化結果提高了懸置系統匹配的合理性。

2 動力總成懸置系統的建模

由于動力總成的彈性體固有頻率遠高于懸置系統的固有頻率，因此建模時動力總成簡化為剛體。彈性懸置簡化為3個相互正交的彈簧，剛度分別取懸置的主壓縮剛度和主剪切剛度，同時忽略懸置阻尼的影響。動力總成懸置系統的模型如圖1所示。

圖1 動力總成懸置系統模型Fig.1 Model of powertrain mounting system

動力總成懸置系統固有屬性的設計一般在3套坐標系中進行，分別為：曲軸坐標系{XC，YC，ZC}、扭矩軸坐標系{XT，YT，ZT}和車輛坐標系{XV，YV，ZV}。

曲軸坐標系的原點位于動力總成質心處，XC軸沿曲軸軸線指向動力總成自由端；ZC軸沿直列氣缸軸線或V型氣缸角平分線指向上方；YC軸根據右手定則確定。該坐標系用于存在不平衡慣性力作用時的系統設計和動力總成轉動慣量的測試。

扭矩軸坐標系的原點位于動力總成質心處，XT軸沿扭矩軸指向動力總成自由端；YT軸位于XC－YC平面內；ZT軸根據右手定則確定。該坐標系主要用于怠速工況下的系統設計，為橫置動力總成的俯仰模態提供設計參考。

車輛坐標系的原點位于靜平衡狀態下的動力總成質心處，XV軸平行于車輛縱向對稱面水平指向后方；YV軸垂直于車輛縱向對稱面指向駕駛員右側；ZV軸根據右手定則確定。該坐標系主要用于車身激勵下的系統設計，包括不平路面激起的垂向振動，加、減速時的縱向激勵和轉向時的側向激勵。

3 優化穩健設計

不論是確定設計還是穩健設計都必須滿足約束條件。約束條件在設計空間中確定出一個可行域，該區域的每個設計點都滿足約束條件，而系統最終的設計方案也必定位于該區域。系統的可行域可采用全局優化算法進行確定，但搜索過程有別于優化過程。在穩健設計中，需要對可行域內的每個設計點進行穩健評價，通過比較評價結果從而確定系統的最優方案。

在應用蒙特卡洛模擬方法時，一個無法回避的關鍵問題是計算量過大。針對該問題，在制定穩健設計流程時，將可行域拆分為多個子域，然后將每個子域分配至計算機的指定計算核心，每個核心負責一個子域內所有設計點的穩健評價并確定該子域內的最優解，最后綜合各子域的計算結果得到全局最優解。通過在多核計算機上應用并行計算技術可以有效提高設計效率。

當不確定水平較低時，穩健目標函數與確定目標函數的值近似相等，因而優化得到的穩健解與確定解相同。穩健設計方案模態解耦率的平均值相對確定設計方案變化不大，但是標準差卻有明顯減小，尤其是當設計變量的不確定水平較高時，穩健性設計方案對系統的穩健性有顯著改善。