發動機懸置系統參數的優化設計

段兆鵬

摘 要：汽車的NVH性能是當下車輛購買者比較關注的車輛性能之一，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對整車的振動和噪音有較大的影響，發動機是汽車上的主要振動源，懸置系統是連接車身與發動機的裝置，可見研究懸置系統的性能對整車的減振降噪有重要的意義。一方面，懸置系統較高的剛度有利于限制發動機運行過程中的位移，另一方面，懸置系統的剛度應盡可能小些，減少由發動機傳向車身的振動，對懸置系統的參數進行優化設計能夠使懸置系統在以上兩個方面有一個較優的解。

關鍵詞：懸置系統；發動機；優化設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.020

汽車作為主要的交通工具，人們對汽車的乘坐舒適性要求也越來越高，影響乘坐舒適性的兩個主要因素是：振動和噪音，發動機懸置系統的主要作用是支撐動力總成、減少發動機等振動源的振動對整車的影響、限制動力總成的抖動量，對整車NVH性能起著非常大的作用。發動機懸置系統的主要具體作用是起到支撐作用、抑制發動機的動態位移和降低發動機振動傳遞至車身，乘客感覺到的振動主要是由發動機、路面不平激勵源等振動源發生振動，通過發動機懸置系統傳遞至車身或車架上，引起車身或車架的振動。因此對于發動機懸置系統的性能提升和優化，對提高汽車的NVH性能有重要的意義。

1 優化設計發動機懸置系統的方法

發動機懸置系統的參數眾多，例如彈簧剛度、懸置放置的位置，安裝的傾角等，對這些參數優化設計有較多可選擇的優化方法，建立數學模型是針對具體的優化設計目標和根據懸置系統性能要求定義的約束條件。研究者在進行優化設計發動機懸置系統參數時，通常選取懸置系統的振動力傳遞率最小為目標函數；還有其他一些研究者以懸置系統合理的固有頻率、懸置系統的六自由度解耦和部分解耦為目標函數。

當懸置系統的固有頻率與振動源的頻率相一致或者相近時，系統就發生共振現象，振動幅值大幅度增加，乘坐的舒適性極差。因此優化設計懸置系統時應使系統的固有頻率避開發動機工作的頻率范圍，合理地配置懸置系統的固有頻率。

2 系統參數的優化設計

2.1 設計目標函數

在對某一對象進行優化設計時，應該得先確定優化計算過程中的目標函數。為合理地布置懸置系統的固有頻率，本文設計的目標函數主要考慮固有頻率與解耦性兩個因素，所建立的目標函數如下：

上式中，W為加權系數，一個4個系數由人為自定義；f為系統固有頻率，f0為優化設計的系統固有頻率，dig為解耦性，當其取值為100%時表示完成解耦。

2.2 設計變量

發動機懸置系統的性能特性與其自身的彈簧剛度、安裝傾斜角度、安裝位置以及發動機的重量等因素有關。優化設計發動機懸置系統參數一般不改變發動機的特性，不以發動機的質量作為優化設計變量，通常選擇懸置系統自身的參數如：懸置系統在車輛上的安裝位置及安裝傾斜角度、沿不同方向上的剛度值等作為設計變量。另外，在懸置系統中阻尼元件的作用在于降低振動的幅值，起到減振的作用，不作為設計變量，本文選取懸置的總剛度作為設計變量。

2.3 約束條件

優化設計發動機懸置的剛度為了滿足NVH性能對剛度的要求以及抑制發動機動態位移的要求，需要在優化設計過程中添加一定的約束條件進行優化計算。通常研究者對懸置系統參數優化設計所采用的約束條件是：形態約束和邊界約束。所謂形態約束是根據懸置系統的某項性能要求而設計的約束函數，而邊界約束是用來限制一些變量的取值范圍，或者建立不同參數之間的相對約束關系。為了避免車身或車架和發動機發生共振，懸置系統的固有頻率應避開發動機的工作頻率范圍，發動機處于高轉速工況下時，主要的激勵源不再是二階激勵，此時需要隔振的對象是二級往復慣性力，所以此時懸置系統Z方向上固有頻率應適當減少，具體的取值范圍應為：6 Hz

3 優化計算結果分析

對發動機懸置系統剛度參數進行優化設計計算，迭代計算過程中目標函數的加權系數取值為：W1取值0.3，W2取值0.3，W3取值0.2，W4取值0.2，在未優化前，發動機懸置系統的各剛度值為：前懸置塊剛度：Ku為174，Kv為186，Kw為1109，后懸置塊剛度Ku為353.5，Kv為207.6，Kw為600，經過優化設計后，重新計算懸置系統前后懸置塊的剛度分別為：前懸置塊剛度：Ku為156.8，Kv為162.7，Kw為1121，后懸置塊剛度Ku為111，Kv為107.1，Kw為322.8，分析結果可知懸置系統中前懸置塊的剛度降低幅度不大，后懸置塊的剛度相對降低較多，前后懸置塊剛度值的降低也使懸置系統的固有頻率發生了變化，沿z方向的固有頻率由原來的9.31 Hz降低至7.87 Hz，θx方向上的固有頻率由原來的21.35 Hz降低至15.22 Hz，由剛度值的降低數值來看，懸置系統的解耦性提高了較多，沿z方向的解耦性由原來的90.5%提升至99.6%，已接近100%；沿θx方向上的解耦性由原來的90.2%提升至92.8%。

4 結束語

發動機懸置系統的參數優化設計是一個相對復雜的過程，對懸置系統的剛度不僅要求其相對降低來滿足減少由發動機振動通過懸置系統傳遞給車身，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，需要懸置系統的剛度相應提高些，來滿足限制發動機動態位移。可知，懸置系統性能的好壞，對整車的性能以及車室內乘客的乘坐舒適性有較大的影響。另外，理想的發動機懸置系統固有頻率應避開發動機工作范圍的頻率，避免發生共振現象。最后，對發動機懸置系統參數的優化設計，僅是數值上的模擬計算，還需進行試驗進一步得到驗證。

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