基于能量解耦法的某商用車動力總成懸置優化

蓋大偉，沈保山，劉治彩，許佩佩

(1.濰坊瑞馳汽車系統有限公司，山東濰坊 261000；2.無錫職業技術學院,江蘇無錫 214000； 3.徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇徐州 221004)

0 引言

汽車主要有兩個振動激勵源，一個來自路面，另一個來自運轉的發動機及傳動系統。路面激勵的幅度雖然變化很大，但是基本屬于低頻范圍。而動力總成的工作方式決定了它是一個強烈的振源，對車輛的NVH(Noise Vibration Harshness)性能影響較大。動力總成懸置系統作為車輛的重要子系統，減振是其主要功能之一。合理的匹配設計，不僅可以有效衰減振動，提高車輛的NVH性能[1]，而且能夠延長動力總成的使用壽命。

考慮到庫存和通用性的問題，本文作者以某商用車動力總成懸置系統中的兩個前懸置元件軟墊X、Y、Z3個方向的剛度為優化對象。

1 動力總成懸置系統模型

進行動力總成懸置系統的固有特性分析時，一般都將振動系統簡化為一個無阻尼自由振動系統。考慮到動力總成彈性體自然頻率遠高于懸置系統，懸置元件車架側振動遠小于動力總成側，通常將動力總成和車架視為剛體，因此可將動力總成懸置系統簡化成空間六自由度振動系統。

定義廣義坐標系G0-XYZ，其中G0為動力總成質心，X軸指向整車倒車方向，Z軸垂直向上，右手法則確定Y軸方向，如圖1所示。模型創建需要動力總成參數和懸置參數(包括安裝位置和主軸剛度等)。

圖1 動力總成懸置系統模型

1.1 能量法解耦理論

動力總成的運動微分方程如下式所示：

懸置系統的固有頻率和模態求解公式：

式中：ωi為動力總成懸置系統第i階固有頻率；φi為動力總成懸置系統第i階固有頻率對應的特征向量。

從能量的角度考慮，沿某一個方向的力所做的功都將轉化為系統沿多個廣義坐標上的動能和勢能，且動能和勢能可以相互轉化，但總和保持不變，因此可用最大動能表示系統沿某個廣義坐標的總能量。系統在i階主振動時的最大動能：

展開可得：

i階主振動時，在第t個廣義坐標上分配的振動能量：

第t個廣義坐標上分配的動能占系統總動能的百分比：

求解的百分比即為解耦度，占百分比最大的為主要振動方向[2]。

1.2 懸置參數

文中研究對象為動力總成六點懸置，懸置的局部坐標U、V、W分別與整車坐標系X、Y、Z對應，除左、右輔助懸置的支撐面與水平面之間的夾角為20°外，其余懸置與水平面夾角為0°，以整車坐標系為基準。各懸置3個主軸方向剛度如表1所示。

表1 懸置各主軸剛度

1.3 動力總成參數獲取

進行動力總成懸置系統優化所需的參數包括質量、質心、轉動慣量，采用西安百納電子科技有限公司MPT-3000慣性參數識別試驗臺獲取相關參數，如圖2所示，慣性參數如表2所示。

圖2 慣性參數測量臺

參數來源試驗發動機的質量/kg1 545.2動力總成質心坐標(整車坐標系下)/mm(274.95,1.79,-137.75)轉動慣量(動力總成質心坐標下)/(kg·mm-2)IXX1.347 66×108IYY8.738 11×108IZZ7.549 07×108IXY-1.899 3×107IYZ1.123 2×107IXZ-8.371 9×107

1.4 懸置系統解耦計算

根據上述參數，使用MATLAB運用能量解耦法進行解耦計算[4]，計算結果如表3所示。

表3 前6階頻率和解耦率

由計算結果發現第二、三，四、五階相鄰階的頻率間隔小于1 Hz，并且第一、三、五解耦率低于75%，不符合頻率分離和解耦要求，且實際裝車后的隔振效果也不理想，需要進行優化。

2 前懸置剛度優化匹配

懸置系統多目標優化的設計變量通常可取軟墊剛度、安裝位置和角度等。由于條件限制，本文作者只選取前懸置3個方向的剛度作為優化變量。

2.1 剛度優化

參考其他車型懸置剛度，將X、Z方向的優化空間設定為[450,1 350] N/mm，Y方向為[100,500] N/mm。路面的激勵一般小于3.5 Hz，系統的最低頻率應該大于1/0.75倍，即4.7 Hz，因此約束頻率范圍[5,21] Hz，同時約束前6階解耦率大于80%。

按主次關系，合理分配Z、ROTX兩個主要方向上的解耦率和其他次要方向上的權重[5]。以各個方向上的解耦率加權和最大化作為目標值，對剛度進行優化匹配。

使用MATLAB編寫多目標優化程序，得出最優的一組剛度組合，圓整后的前懸置X、Y、Z方向的剛度值為分別為824、200、1 000 N/mm。

2.2 優化匹配后的固有頻率和解耦率

將優化后的剛度組合輸入MATLAB中，進行動力總成懸置系統固有頻率和解耦計算，得到結果如表4所示。

表4 優化后方案的固有頻率和解耦率

由表4可知前6階解耦率均大于80%，主方向的頻率間隔大于2 Hz，次方向的頻率間隔均大于1 Hz，滿足頻率分離和解耦要求。

2.3 試驗驗證

試驗之前，首先對目標車輛進行熱車，將冷卻液的溫度升到70 ℃。然后采用西門子公司的LMS.SCADAS便攜式數據采集儀和PCB公司的三向加速度傳感器分別測試前、后、輔助懸置在怠速、1 900 r/min、最高轉速以及緩加速工況下主、被動側的加速度，如圖3所示。

經過數據處理得到以下結論：

(1)怠速、1 900 r/min、最高轉速工況動力總成懸置的綜合隔振率分別提升19.50%、2.59%和3.71%，主要關注的怠速工況綜合隔振率達到75.92%，其余兩個工況均大于84%，隔振率得到很大提升；

(2)緩加速工況沒有出現共振現象。

圖3 隔振率測試

3 總結

本文作者首先使用能量解耦法對現有的動力總成懸置系統進行固有頻率和解耦計算，發現現有剛度組合有很大的提升空間；使用MATLAB多目標優化方法，以前懸置剛度為優化變量、頻率分離和解耦率為約束條件、解耦率加權和最大為目標函數，優化出最佳剛度值。制作樣件，裝車測試，得到結論：優化匹配后的懸置系統隔振率得到全面提升，在怠速工況下綜合隔振率提升約19.5%。