汽車發動機懸置安裝點最佳位置的優化研究

郭曉達 苗森

摘 要：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。動力總成是汽車的主要激勵源，降低動力總成傳遞到車身的振動能量對于降低整車振動噪聲有很大幫助。本文就汽車發動機懸置安裝點最佳位置的優化展開探討。

關鍵詞：振動與波;發動機懸置;位置優化

1 發動機布置特點分析

發動機安裝于汽車底盤，為了降低整車重心，發動機需要盡可能布置在較低位置。通常根據發動機布置位置所在軸線與整車行駛方向的相對關系，可分為縱置式、橫置式、斜置式發動機。當汽車采用不同的發動機布置型式時，懸置支架的設計會有不同的側重點。在縱置式車型中，發動機位于車輛前軸的前上方，在這種布置方案中，發動機和車架之間是通過懸置進行連接和固定的，懸置支架是核心部件。

2 系統動力學耦合模型

對懸置進行優化，首先要建立動力總成、懸置和車身的動力學耦合模型，在模型的建立過程中，以動力總成質心坐標系為標準，O-XYZ為與動力總成質心坐標系平行的廣義坐標系，而UVW坐標系為各個懸置安裝位置與方向所決定的局部坐標系，分別對應左懸置、右懸置和后懸置。

在簡化模型中，動力總成被簡化成包含3個平動3個轉動的六自由度剛體，每個懸置與彈性的車身連接的節點具有3個平動自由度，整個簡化系統可以看做為十五自由度的模型。根據拉格朗日方程，系統的振動微分方程為：

式中：分別為動力總成質心和3個懸置對應的廣義坐標;[M]為系統質量矩陣;[K]為系統剛度矩陣;F為動力總成質心等效激勵力。

系統質量矩陣表達式為：

m0為動力總成質量;J為動力總成轉動慣量;其余9個自由度質量

不計。系統剛度矩陣表達式為：

Cn為每個懸置點處廣義坐標與局部坐標系之間的夾角歐拉矩陣;Sn為動力總成質心6個自由度方向上的運動引起的懸置點動力總成一側3個方向運動的位移轉移矩陣;Kn為每個懸置考慮阻尼損失的剛度矩陣。得到了動力總成懸置系統質量矩陣、剛度矩陣和激勵力信息后，可以通過激勵力計算車身懸置點的穩態振動響應，動力總成懸置系統傳遞到車身的功率流表達式可以寫出，它是由支反力和懸置點的速度在穩態狀態下相乘得到的。3個懸置在9個方向傳遞到車身的穩態功率流為：

式中：Q1為懸置點的穩態振動響應;V1為車身懸置點穩態速度響應;F1為車身懸置點支反力的穩態響應。

3 系統參數的優化設計

（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：

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）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：6Hz

4 懸置支架結構有限元法分析

汽車產品開發中，從概念設計到批量生產需要很長的時間周期，企業為了搶占市場機遇和有效應對來自競爭對手快節奏的產品換代節奏，不得不采取很多縮短開發周期的措施。引入現代設計中的數字化技術和并行工程，將產品方案設計、技術開發、分析計算和論證等環節同時進行。有限元分析技術作為數字化設計的關鍵手段之一，在確保產品達到性能要求的前提下，能夠大幅縮短開發周期，降低產品開發成本，為企業產品的快速更新換代提供了有力的保障。

5 結語

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。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。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。

參考文獻：

[1]謝展.基于區間分析的發動機懸置系統穩健優化設計[J].汽車工程，2017.

[2]張武.基于灰色粒子群算法的發動機懸置系統多目標優化設計[J].機械設計，2016.