車輛懸置系統性能優化研究綜述

趙萌

摘要：隨著經濟的發展和科技的進步，近年來人們對于車輛性能的要求越來越高，尤其是對車輛振動噪聲的忍耐度逐步降低，對NVH性能提升的要求日益提高。無論是乘用車還是與之相比工作條件更加惡劣的貨車乃至工程機械，NVH性能不足都開始成為制約產品競爭力的重要問題。而解決這一問題的關鍵，在于對車輛減震系統的進一步優化。本文重點論述了重型車輛懸置系統的發展歷程、性能研究、以及相關的優化方案和優化算法等，并對相關的理論研究進行簡要介紹以及對比總結。

Abstract： With the development of economy and the progress of science and technology， people's requirements for vehicle performance have become higher and higher in recent years. In particular， the tolerance of vehicle vibration and noise has been gradually reduced， and the requirements for performance improvement of NVH have been increasingly raised. Whether it is passenger cars or trucks with worse working conditions or even construction machinery， the insufficient performance of NVH has become an important problem restricting the competitiveness of products. The key to solve this problem lies in the further optimization of the vehicle damping system. This paper focuses on the development of heavy vehicle suspension system， performance research， as well as the relevant optimization scheme and optimization algorithm， and the relevant theoretical research is briefly introduced and summarized.

關鍵詞：懸置系統;NVH性能;優化方案;優化算法

Key words： suspension system;NVH;optimization scheme;optimization algorithm

0 ?引言

車輛整體的減振系統主要包括車輛底盤懸架系統、動力總成懸置系統以及座椅-駕駛室懸置系統等。對于工程機械、重型載貨車等滿載重量大且空載、半載及滿載的載荷相對變化比較大的車輛類型，器底盤懸架系統設計困難且調控復雜，增加了設計和維護成本[1]。因此，對于這類車輛的NVH性能優化，其關注重點應該放在對懸置系統的設計改良上。

1 ?懸置系統的分類與發展概述

1.1 動力總成懸置系統

當前，汽車發動機朝著高功率和輕量化方向發展，發動機馬力和功率的提高，加劇了汽車振動和噪聲水平;發動機輸出扭矩增大，也要求匹配高承載和更輕質的變速箱，同樣也影響汽車振動和噪聲水平[2]。動力裝置減振系統起到固定支撐動力總成、承受來自動力總成內部的往復慣性力和力矩、承受整車行駛過程中動力總成所受的負載、雙向隔離動力總成系統和車身之間的振動的作用。[3]對衰減動力總成對整車的振動影響，提高車輛整體NVH性能起著至關重要的作用。

在汽車產業發展的初期，動力總成是直接與車架用螺栓剛性地在一起的，中間并沒有隔振元件。隨著人們對車輛舒適性有了更高的要求，橡膠元件首先應用于動力總成懸置系統中。橡膠懸置結構簡單，成本低廉，方便安裝和維護，同時具有較好的低頻隔振性能。然而，由于橡膠元件具有動剛度隨振動頻率升高而變大的性質，導致其在面對高頻激勵的時候隔振效果不理想。

繼橡膠懸置之后，研究人員開發出了液壓懸置系統。液壓懸置相較于普通橡膠懸置，其主要表現出的優良減振特性是：低頻振動時具有剛度高、阻尼大的特性，不僅可以有效地隔離衰減汽車行駛在不平路面上時以及怠速狀態時動力總成的穩態振動激勵，而且還可以很好地衰減發動機啟動、關閉或汽車加速、轉向、制動等不穩定工況下動力總成的非穩態振動激勵[4]。

目前，液壓懸置系統主要分為被動式、半主動式和主動式三種。被動式缺點在于不能滿足全部工況下的最優隔振性能。而主動和半主動液壓懸置系統存在著結構復雜、理論研究不充分、可靠性差、價格昂貴等問題，并沒有完成大規模的產業化。綜上所述，當下的車輛動力總成懸置系統大多還是以橡膠懸置系統為主。

1.2 駕駛室懸置系統

最初，橡膠懸置應用于駕駛室系統的時候，僅僅是兩個后懸置處加裝了橡膠元件，前面直接與車架鉸接在一起，稱為半浮式駕駛室系統;目前，學術界和工程界比較認可全浮式駕駛室系統。所謂全浮式駕駛室就是四個懸置點都加裝獨立橡膠元件的四點懸浮式駕駛室系統。近年來，也有不少學者嘗試從可控懸置的角度展開研究，取得了一些不錯的成果。不過，可控懸置系統理論欠缺、技術不成熟、成本較高，難以進入產業化階段。綜上所述，成本可控、技術成熟且可靠性較高的全浮式駕駛室懸置系統仍然是現代車輛最主要的隔振手段。

2 ?評價懸置系統性能優劣的指標

2.1 隔振率/傳遞率

在工程中，無法完全消除振動的傳遞，通常認為傳遞率大于20dB就滿足懸置系統的設計要求，根據公式換算我們知道發動機經懸置系統傳遞到車架上的振動衰減了10倍以上;對于重型車輛，一般要求隔振率滿足80%，即遞率大于14dB。隔振率/傳遞率的優化主要通過調節懸置元件的位剛度和阻尼等參數進行實現。

2.2 各自由度的能量解耦率

振動耦合是指一個方向上的振動對其他自由度的振動產生影響。根據產生原因的不同可分為慣性耦合和彈性耦合。慣性耦合是因為質量矩陣為非對角陣，而彈性耦合的產生是因為剛度矩陣為非對角陣。解耦率代表著這種耦合程度的嚴重性，解耦率越高，耦合程度越低，各自由度上的振動能量越集中。工程應用中，基本不可能讓解耦率達到100%，一般認為解耦率達到90%以上就可以認為該方向實現解耦。但對于重型車輛設計來說，在工程上只要求要求解耦率在主激振方向達到80%就可以。解耦率是懸置系統設計初期的性能評價指標。一般來說，解耦率的優化主要通過調節懸置點的位置參數進行實現。

3 ?懸置系統優化方法及算法

3.1 解耦率優化方法

目前，提升動力總成懸置系統解耦率的主要方法有兩種：移頻法與縮減耦合法。移頻法通過確定避免發生共振的頻率范圍來避免高度耦合，是避免耦合的簡單有效的方法[5];縮減耦合法則通過撞擊中心理論[6]、彈性中心理論、剛度矩陣解耦法[7]以及能量解耦法[8]等一系列理論方法在移頻法的基礎上進一步降低了發動機六個剛體模態之間的耦合度。其中前三種解耦的理論和方法主要適用于形狀相對規則的動力總成，而能量解耦法利用動力總成的六個固有模態振型確定懸置系統的能量分布，然后以此為依據判斷動力總成懸置系統是解耦程度，該方法基本脫離了發動機形狀類型以及隔振布置形式等具體特點的束縛，適用于形狀不規則的動力總成系統，也是當前解耦設計的一種主要方法[9]。

3.2 懸置系統優化算法

懸置系統的性能優化問題屬于多目標優化問題。長久以來，國內外研究人員在多目標優化算法的研究領域建樹頗豐，使得該領域的理論發展日趨豐富和完善。在懸置系統優化研究中應用較多的有內點算法、遺傳算法和粒子群算法。

3.2.1 內點算法（fmincon函數）

fmincon函數是matlab軟件自帶的求解帶有非線性約束問題最小值問題的函數，fmincon函數在求解問題時，有四個算法（trust-region-reflective、active-set、interior-point、sqp），經過對比發現，內點算法（interior-point）效果最好。以能量解耦指標為目標函數對動力總成懸置系統進行優化，是一個有許多局部最優解的優化問題，而上述fmincon函數就是一種局部優化函數，通常難以得到具有滿意解耦度的設計方案，所以需要采用一種全局優化算法。（圖1）

3.2.2 遺傳算法（GA）

遺傳算法是一種概率搜索法，通過對個體的選擇、交叉、變異，在全局范圍內尋優，是一種全局搜索能力很強的算法。搜索過程中不易陷入局部最優解，在工程應用中有著較好的效果，具體流程如圖2所示。

遺傳算法（GA）有較多的改進算法，比較著名的如非支配排序遺傳算法（NCGA）及其改進算法精英策略下快速非支配排序遺傳算法（NSGA_II）。

3.2.3 多目標粒子群算法（MOPSO）

多目標粒子群算法（MOPSO）是根據支配關系選擇Pareto最優解到非支配解儲備集，使種群向最優方向前進;并引入自適應網格方法，來保證其最優解分布多樣和均勻性[10]。該算法的流程圖如圖3所示。

4 ?總結

車輛懸置系統的優化研究，首先需要摸清各類減振元件的性能特點和主要優缺點，然后通過試驗或者仿真分析確定研究對象在NVH性能方面存在的欠缺。運用理論分析直接建立相應的數學模型或者通過相關理論分析建立 CAE（Computer Aided Engineer）仿真模型。完成優化指標分析、優化變量、目標函數選取約束條件的設定，逐步完善懸置系統優化方案，并以此確定需要的優化算法。通過計算機輔助運算，確定優化參數。利用之前建立好的仿真或者數學模型對參數優化后的懸置系統進行性能分析。最后，將改進后的懸置系統安裝到整車中進行實車測試，驗證優化效果。

參考文獻：

[1]載貨車座椅-駕駛室耦合系統的五懸置振動理論研究.

[2]重型載貨汽車動力總成懸置系統匹配分析及實驗研究.

[3]基于整車動力學的輪式裝甲車動力裝置減振優化.

[4]王殿鵬，張超群，王桂龍.基于頻譜技術的某客車振動測試分析[J].農業裝備與車輛工程，2013，51（8）：6-9.

[5]Bernard J E， Starkey J M. Engine Mount Optimization[J]. SAE Technical Paper， 1983.

[6]Brach M. Automotive Powerplant Isolation Strategies[C]. SAE Noise and Vibration Conference and Exposition. 1997.

[7]Hillis A J， Harrison A J L， Stoten D P. A comparison of two adaptive algorithms for the control of active engine mounts[J]. Journal of Sound & Vibration， 2004， 286（1）：37-54.

[8]WangLR， Wang JC， Hagiwara I. An integrated characteristic simulation method for hydraulically ?damped rubber mount of vehicle engine[J]. Journal of Sound & Vibration， 2005， 286（4）：673-696.

[9]李瑩，王天利，孫曉幫.汽車動力總成橡膠懸置系統性能研究綜述[J].農業裝備與車輛工程，2010（6）：3-5.

[10]基于改進遺傳算法和多目標粒子群算法的重載荷隔振平臺減振系統性能優化.