基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置NVH分析

張彥斌，周宏濤，賀新峰，張 晨，王 文

基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置NVH分析

張彥斌1，周宏濤1，賀新峰2，張 晨1，王 文1

（1.湖南中車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

基于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，合理選擇設(shè)計(jì)變量、約束條件及優(yōu)化目標(biāo)，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用多島遺傳算法對(duì)其進(jìn)行求解。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行懸置軟墊試制及裝車(chē)測(cè)試，結(jié)果表明，優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)在振動(dòng)、噪聲方面都有明顯的改善。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置；NVH分析；多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的主要振源之一，其振動(dòng)經(jīng)懸置傳遞給車(chē)架和車(chē)身，進(jìn)而影響整車(chē)的乘坐舒適性。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)起支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、雙重隔振作用,因此發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)汽車(chē)整車(chē)的減振降噪至關(guān)重要[1-4]。

本文以某款插電式城市客車(chē)搭載某型四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置為研究對(duì)象，采用多目標(biāo)優(yōu)化對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行軟墊試制及裝車(chē)，并用LMS Test Lab進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)的NVH性能得到改善，從而探索出了一種在設(shè)計(jì)初期就能優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)NVH性能的方法。

1 懸置系統(tǒng)模型建立

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的懸置點(diǎn)數(shù)根據(jù)動(dòng)力總成的長(zhǎng)度、用途、質(zhì)量和安裝方式可以有3、4、5、6點(diǎn)懸置。四點(diǎn)懸置因其具有良好的穩(wěn)定性、能克服較大的轉(zhuǎn)矩反作用力，因此廣泛用于四缸、六缸發(fā)動(dòng)機(jī)上。本文中的發(fā)動(dòng)機(jī)總成包括發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，長(zhǎng)度為1 177 mm，質(zhì)量為558 kg，屬于長(zhǎng)度、質(zhì)量都中等，并結(jié)合底盤(pán)總布置特點(diǎn)，所以采用四點(diǎn)懸置，且左右對(duì)稱，其中兩點(diǎn)固定在發(fā)電機(jī)上，另兩點(diǎn)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步選擇懸置軟墊，并建立三維模型，如圖1（a）所示。此模型對(duì)應(yīng)的懸置軟墊的剛度、位置如表1所示，而安裝角度均為45°。此外，按照發(fā)動(dòng)機(jī)慣用術(shù)語(yǔ)，將發(fā)電機(jī)端定義為發(fā)動(dòng)機(jī)前，將皮帶輪端定義為發(fā)動(dòng)機(jī)后。

表1 懸置參數(shù)

為方便計(jì)算，將發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：將懸置軟墊簡(jiǎn)化為3個(gè)相互垂直的線性彈簧；發(fā)動(dòng)機(jī)總成剛性大，將其懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)化為6個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。

基于上述三維模型及簡(jiǎn)化，并將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性積等參數(shù)代入，在ADAMS/View中建立發(fā)動(dòng)機(jī)總成懸置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖1（b）所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)模型

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的振動(dòng)是耦合的，比較復(fù)雜。此外，優(yōu)化的變量包括：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置位置、軟墊剛度、安裝角度，屬于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。而多島遺傳算法在解決多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)，故本文采用多島遺傳算法進(jìn)行求解。

2.1 多島遺傳算法簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的單種群遺傳算法容易陷入早熟，而多島遺傳算法（MIGA）作為一種偽并行遺傳算法則可避免早熟和加快收斂速度，可以更好地在多目標(biāo)優(yōu)化域中尋找全局最優(yōu)解。該算法將種群的個(gè)體被分為幾個(gè)子群，這些子群定義為“島”，對(duì)每個(gè)“島”進(jìn)行傳統(tǒng)的遺傳算法，然后將這些“島”之間進(jìn)行“移民”，這樣就形成了大量的設(shè)計(jì)點(diǎn)和多重設(shè)計(jì)空間，也避免了局部最優(yōu)解，能有效地找到全局最優(yōu)解[5-6]，具體流程如圖2所示。

圖2 第i代與第i+1代之間進(jìn)化流程

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型建立及求解

根據(jù)總布置及車(chē)架的特點(diǎn)，確定懸置的位置坐標(biāo)范圍；根據(jù)懸置產(chǎn)品加工經(jīng)驗(yàn)，確定了橡膠懸置剛度的范圍[80,900]N/mm；安裝角度范圍為[0,45°]；根據(jù)頻率分布合理性原則，頻率間隔≥1.5 Hz；根據(jù)隔振理論，系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)該小于激勵(lì)頻率的1/倍，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為750 r/min，則發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率為25 Hz，因此懸置系統(tǒng)頻率≤17.68 Hz。在汽車(chē)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中，解耦率一直都是評(píng)價(jià)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)性能的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此本文以解耦率為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

綜上，建立多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Fi為第i階模態(tài)的解耦率；wi為對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，本文中wi=1；F為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；Kf_、Kd_分別為前、后懸置的剛度；Af、Ad分別為前、后懸置的安裝角度；Df_、Dd_分別為前、后懸置的安裝位置；fi為第i個(gè)自由度固有頻率。

采用命令流的方式將Isight與Adams/View集成，將多目標(biāo)優(yōu)化模型和結(jié)構(gòu)有限元模型輸入，用Isight中的多島遺傳算法進(jìn)行求解計(jì)算，結(jié)果如表2所示。另外，前懸置的安裝角度為35°，后懸置安裝角度為0°。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

2.3 分析評(píng)價(jià)

1）解耦率計(jì)算。理想的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)是完全解耦的，但實(shí)際中幾乎不可能做到完全解耦，因此解耦率成為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)懸置設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)指標(biāo)。將上述優(yōu)化的懸置位置、剛度、安裝角度帶入模型，得到解耦率，如表3所示。

表3 固有頻率和能量分布 Hz

從表3可以看出，最小固有頻率為5.97 Hz,有效地避開(kāi)了路面激勵(lì)（頻率≤3 Hz）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響；z向（最小頻率9.94 Hz）和Rxx方向（最小頻率15.77 Hz）避開(kāi)了人體最為敏感的5～7 Hz；而且頻率間隔最小也達(dá)到了1.5 Hz，避免了寬頻振動(dòng)；最大頻率為15.77 Hz，≤17.68 Hz，滿足隔振要求。從解耦率看，該懸置系統(tǒng)在各個(gè)方向上的解耦率都大于87%，實(shí)現(xiàn)了比較理想的解耦（≥85%）。

2）極限位移計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的工況是汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的常用工況和極端工況的組合。各大知名汽車(chē)公司根據(jù)不同路面、使用狀況和地區(qū)，總結(jié)了一系列汽車(chē)駕駛工況，以此作為新車(chē)初期開(kāi)發(fā)的分析數(shù)據(jù)，總共有28個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況[7-8]。根據(jù)通用GMW 14116標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合上述28種典型工況，本文制定了適合城市客車(chē)的9類工況，如表4所示。在動(dòng)力學(xué)模型質(zhì)心位置加載這9種典型工況，計(jì)算得到極限位移，如表4所示。從表4中可以看出，3個(gè)方向的最大位移分別為10.4 mm、8.67 mm、13.55 mm，滿足設(shè)計(jì)要求（≤20 mm）。

表4 典型工況的定義及其位移

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的NVH性能校核包括在各種工況下的駕駛員座椅的振動(dòng)、車(chē)內(nèi)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)處的振動(dòng)及其懸置軟墊的隔振率[9]。為了驗(yàn)證優(yōu)化效果，將優(yōu)化前的懸置軟墊和優(yōu)化后的懸置軟墊進(jìn)行裝車(chē)，用LMS Test Lab測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析處理。測(cè)試的工況包括怠速、定置升速、啟動(dòng)/熄火、緩加速，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。振動(dòng)測(cè)試的點(diǎn)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)左前、左后、右前、右后懸置處，車(chē)內(nèi)駕駛員座椅導(dǎo)軌處；噪聲測(cè)試位置是車(chē)廂中部乘客耳旁高度處。振動(dòng)數(shù)據(jù)量太大，不方便一一展示，但4種工況下的趨勢(shì)都一致，故只以怠速工況下的為例，圖3（c）是導(dǎo)軌處的z向振動(dòng)，圖3（d）是發(fā)動(dòng)機(jī)左前懸置處的z向振動(dòng)。

圖3 不同工況下的振動(dòng)、噪聲圖

3.2 結(jié)果分析

從圖3可以看出，優(yōu)化后車(chē)內(nèi)的振動(dòng)、噪聲降低了，即NVH性能提高了，但是發(fā)動(dòng)機(jī)處的振動(dòng)幾乎沒(méi)變。造成發(fā)動(dòng)機(jī)處振動(dòng)沒(méi)變的原因是試驗(yàn)所用車(chē)輛和路面均相同。造成車(chē)內(nèi)NVH性能得到改善的原因是應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法改變了懸置系統(tǒng)頻率的分布，使其分布更加合理，從而在相同激勵(lì)的情況下，傳遞到整車(chē)的振動(dòng)和噪聲大大降低；由于優(yōu)化后的懸置剛度增大，故隔振率稍微有所降低，但都大于85%，滿足隔振要求。此外，懸置剛度的增大會(huì)使疲勞強(qiáng)度得到一定的提高，從而在隔振率和疲勞強(qiáng)度之間找到了合理的平衡點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用Isight軟件中的多島遺傳算法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解計(jì)算。在怠速、定置升速、緩加速、啟動(dòng)/熄火4種工況下測(cè)試了優(yōu)化前和優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)懸置NVH性能。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的車(chē)內(nèi)NVH性能較優(yōu)化前有很大的提高。

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Analysis on NVH of Bus Engine Mounting Based on Multi-object Optimization Design

Zhang Yanbin1,Zhou Hongtao1,He Xinfeng1，Zhang Chen1,Wang Wen1
(1.Hunan CRRC Times Electric Vehicle Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China;2.Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China)

Based on the dynamic model of engine mounting structure,the authors reasonably choose the design variables,constraint conditions and optimization targets to establish a multi-object optimization model,and use multi-island genetic algorithm to solve.On the lightof optimization results,they trial-produce mounting soft-cushions and load them on the bus to test.The results show that the optimized mounting system has obvious improvement in vibration and noise.

mounting system;NVH analysis;multi-objective optimization design

U464

A

1006-3331（2017）05-0005-04

張彥斌（1989-），男，設(shè)計(jì)師；主要從事新能源客車(chē)底盤(pán)技術(shù)研究工作。

修改稿日期:2017-04-07