發(fā)動機懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

段兆鵬

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

關(guān)鍵詞：懸置系統(tǒng)；發(fā)動機；優(yōu)化設(shè)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(fā)動機懸置系統(tǒng)的主要作用是支撐動力總成、減少發(fā)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(fā)動機懸置系統(tǒng)的主要具體作用是起到支撐作用、抑制發(fā)動機的動態(tài)位移和降低發(fā)動機振動傳遞至車身，乘客感覺到的振動主要是由發(fā)動機、路面不平激勵源等振動源發(fā)生振動，通過發(fā)動機懸置系統(tǒng)傳遞至車身或車架上，引起車身或車架的振動。因此對于發(fā)動機懸置系統(tǒng)的性能提升和優(yōu)化，對提高汽車的NVH性能有重要的意義。

1 優(yōu)化設(shè)計發(fā)動機懸置系統(tǒng)的方法

發(fā)動機懸置系統(tǒng)的參數(shù)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(shù)優(yōu)化設(shè)計有較多可選擇的優(yōu)化方法，建立數(shù)學(xué)模型是針對具體的優(yōu)化設(shè)計目標和根據(jù)懸置系統(tǒng)性能要求定義的約束條件。研究者在進行優(yōu)化設(shè)計發(fā)動機懸置系統(tǒng)參數(shù)時，通常選取懸置系統(tǒng)的振動力傳遞率最小為目標函數(shù)；還有其他一些研究者以懸置系統(tǒng)合理的固有頻率、懸置系統(tǒng)的六自由度解耦和部分解耦為目標函數(shù)。

當(dāng)懸置系統(tǒng)的固有頻率與振動源的頻率相一致或者相近時，系統(tǒng)就發(fā)生共振現(xiàn)象，振動幅值大幅度增加，乘坐的舒適性極差。因此優(yōu)化設(shè)計懸置系統(tǒng)時應(yīng)使系統(tǒng)的固有頻率避開發(fā)動機工作的頻率范圍，合理地配置懸置系統(tǒng)的固有頻率。

2 系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計目標函數(shù)

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

上式中，W為加權(quán)系數(shù)，一個4個系數(shù)由人為自定義；f為系統(tǒng)固有頻率，f0為優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)固有頻率，dig為解耦性，當(dāng)其取值為100%時表示完成解耦。

2.2 設(shè)計變量

發(fā)動機懸置系統(tǒng)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(fā)動機的重量等因素有關(guān)。優(yōu)化設(shè)計發(fā)動機懸置系統(tǒng)參數(shù)一般不改變發(fā)動機的特性，不以發(fā)動機的質(zhì)量作為優(yōu)化設(shè)計變量，通常選擇懸置系統(tǒng)自身的參數(shù)如：懸置系統(tǒng)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(shè)計變量。另外，在懸置系統(tǒng)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(shè)計變量，本文選取懸置的總剛度作為設(shè)計變量。

2.3 約束條件

優(yōu)化設(shè)計發(fā)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(fā)動機動態(tài)位移的要求，需要在優(yōu)化設(shè)計過程中添加一定的約束條件進行優(yōu)化計算。通常研究者對懸置系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計所采用的約束條件是：形態(tài)約束和邊界約束。所謂形態(tài)約束是根據(jù)懸置系統(tǒng)的某項性能要求而設(shè)計的約束函數(shù)，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(shù)之間的相對約束關(guān)系。為了避免車身或車架和發(fā)動機發(fā)生共振，懸置系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開發(fā)動機的工作頻率范圍，發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)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(fù)慣性力，所以此時懸置系統(tǒng)Z方向上固有頻率應(yīng)適當(dāng)減少，具體的取值范圍應(yīng)為：6 Hz

3 優(yōu)化計算結(jié)果分析

對發(fā)動機懸置系統(tǒng)剛度參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計計算，迭代計算過程中目標函數(shù)的加權(quán)系數(shù)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(yōu)化前，發(fā)動機懸置系統(tǒng)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(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，重新計算懸置系統(tǒng)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(jié)果可知懸置系統(tǒng)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(tǒng)的固有頻率發(fā)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(shù)值來看，懸置系統(tǒng)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(jié)束語

發(fā)動機懸置系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是一個相對復(fù)雜的過程，對懸置系統(tǒng)的剛度不僅要求其相對降低來滿足減少由發(fā)動機振動通過懸置系統(tǒng)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(tǒng)的剛度相應(yīng)提高些，來滿足限制發(fā)動機動態(tài)位移。可知，懸置系統(tǒng)性能的好壞，對整車的性能以及車室內(nèi)乘客的乘坐舒適性有較大的影響。另外，理想的發(fā)動機懸置系統(tǒng)固有頻率應(yīng)避開發(fā)動機工作范圍的頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象。最后，對發(fā)動機懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，僅是數(shù)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，于德介，李蓉等.基于區(qū)間分析的發(fā)動機懸置系統(tǒng)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程，2014（12）：1503-1507.

[2]張武，陳劍.基于灰色粒子群算法的發(fā)動機懸置系統(tǒng)多目標優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計，2011，28（08）：57-62.

[3]張志強，徐鐵，陳丹華等.汽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)多目標設(shè)計優(yōu)化研究[J].噪聲與振動控制，2017，37（03）：117-121.