某直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)模態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王楷焱 任曉雪

摘要：本文針對(duì)某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)解耦率較差的問題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先通過多體動(dòng)力學(xué)軟件，建立6自由度發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)模型，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析和計(jì)算。以懸置元件的剛度和位置參數(shù)為主要設(shè)計(jì)變量，懸置系統(tǒng)模態(tài)能量解耦率為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的解耦水平有顯著提高。

Abstract： Aiming at the problem of poor modal decoupling rate of a four cylinder engine， the modal optimization design of engine mounting system is carried out. Firstly， the model of 6-DOF engine mounting system is established by multi-body dynamics software. The modal analysis of the model is carried out. The stiffness and position parameters of the mounting elements are chosen as the main design variables， and the modal energy decoupling rate of the mounting system is taken as the optimization objective. After optimization， the decoupling level of engine mounting system is improved significantly.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置;模態(tài)解耦;優(yōu)化設(shè)計(jì);遺傳算法

Key words： engine mounting system;modal decoupling;optimization design;genetic algorithm

中圖分類號(hào)：U464.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0007-02

0 ?引言

21世紀(jì)后，我國的汽車技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，整個(gè)汽車行業(yè)對(duì)汽車的性能和品質(zhì)得到更大的重視。汽車的NVH性能作為汽車品質(zhì)的重要代表，得到了企業(yè)和科研人員的格外關(guān)注。汽車的主要振動(dòng)噪聲源有很多，包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、路面、氣流、傳動(dòng)系統(tǒng)等。其中最為主要的振動(dòng)噪聲源就是發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲一般可以通過整車聲學(xué)包、整車隔聲、隔振的方式進(jìn)行控制。在這些手段中，最為重要的就是通過發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行控制。

發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)懸置是一種連接發(fā)動(dòng)機(jī)和車身/副車架的彈性元件，常用的類型包括液壓懸置和橡膠懸置。整車一般采用三到四個(gè)懸置元件組成懸置系統(tǒng)，形成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的支撐。懸置系統(tǒng)最主要的作用除了支撐發(fā)動(dòng)機(jī)外，就是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行隔離，減少傳遞到車內(nèi)的振動(dòng)，提高整車的NVH水平[1]。

懸置系統(tǒng)模態(tài)解耦水平的優(yōu)劣，會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的隔振效果。模態(tài)解耦率低，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)耦合的現(xiàn)象，加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)[2]。對(duì)懸置系統(tǒng)模態(tài)的分析和優(yōu)化，一般多基于多體動(dòng)力學(xué)軟件或者M(jìn)atlab軟件分析[3-4]。本文主要通過多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)懸置系統(tǒng)建模，并進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算。通過聯(lián)合仿真優(yōu)化的方式，采用遺傳算法對(duì)模型的模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

1 ?懸置系統(tǒng)模態(tài)理論

設(shè)6自由度動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的質(zhì)量為m，懸置位移為q，根據(jù)拉格朗日方程可以得到系統(tǒng)的振動(dòng)方程為：

（1）

式中，M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;F為懸置受力矩陣。

對(duì)式（1）進(jìn)行微分方程的求解，可以得到懸置系統(tǒng)的各階模態(tài)頻率ωi，以及各階模態(tài)的振型φi。

各階模態(tài)能量占比可以表示為[5]。

（2）

式中，mkl為質(zhì)量矩陣M中的元素。當(dāng)某階模態(tài)的模態(tài)能量占比較大時(shí)，說明該階模態(tài)的能量集中。

2 ?發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)建模仿真

2.1 動(dòng)力總成的建模

由于動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)，變速器，離合器，發(fā)動(dòng)機(jī)附件）自身模態(tài)頻率相對(duì)于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)頻率高很多，因此在研究過程中將動(dòng)力總成簡化為剛體，用質(zhì)量單元模擬，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)液體部分的質(zhì)量影響，根據(jù)動(dòng)力總成的試驗(yàn)測得的質(zhì)量和慣量參數(shù)，對(duì)質(zhì)量單元進(jìn)行設(shè)置。

2.2 懸置元件的建模

動(dòng)力總成懸置元件通常采用橡膠懸置元件或橡膠液壓懸置元件，其特點(diǎn)是能夠在橫向、縱向和垂向?qū)?dòng)力總成進(jìn)行有效支撐，并對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行衰減。因此在建模過程中考慮到懸置元件的這一特性，采用彈簧阻尼單元“bushing”對(duì)其進(jìn)行擬合，以保證模型動(dòng)態(tài)仿真的準(zhǔn)確性，建立“bushing”后，在模型中對(duì)懸置元件的剛度和阻尼參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 仿真分析

對(duì)懸置系統(tǒng)模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

仿真結(jié)果表明該動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的Y、Z、Rxx，三個(gè)方面的模態(tài)能量解耦集中度好，分別達(dá)到了97.54%、96.32%和96.71%，而X、Ryy、Rzz三個(gè)方向的解耦較差，其中Rzz還不到60%，即在這三個(gè)頻率下，懸置系統(tǒng)容易產(chǎn)生振動(dòng)耦合問題，因此，需要對(duì)這三個(gè)模態(tài)的能量解耦率進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。

3 ?懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化目標(biāo)及設(shè)計(jì)變量

根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化目標(biāo)選擇懸置系統(tǒng)各階模態(tài)的主振動(dòng)方向的模態(tài)能量占比為優(yōu)化目標(biāo)，將各階模態(tài)的能量解耦率不能低于90%，各階模態(tài)的模態(tài)頻率間隔大于等于1Hz設(shè)置為優(yōu)化約束條件。

懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變量是懸置系統(tǒng)可優(yōu)化的參數(shù)，通常包括了懸置元件的安裝位置參數(shù)、懸置元件的剛度參數(shù)和懸置元件的阻尼參數(shù)等等。但是，阻尼參數(shù)一般對(duì)懸置系統(tǒng)的模態(tài)的影響非常小，所以不作為優(yōu)化變量進(jìn)行設(shè)置。這里，選擇懸置系統(tǒng)的位置參數(shù)，包括：左懸置X向、Y向、Z向安裝位置，右懸置X向、Y向、Z向位置參數(shù)，以及扭力桿X向、Y向、Z向懸置安裝位作為優(yōu)化變量。同時(shí)懸置系統(tǒng)的剛度參數(shù)，包括：左懸置X向，Y向，Z向剛度、右懸置X向、Y向、Z向剛度、以及扭力桿懸置X向、Y向、Z向剛度，作為優(yōu)化變量。懸置的剛度和位置變量的變化范圍為上下20%。

3.2 仿真優(yōu)化原理

模型優(yōu)化流程如圖1所示。首先，在ADAMS中將懸置元件的剛度和坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)化處理，形成設(shè)計(jì)變量。通過相應(yīng)的接口，實(shí)現(xiàn)ADAMS軟件和Matlab的數(shù)據(jù)交互。在Matlab軟件中建立遺傳算法程序，以懸置的位置和剛度作為算法中的個(gè)體，初值種群數(shù)為200，通過ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，將優(yōu)化目標(biāo)反饋到Matlab中，Matlab對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行判斷，如果不滿足要求，則將種群進(jìn)行交叉和變異，產(chǎn)生新種群后繼續(xù)進(jìn)行仿真分析，直到滿足優(yōu)化要求。

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化結(jié)果，如表2所示。優(yōu)化結(jié)果表明懸置系統(tǒng)的X、Ryy、Rzz的模態(tài)能量集中度均有所提高，其中Rzz方向提高的幅度最大，提高了157.2%，優(yōu)化后主振型模態(tài)能量占比達(dá)到92.06%，Ryy方向也提高了13.3%，優(yōu)化后主振型模態(tài)能量占比達(dá)到98.49%。證明了優(yōu)化的有效性。

4 ?結(jié)論

本文采用ADAMS軟件，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)模型進(jìn)行了模態(tài)分析。分析結(jié)果表明該懸置系統(tǒng)的X、Ryy、Rzz三個(gè)方向的模態(tài)解耦率較差，會(huì)產(chǎn)生模態(tài)耦合問題。通過ADAMS與Matlab軟件聯(lián)合仿真優(yōu)化，以懸置元件的剛度參數(shù)和位置參數(shù)為優(yōu)化變量，以懸置主振型模態(tài)能量占比最大為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用遺傳算法，對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明X、Ryy、Rzz三個(gè)方向的模態(tài)能量集中度均得到了有效提高，滿足了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（20180550710）; 中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2019M651147）;遼寧省博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（2020-BS-156）。

作者簡介：王楷焱（1983-），男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制方面的研究。