某商用车动力总成悬置系统优化
摘要：动力总成是车身振动的主要振源之一，其悬置系统的合理设计对于降低车身振动具有积极意义。针对某商用车悬置系统隔振性能不足开展优化研究，以解耦率、力传递率为优化目标，以固有频率的合理分配为约束条件，将悬置的刚度作为变量，采用遗传算法对悬置系统进行优化。通过对比分析可知，优化后的悬置系统最低解耦率较优化前的46.1 %上升至82.2 %，受激振力最大的垂直方向和绕曲轴方向解耦率分别达到98 %和95 %；动力总成经3 个悬置传递到车架上的动反力下降明显，隔振性能得到改善，优化方法的有效性得到验证。关键词：振动与波；悬置系统；解耦率；优化；频率响应动力总成是车辆的主要振源，其悬置系统设计参数匹配恰当能有效降低整车振动与噪声[1–2]，因此围绕动力总成悬置系统的优化问题展开了许多研究[3–4]。设计悬置系统的方法多是通过优化计算，合理匹配悬置的刚度、安装位置和安装角度，使其具有较高的振动解耦程度，从而降低动力总成到车架的振动传递率。目前，完成悬置系统优化之后主要是通过解耦率和固有频率的分配情况或者特定工况时悬置垂向动反力的大小反映隔振性能的优劣，然而任何一组比例相同的悬置刚度值对应的动力总成悬置系统可以具有相同的解耦率却具有不同的隔振率[5]，显然仅以解耦率作为主要指标评价悬置系统的隔振性能已经难以满足实际要求。文中针对某商用车悬置系统隔振不足问题，综合考虑解耦率和隔振率，采用遗传算法对悬置刚度进行优化，使悬置系统在实现能量解耦的同时还具备较好的隔振性能。再通过对优化前后的悬置系统进行强迫振动分析，分别得到3 个悬置的垂向动反力频率响应函数曲线和动力总成质心处垂向加速度频率响应函数曲线，从而分析悬置系统隔振性能的改善情况。为了研究动力总成悬置系统的固有特性，分析瞬态和稳态工况下的响应特性，需要建立6 自由度模型。考虑到实际情况的复杂性，建立动力总成悬置系统6 自由度模型之前应先进行结构简化。文中研究的动力总成按照三点式悬置纵置布置，将该商用车的动力总成及其车架假设为刚体，橡胶悬置元件简化为三向正交的弹性阻尼元件且两两之间互相垂直，另外车身视为接地的刚性体。在此基础上建立整个动力总成悬置系统简化的六自由度模型，如图1所示。图1 中G0-XYZ 坐标系为该商用车动力总成质心坐标系。X 轴平行于曲轴方向且与汽车前进方向相反，Z 轴垂直于活塞平面指向上方，Y 轴根据右手原则确定。动力总成在任意时刻的状态都可以用质心沿X、Y、Z 轴的平动x，y，z 和绕X、Y、Z 轴的转动α、β、γ 描述，即动力总成的6 个广义位移向量可以表示为：由于悬置系统的阻尼对固有特性的影响可忽略不计，因此通过拉格朗日定理将动力总成悬置系统的无阻尼运动微分方程表述为：[ M ]{Ẍ } + [ K ]{X} = 0 (1)式中：[ M ]为系统的质量矩阵，[ K ]为系统的刚度矩阵。评价动力总成悬置系统隔振性能的常用方法是能量解耦法，其应用广泛。当动力总成悬置系统以第i 阶固有频率振动时，第k 个广义坐标上的动能占系统总动能的比例为：式中：Tp为解耦率；Ai为系统第i阶主振型；( Ai )k、( Ai )l为Ai 的第k 个元素和第l 个元素；mkl 为系统质量矩阵第k 行l列元素。解耦的目的就是让各阶模态彼此独立，若能使系统充分解耦则在进行系统分析时可将各阶模态当作单自由度系统来处理，有助于改善隔振性能。由于悬置布置形式的限制，动力总成悬置系统实现完全解耦是不现实的，通常情况下认为解耦率达到80 %以上就表明这个方向上具有较高的模态能量。计算动力总成悬置系统的固有频率和解耦率需要悬置刚度、安装角度、安装位置以及动力总成惯性参数等数据作为支撑，这些参数可以通过相应的测试获得，初始数据如表1、表2 和表3 所示。其中前左悬置和前右悬置呈倒V型布置，与悬置平放时夹角均为50°，后悬置平放。根据上述理论编写相应的计算程序，由此便可得到原动力总成悬置系统的各阶固有频率和各向解耦率，如表4所示。表4 中数据显示原动力总成悬置系统的固有频率分布比较密集，3 阶固有频率和4 阶固有频率间隔仅为0.13 Hz，5 阶固有频率和6 阶固有频率间隔仅为0.17 Hz，容易产生模态重叠，需要进行调整。原动力总成悬置系统Z 方向解耦率仅为81.3 %，与Y方向耦合严重；RX 方向解耦率仅为53.7 %，与X 方向和RY 方向耦合严重。在悬置系统设计中，尤其关注Z 方向和RX 方向实现充分解耦，此处解耦率不满足要求。另外X 方向解耦率仅为46.1 %，与RX 方向和RY 方向耦合严重；Y 方向解耦率仅为72 %，与Z方向和RX 方向耦合严重；RY 方向解耦率仅为72.5 %，与X 方向耦合严重；只有RZ 方向解耦率达到100 %，符合要求。通过前述分析，原6 自由度系统中5 个方向的解耦率偏低，均与其它方向存在严重耦合的情况，会导致共振频带过宽，振动能量衰减很慢，从而影响悬置系统的隔振性能，因此必须针对原悬置系统进行优化。文中为了缩短动力总成悬置系统的共振频带并降低发动机经由悬置系统传递到车架上的动反力，将6 自由度解耦和振动力传递率作为优化目标。力传递率定义为悬置系统传递的力与激励力的比值的绝对值，通常用它来描述和评价悬置系统的隔振效果[6]。由于由发动机产生的激振力主要在Z 方向和RX 方向，故在悬置系统充分解耦的前提下本次优化中重点考虑怠速工况时Z 方向的力传递率。解耦率方面，受激振力最大的Z 方向和RX 方向的解耦率不得低于95 %，其余4 个方向不得低于80 %，以此缩短共振频带且快速衰减振动能量。因此本次研究的优化目标函数主要包括6 个方向的刚体模态解耦率和怠速工况时Z 方向的力传递率，优化目标函数可表示为：式中：ωi 为第i 阶能量的加权因子，Tpi为第i 阶模态主振动方向能量百分比，TZ 表示怠速工况时Z 方向的力传递率。为避免各阶模态重合，将模态频率间隔最小值设置为0.5 Hz[7]。动力总成悬置系统的各阶模态应避开车身刚体模态和簧下质量垂直跳动模态，车身刚体的6 阶模态在1 Hz～3 Hz 之间，簧下质量垂直跳动模态在15 Hz～18 Hz 之间；根据隔振理论悬置系统最高阶固有频率应当低于怠速工况时发动机激励频率的0.707 倍，本次研究要求低于17.68 Hz；人体对垂直振动最敏感的频率范围在4 Hz～6 Hz，悬置系统的垂直固有频率应远离此范围，综上可知模态频率需要控制在6 Hz～15 Hz 之间。另需考虑绕曲轴方向的固有频率应小于汽车怠速振动频率的1/2，同时远离汽车俯仰方向的固有频率。悬置的刚度决定了传递路径的隔振能力，是影响车辆振动和噪声的关键因素[8]。由于该动力总成悬置的安装位置和角度已经确定，若再进行改动会给整车布置带来不便，因此本次优化中只将3 个悬置的三向刚度作为变量，依然能够起到改善隔振效果的作用。原悬置系统除隔振性能不足以外，支承和限位功能均满足要求，为避免优化后零部件之间的干涉以及尽可能减少后续实验的工作量，所有优化变量均只进行微调。遗传算法是一类借鉴生物界的进化规律演化而来的随机化搜索方法，其具备更好的全局寻优能力，它自上个世纪诞生以来便广泛应用于各个工程领域，因此通常使用遗传算法进行动力总成悬置系统多目标优化[9]。遗传算法基本流程如图2 所示。相关参数设置如下：种群大小为200，进化代数为400，交叉概率为0.8，变异概率为0.05。将优化目标、约束条件、优化变量等代入模型中，经过遗传算法优化后可以得到parto优化解集。由于parto 优化解集存在多组数据，应该根据具体需求从中选择一组最合适的解作为优化方案，本次研究通过对解耦率进行加权计算的方式从优化解集中得到最终的多目标优化解。优化后的悬置刚度如表5 所示。为方便后续的零件加工，数据已进行圆整处理，后续计算固有特性以及进行动力学仿真均以该数据为准。表6 中数据显示优化后各阶固有频率之间的间隔均大于0.5 Hz，避免了模态重叠。优化后悬置系统的最低阶固有频率为6.90 Hz，最高阶固有频率为11.02 Hz，两者均满足处于6 Hz～15 Hz 的约束条件；Z 方向固有频率为10.36 Hz，满足远离4 Hz～6Hz的约束条件；RX 方向固有频率为9.73 Hz，满足小于怠速振动频率的1/2（12.5 Hz）的约束条件。优化后的悬置系统各阶固有频率较优化前均有所下降，这样在相同激励频率之下，频率比得到有效提高，力传递率随之减小。表7 中数据显示优化后Z 方向解耦率由81.3 %上升至98 %，符合预期要求；RX 方向解耦率由53.7 %大幅提高至95 %，满足目标要求；X 方向解耦率由46.1 %提高到82.6 %，Y 方向解耦率由72 %提高到84.2 % ，RY 方向解耦率由72.5 %提高到82.2 %，RZ 方向解耦率仍然保持100 %，均满足工程实际要求。动力总成悬置系统经遗传算法优化后解耦率大幅提升，有效缩短了共振频带，使振动能量能够快速衰减，隔振性能得到改善。为了进一步客观评价优化后悬置系统的隔振性能，对优化前后的悬置系统进行强迫振动分析。根据该动力总成的工作特点，在其质心处建立一个作用在X 方向的简谐激励力矩作为激励输入；在前左悬置、前右悬置、后悬置的Z 方向建立垂向动反力响应输出通道，在动力总成质心的Z 方向建立垂向加速度响应输出通道。将此处激励设为正弦扫频激励，仿真频率为0.1 Hz～30 Hz。图3 至图5 为前左悬置、前右悬置和后悬置在优化前后垂向动反力频率响应函数曲线，图6 为动力总成质心在优化前后垂向加速度频率响应函数曲线。由图3 至图6 可知，优化前3 个悬置的垂向动反力频率响应函数幅值的峰值以及动力总成质心处垂向加速度频率响应函数幅值的峰值均在11.25 Hz处，优化后则在10.36 Hz 处，与计算结果相符。图3显示前左悬置垂向动反力频率响应函数幅值的峰值由优化前的238 降至优化后的146.2，降幅为38.6 %；图4 显示前右悬置垂向动反力频率响应函数幅值的峰值由优化前的190.8 降至优化后的106.3，降幅为44.3 %；图5 显示后悬置垂向动反力频率响应函数幅值的峰值由优化前的294.2 降至优化后的69.7，降幅为76.3 %；图6 显示动力总成质心处垂向加速度频率响应函数幅值的峰值由优化前的2 降至优化后的0.9，降幅为55 %。当激励频率经过共振频率以后，优化后3 个悬置的垂向动反力频率响应函数幅值以及动力总成质心处垂向加速度频率响应函数幅值较优化前仍呈下降趋势。综合上述分析可知，优化后的悬置系统隔振性能得到一定的改善。针对某商用车动力总成悬置系统隔振不足问题，采取优化措施改善其隔振性能。建立动力总成悬置系统动力学模型，以解耦率和力传递率为目标函数，运用遗传算法对悬置的三向刚度进行优化，得到满足设计要求的优化结果。优化后动力总成悬置系统各阶固有频率分配合理，避免了模态重叠；最低解耦率达到82.2 %，且垂直方向和绕曲轴方向解耦率分别达到98 %和95 %，有效缩短了共振频带；动力总成经悬置系统传递到车架上的动反力下降明显，证明其隔振性能得到改善，该方法能够应用于悬置系统的优化设计。作者单位：（ 重庆大学汽车工程学院，重庆400044 ）免责申明：本公 众 号所载文章为本公 众 号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！
著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-20
最近编辑：1年前
作者推荐
