基于Adams软件的发动机右悬置总成优化设计

龙祖荣，程志谋，杨 红，罗彦飞

（东风柳州汽车有限公司 技术中心，广西 柳州 545005）

随着人们生活水平的提高，对车辆舒适性能的要求也越来越高。发动机是车辆的一个主要振源，其振动经悬置系统传递至车身。所以悬置系统的设计，是汽车减振的关键因素之一。

在悬置系统设计过程中，根据发动机总成、主要激振力、安装条件等因素，确定基本的设计参数，然后借助Adams建立虚拟样机，实现在计算机上仿真复杂机械系统的运动和动力性能，计算出模态频率和振型、解耦水平等，为我们设计、优化一个悬置系统，提供了高效的途径。

1 发动机悬置系统设计

发动机悬置系统，包括发动机总成（发动机、变速箱）以及数个悬置元件，发动机总成通过悬置元件与车身相连。

发动机悬置系统的减振性能，受到多种设计因素的影响，主要有：

（1）刚度。悬置元件在3个弹性主轴方向上的（动、静态）刚度；

（2）阻尼。悬置元件在3个弹性主轴方向上的（动、静态）阻尼；

（3）布局。悬置元件的空间布局方式（位置坐标）；

（4）角度。悬置元件弹性主轴与动力总成质心坐标轴间的夹角；

（5）质量特性。动力总成的刚体质量、质心、转动惯量及惯性积。

发动机悬置系统的设计，根据发动机总成的惯性参数及悬置系统的布局，通过匹配各悬置的刚度，来实现发动机缸体模态的解耦和模态频率的合理分布。模态耦合将导致发动机总成的振幅加大，共振频率范围过宽，若模态频率与激振力的频率相近，将会导致共振。

2 Adams在设计优化中的工程应用

2.1 建模

某车型配备直列四缸涡轮增压发动机，在发动机怠速时地板有较大的振动，因此需要对现有发动机悬置系统进行评价及改进。动力总成采用三点悬置，左、右悬置与车身纵梁连接，后悬置与副车架连接。发动机总成惯性参数如表1所示。

表1 发动机总成转动惯量及惯性积

在多体动力学软件Adams/View中建立发动机悬置系统动力学模型，假设发动机总成为刚体，而悬置简化为一端固定在发动机上另一端固定到车架上的弹性体，具有沿3个轴线方向的线刚度和阻尼，在Adams软件中，轴套（Bushing）工具也具有3个方向的线刚度和阻尼，因此可用轴套模拟橡胶悬置。车架视为刚体，轴套（Bushing）一端与发动机相连，另一端可直接与大地相连。在模型中给（Bushing）施加相同的三向刚度值，安装位置参照实物如图1所示。

图1 动力总成悬置系统Adams模型

2.2 悬置优化计算

在模型中建立驱动力时，可以把发动机气缸内燃气压力延拓为周期函数，这样其他相关的力，用周期函数近似表达，就较好地模拟了实际发动机的工作状况，可以获取各个转速下的往复惯性力和力矩。

发动机气缸内燃气温度可达到900～1 000℃，对活塞的压力3～5MPa。发动机转速n=750 r/min。

通过以上分析，把数据代入公式可得：

由于该车型的发动机安装位置、方式以及悬置软垫的形状已基本确定，结合车型的实际情况分析，靠发动机侧的右悬置处的车身纵梁处振动比较大，所以悬置优化设计变量选择右悬置刚度：

（1）右悬置总成Z方向的拉压刚度；

（2）右悬置总成X方向的剪切刚度

（3）右悬置总成Y方向的剪切刚度。

从工况条件出发，依据有关振动理论并结合工程经验，确定如下的优化设计约束条件：

一是悬置处发动机一侧的位移动态响应幅度，不大于10 mm；

二是质心处的位移动态响应幅度，不大于5 mm；

三是为避免悬置动态频率接近怠速频率，Z向刚度不大于800 N/mm。

2.3 优化设计及结果分析

发动机悬置系统的评价指标，主要有悬置元件的振动衰减率是否满足要求；振动的解耦程度是否满足要求；模态频率的分布是否满足要求。第一个主要通过试验来测得，故此，我们首先来分析后两个因素。

发动机悬置系统的动力学模型，是一个空间六自由度的振动系统，沿X方向的运动称为纵移，沿Y方向的运动称为横移，沿Z方向的运动称为竖移，绕X轴的转动称为侧倾，绕Y轴的转动称为俯倾，绕Z轴的转动称为横摆。

对于实际的发动机悬置系统，其固有振型一般不是单一的沿上述6个方向的，而是沿着某几个方向的运动合成，并且在发动机激振以后，还存在耦合振动，即同时存在2个以上的振型。

我们利用Admas/Linear、Admas/Vibaration振块耦合程度分析和模态频率分布分析，对发动机悬置系统进行分析，得到各个模态的固有频率如表2所列。

表2 6个模态的固有频率（Hz）

振型如图2所示。

图2 发动机悬置系统6个模态振型

6个模态中各个自由度的能量分布，如表3所列。

表3 优化后的发动机悬置系统六个模态中各个自由度的能量分布百分比（%）

发动机悬置系统的频率分布在5～15 Hz，高于车身的垂直方向的频率，又低于传动系统的扭振频率，是发动机悬置系统的合理频率分布范围，优化后右悬置的刚度如表4所列。

该悬置系统模态能量解耦状况，总体上获得了一定程度的提高，但由于受到约束条件的限制，悬置系统解耦还无法完全达到理想的效果。

根据计算结果开发新悬置软垫，分别测量了悬置及车身的振动试验数据，如表5所列。

从试验结果对比可以看出，发动机怠速振动有了很大的改善。

3 结束语

汽车发动机悬置系统的设计，既是复杂的，又是重要的。本文通过利用Admas软件，建立发动机悬置系统的空间六自由度的振动模型，在求解悬置系统主要振型和能量解耦的基础上，优化悬置刚度，并根据优化后的刚度参数，开发悬置样件；通过试验验证了新开发的悬置系统，更好地衰减了动力总成向车身的振动传递，为以后发动机悬置系统的优化设计及多目标优化计算，奠定了良好的基础。

[1]上官文斌.发动机悬置系统的优化设计[J].汽车工程，1992，（2）：103-110.

[2]阎红玉，等.发动机-悬置系统的能量法解耦及优化设计[J].汽车工程，1993，（6）：21-24.

[3]李红松.汽车发动机悬置系统主要特征参数的计算分析[J].重庆工学报，2005，19（8）：14-15.

[4]史文库，洪哲浩，赵 涛.汽车动力总成悬置系统多目标优化设计及软件开发[J].吉林大学学报，2006，36（5）：25-27.

[5]李建康，郑立辉，宋向荣.汽车发动机悬置系统动刚度模态分析[J].汽车工程，2009，31（5）：35-38.