发动机测试台动力总成悬置系统优化设计

牛 水

天津科达动力测控技术有限公司

发动机测试台动力总成悬置系统优化设计

牛 水

天津科达动力测控技术有限公司

由于汽车市场发展越来越快，人们对汽车的乘坐舒适性越来越重视。其中，发动机的减振是急需解决的问题之一，动力总成悬置系统的设计研究也显得越来越重要，合理地匹配悬置系统参数是提高整车性能的关键。目前，多采用优化方法对悬置系统的刚度参数进行优化，匹配合理的悬置系统刚度，以减小发动机传递到支承系统的振动。因此，在匹配悬置系统参数时不但要考虑悬置系统的刚度，还要考虑悬置系统的阻尼。

发动机；动力总成悬置；设计

随着市场的发展和科技的进步，商用车噪声、振动与声振粗糙度(Noise, Vibration and Harshness, NVH)称为衡量商用车性能的重要指标，其性能是整车厂和相关零/部件开发商共同关注的重要问题，因为汽车NVH给用户带来最为直接的感受。汽车NVH问题是综合性的复杂工程问题，拥有良好的NVH性能往往也体现了汽车设计实力与品牌价值。

1 某发动机测试台动力总成悬置系统优化设计

表1 所示为自卸车原地驻车试验所用的测试设备

1.1 悬置系统模型的建立

研究的动力总成悬置结构为6点支撑，呈对称分布。发动机前悬置为左、右两点，分别固定于发动机缸体左、右两侧前下方，通过左、右支架于车架纵梁腹板面连接，前悬置与地面呈30°倾角，后悬置点位于飞轮壳两侧，通过左、右支架于车架纵梁腹板面连接，后悬置与地面平行，辅助支撑通过横梁吊装变速箱尾部，与车架纵梁腹板面连接，辅助支撑与底面平行。

1.2 悬置系统优化运用

LMSVirtual.Lab优化模块分别对发动机转速为700、1500、2300r/min下的悬置系统进行优化。为满足动力总成支撑定位功能，约束条件为橡胶悬置的形变量，前悬置不能超过6mm，后悬置不能超过10mm，辅助支撑不能超过2mm，优化目标为悬置下车架点处振动R MS值最小化，其中三种转速的权重系数分别为0.6、0.3、0.1，统计自卸车在工地实际作业状况得出的时间比，怠速700r/min工况使用最多，其次为1500r/min工况，因为当自卸车卸货时，需要提高发动机转速，从而提高举升液压缸的工作效率，接近最高转速的2300r/min使用相对较少。建立模型仿真过程，输入数据为实际试验数据，以悬置系统6个悬置点的刚度为设计变量，建立相应的约束条件。

通过试验对其他转速数据进行仿真，结果比较理想，模型可信度较高，基本解决原车抖动异常问题，充分说明优化结果提高了悬置系统匹配的合理性。

2 动力总成悬置系统的建模

由于动力总成的弹性体固有频率远高于悬置系统的固有频率，因此建模时动力总成简化为刚体。弹性悬置简化为3个相互正交的弹簧，刚度分别取悬置的主压缩刚度和主剪切刚度，同时忽略悬置阻尼的影响。动力总成悬置系统的模型如图1所示。

图1 动力总成悬置系统模型Fig.1 Model of powertrain mounting system

动力总成悬置系统固有属性的设计一般在3套坐标系中进行，分别为：曲轴坐标系{XC，YC，ZC}、扭矩轴坐标系{XT，YT，ZT}和车辆坐标系{XV，YV，ZV}。

曲轴坐标系的原点位于动力总成质心处，XC轴沿曲轴轴线指向动力总成自由端；ZC轴沿直列气缸轴线或V型气缸角平分线指向上方；YC轴根据右手定则确定。该坐标系用于存在不平衡惯性力作用时的系统设计和动力总成转动惯量的测试。

扭矩轴坐标系的原点位于动力总成质心处，XT轴沿扭矩轴指向动力总成自由端；YT轴位于XC－YC平面内；ZT轴根据右手定则确定。该坐标系主要用于怠速工况下的系统设计，为横置动力总成的俯仰模态提供设计参考。

车辆坐标系的原点位于静平衡状态下的动力总成质心处，XV轴平行于车辆纵向对称面水平指向后方；YV轴垂直于车辆纵向对称面指向驾驶员右侧；ZV轴根据右手定则确定。该坐标系主要用于车身激励下的系统设计，包括不平路面激起的垂向振动，加、减速时的纵向激励和转向时的侧向激励。

3 优化稳健设计

不论是确定设计还是稳健设计都必须满足约束条件。约束条件在设计空间中确定出一个可行域，该区域的每个设计点都满足约束条件，而系统最终的设计方案也必定位于该区域。系统的可行域可采用全局优化算法进行确定，但搜索过程有别于优化过程。在稳健设计中，需要对可行域内的每个设计点进行稳健评价，通过比较评价结果从而确定系统的最优方案。

在应用蒙特卡洛模拟方法时，一个无法回避的关键问题是计算量过大。针对该问题，在制定稳健设计流程时，将可行域拆分为多个子域，然后将每个子域分配至计算机的指定计算核心，每个核心负责一个子域内所有设计点的稳健评价并确定该子域内的最优解，最后综合各子域的计算结果得到全局最优解。通过在多核计算机上应用并行计算技术可以有效提高设计效率。

当不确定水平较低时，稳健目标函数与确定目标函数的值近似相等，因而优化得到的稳健解与确定解相同。稳健设计方案模态解耦率的平均值相对确定设计方案变化不大，但是标准差却有明显减小，尤其是当设计变量的不确定水平较高时，稳健性设计方案对系统的稳健性有显著改善。