基于多目标优化设计的客车发动机悬置NVH分析

张彦斌，周宏涛，贺新峰，张 晨，王 文

基于多目标优化设计的客车发动机悬置NVH分析

张彦斌1，周宏涛1，贺新峰2，张 晨1，王 文1

（1.湖南中车时代电动汽车股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

基于发动机悬置结构的动力学模型，合理选择设计变量、约束条件及优化目标，建立多目标优化模型，采用多岛遗传算法对其进行求解。根据优化结果进行悬置软垫试制及装车测试，结果表明，优化后的悬置系统在振动、噪声方面都有明显的改善。

发动机悬置；NVH分析；多目标优化设计

发动机是汽车的主要振源之一，其振动经悬置传递给车架和车身，进而影响整车的乘坐舒适性。发动机悬置系统起支撑发动机、双重隔振作用,因此发动机悬置系统的设计对汽车整车的减振降噪至关重要[1-4]。

本文以某款插电式城市客车搭载某型四缸发动机的悬置为研究对象，采用多目标优化对悬置系统进行设计。根据优化结果进行软垫试制及装车，并用LMS Test Lab进行测试验证，结果表明优化后的悬置系统的NVH性能得到改善，从而探索出了一种在设计初期就能优化发动机悬置系统NVH性能的方法。

1 悬置系统模型建立

发动机悬置系统的悬置点数根据动力总成的长度、用途、质量和安装方式可以有3、4、5、6点悬置。四点悬置因其具有良好的稳定性、能克服较大的转矩反作用力，因此广泛用于四缸、六缸发动机上。本文中的发动机总成包括发动机和发电机，长度为1 177 mm，质量为558 kg，属于长度、质量都中等，并结合底盘总布置特点，所以采用四点悬置，且左右对称，其中两点固定在发电机上，另两点固定在发动机上。根据设计经验，初步选择悬置软垫，并建立三维模型，如图1（a）所示。此模型对应的悬置软垫的刚度、位置如表1所示，而安装角度均为45°。此外，按照发动机惯用术语，将发电机端定义为发动机前，将皮带轮端定义为发动机后。

表1 悬置参数

为方便计算，将发动机悬置系统进行如下简化：将悬置软垫简化为3个相互垂直的线性弹簧；发动机总成刚性大，将其悬置系统简化为6个自由度的振动系统。

基于上述三维模型及简化，并将转动惯量、惯性积等参数代入，在ADAMS/View中建立发动机总成悬置系统动力学模型，如图1（b）所示。

图1 发动机悬置系统模型

2 优化设计

发动机悬置系统的振动是耦合的，比较复杂。此外，优化的变量包括：发动机悬置位置、软垫刚度、安装角度，属于多目标优化问题。而多岛遗传算法在解决多目标优化时具有一定优势，故本文采用多岛遗传算法进行求解。

2.1 多岛遗传算法简介

传统的单种群遗传算法容易陷入早熟，而多岛遗传算法（MIGA）作为一种伪并行遗传算法则可避免早熟和加快收敛速度，可以更好地在多目标优化域中寻找全局最优解。该算法将种群的个体被分为几个子群，这些子群定义为“岛”，对每个“岛”进行传统的遗传算法，然后将这些“岛”之间进行“移民”，这样就形成了大量的设计点和多重设计空间，也避免了局部最优解，能有效地找到全局最优解[5-6]，具体流程如图2所示。

图2 第i代与第i+1代之间进化流程

2.2 多目标优化模型建立及求解

根据总布置及车架的特点，确定悬置的位置坐标范围；根据悬置产品加工经验，确定了橡胶悬置刚度的范围[80,900]N/mm；安装角度范围为[0,45°]；根据频率分布合理性原则，频率间隔≥1.5 Hz；根据隔振理论，系统的固有频率应该小于激励频率的1/倍，发动机怠速为750 r/min，则发动机的固有频率为25 Hz，因此悬置系统频率≤17.68 Hz。在汽车悬置系统的设计与开发中，解耦率一直都是评价衡量发动机悬置系统性能的重要设计指标，因此本文以解耦率为设计目标。

综上，建立多目标优化的数学模型如下：

式中：Fi为第i阶模态的解耦率；wi为对应的权重系数，本文中wi=1；F为优化目标函数；Kf_、Kd_分别为前、后悬置的刚度；Af、Ad分别为前、后悬置的安装角度；Df_、Dd_分别为前、后悬置的安装位置；fi为第i个自由度固有频率。

采用命令流的方式将Isight与Adams/View集成，将多目标优化模型和结构有限元模型输入，用Isight中的多岛遗传算法进行求解计算，结果如表2所示。另外，前悬置的安装角度为35°，后悬置安装角度为0°。

表2 优化设计结果

2.3 分析评价

1）解耦率计算。理想的发动机悬置系统是完全解耦的，但实际中几乎不可能做到完全解耦，因此解耦率成为衡量发动机悬置设计好坏的一个指标。将上述优化的悬置位置、刚度、安装角度带入模型，得到解耦率，如表3所示。

表3 固有频率和能量分布 Hz

从表3可以看出，最小固有频率为5.97 Hz,有效地避开了路面激励（频率≤3 Hz）对发动机的影响；z向（最小频率9.94 Hz）和Rxx方向（最小频率15.77 Hz）避开了人体最为敏感的5～7 Hz；而且频率间隔最小也达到了1.5 Hz，避免了宽频振动；最大频率为15.77 Hz，≤17.68 Hz，满足隔振要求。从解耦率看，该悬置系统在各个方向上的解耦率都大于87%，实现了比较理想的解耦（≥85%）。

2）极限位移计算。发动机悬置系统的工况是汽车在运行过程中的常用工况和极端工况的组合。各大知名汽车公司根据不同路面、使用状况和地区，总结了一系列汽车驾驶工况，以此作为新车初期开发的分析数据，总共有28个标准工况[7-8]。根据通用GMW 14116标准，并结合上述28种典型工况，本文制定了适合城市客车的9类工况，如表4所示。在动力学模型质心位置加载这9种典型工况，计算得到极限位移，如表4所示。从表4中可以看出，3个方向的最大位移分别为10.4 mm、8.67 mm、13.55 mm，满足设计要求（≤20 mm）。

表4 典型工况的定义及其位移

3 试验及结果分析

3.1 试验

发动机悬置的NVH性能校核包括在各种工况下的驾驶员座椅的振动、车内噪声、发动机处的振动及其悬置软垫的隔振率[9]。为了验证优化效果，将优化前的悬置软垫和优化后的悬置软垫进行装车，用LMS Test Lab测试分析系统进行数据采集和分析处理。测试的工况包括怠速、定置升速、启动/熄火、缓加速，测试结果如图3所示。振动测试的点包括：发动机左前、左后、右前、右后悬置处，车内驾驶员座椅导轨处；噪声测试位置是车厢中部乘客耳旁高度处。振动数据量太大，不方便一一展示，但4种工况下的趋势都一致，故只以怠速工况下的为例，图3（c）是导轨处的z向振动，图3（d）是发动机左前悬置处的z向振动。

图3 不同工况下的振动、噪声图

3.2 结果分析

从图3可以看出，优化后车内的振动、噪声降低了，即NVH性能提高了，但是发动机处的振动几乎没变。造成发动机处振动没变的原因是试验所用车辆和路面均相同。造成车内NVH性能得到改善的原因是应用多目标优化方法改变了悬置系统频率的分布，使其分布更加合理，从而在相同激励的情况下，传递到整车的振动和噪声大大降低；由于优化后的悬置刚度增大，故隔振率稍微有所降低，但都大于85%，满足隔振要求。此外，悬置刚度的增大会使疲劳强度得到一定的提高，从而在隔振率和疲劳强度之间找到了合理的平衡点。

4 结束语

在发动机悬置结构的有限元动力学模型基础上，建立了发动机悬置系统的多目标优化模型，采用Isight软件中的多岛遗传算法对多目标优化模型进行求解计算。在怠速、定置升速、缓加速、启动/熄火4种工况下测试了优化前和优化后发动机悬置NVH性能。测试结果表明，优化后的车内NVH性能较优化前有很大的提高。

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Analysis on NVH of Bus Engine Mounting Based on Multi-object Optimization Design

Zhang Yanbin1,Zhou Hongtao1,He Xinfeng1，Zhang Chen1,Wang Wen1
(1.Hunan CRRC Times Electric Vehicle Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China;2.Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China)

Based on the dynamic model of engine mounting structure,the authors reasonably choose the design variables,constraint conditions and optimization targets to establish a multi-object optimization model,and use multi-island genetic algorithm to solve.On the lightof optimization results,they trial-produce mounting soft-cushions and load them on the bus to test.The results show that the optimized mounting system has obvious improvement in vibration and noise.

mounting system;NVH analysis;multi-objective optimization design

U464

A

1006-3331（2017）05-0005-04

张彦斌（1989-），男，设计师；主要从事新能源客车底盘技术研究工作。

修改稿日期:2017-04-07