发动机悬置系统参数的优化设计

段兆鹏

摘 要：汽车的NVH性能是当下车辆购买者比较关注的车辆性能之一，车辆的NVH性能主要是汽车减振降噪方面的控制能力，而动力总成悬置系统对整车的振动和噪音有较大的影响，发动机是汽车上的主要振动源，悬置系统是连接车身与发动机的装置，可见研究悬置系统的性能对整车的减振降噪有重要的意义。一方面，悬置系统较高的刚度有利于限制发动机运行过程中的位移，另一方面，悬置系统的刚度应尽可能小些，减少由发动机传向车身的振动，对悬置系统的参数进行优化设计能够使悬置系统在以上两个方面有一个较优的解。

关键词：悬置系统；发动机；优化设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.020

汽车作为主要的交通工具，人们对汽车的乘坐舒适性要求也越来越高，影响乘坐舒适性的两个主要因素是：振动和噪音，发动机悬置系统的主要作用是支撑动力总成、减少发动机等振动源的振动对整车的影响、限制动力总成的抖动量，对整车NVH性能起着非常大的作用。发动机悬置系统的主要具体作用是起到支撑作用、抑制发动机的动态位移和降低发动机振动传递至车身，乘客感觉到的振动主要是由发动机、路面不平激励源等振动源发生振动，通过发动机悬置系统传递至车身或车架上，引起车身或车架的振动。因此对于发动机悬置系统的性能提升和优化，对提高汽车的NVH性能有重要的意义。

1 优化设计发动机悬置系统的方法

发动机悬置系统的参数众多，例如弹簧刚度、悬置放置的位置，安装的倾角等，对这些参数优化设计有较多可选择的优化方法，建立数学模型是针对具体的优化设计目标和根据悬置系统性能要求定义的约束条件。研究者在进行优化设计发动机悬置系统参数时，通常选取悬置系统的振动力传递率最小为目标函数；还有其他一些研究者以悬置系统合理的固有频率、悬置系统的六自由度解耦和部分解耦为目标函数。

当悬置系统的固有频率与振动源的频率相一致或者相近时，系统就发生共振现象，振动幅值大幅度增加，乘坐的舒适性极差。因此优化设计悬置系统时应使系统的固有频率避开发动机工作的频率范围，合理地配置悬置系统的固有频率。

2 系统参数的优化设计

2.1 设计目标函数

在对某一对象进行优化设计时，应该得先确定优化计算过程中的目标函数。为合理地布置悬置系统的固有频率，本文设计的目标函数主要考虑固有频率与解耦性两个因素，所建立的目标函数如下：

上式中，W为加权系数，一个4个系数由人为自定义；f为系统固有频率，f0为优化设计的系统固有频率，dig为解耦性，当其取值为100%时表示完成解耦。

2.2 设计变量

发动机悬置系统的性能特性与其自身的弹簧刚度、安装倾斜角度、安装位置以及发动机的重量等因素有关。优化设计发动机悬置系统参数一般不改变发动机的特性，不以发动机的质量作为优化设计变量，通常选择悬置系统自身的参数如：悬置系统在车辆上的安装位置及安装倾斜角度、沿不同方向上的刚度值等作为设计变量。另外，在悬置系统中阻尼元件的作用在于降低振动的幅值，起到减振的作用，不作为设计变量，本文选取悬置的总刚度作为设计变量。

2.3 约束条件

优化设计发动机悬置的刚度为了满足NVH性能对刚度的要求以及抑制发动机动态位移的要求，需要在优化设计过程中添加一定的约束条件进行优化计算。通常研究者对悬置系统参数优化设计所采用的约束条件是：形态约束和边界约束。所谓形态约束是根据悬置系统的某项性能要求而设计的约束函数，而边界约束是用来限制一些变量的取值范围，或者建立不同参数之间的相对约束关系。为了避免车身或车架和发动机发生共振，悬置系统的固有频率应避开发动机的工作频率范围，发动机处于高转速工况下时，主要的激励源不再是二阶激励，此时需要隔振的对象是二级往复惯性力，所以此时悬置系统Z方向上固有频率应适当减少，具体的取值范围应为：6 Hz

3 优化计算结果分析

对发动机悬置系统刚度参数进行优化设计计算，迭代计算过程中目标函数的加权系数取值为：W1取值0.3，W2取值0.3，W3取值0.2，W4取值0.2，在未优化前，发动机悬置系统的各刚度值为：前悬置块刚度：Ku为174，Kv为186，Kw为1109，后悬置块刚度Ku为353.5，Kv为207.6，Kw为600，经过优化设计后，重新计算悬置系统前后悬置块的刚度分别为：前悬置块刚度：Ku为156.8，Kv为162.7，Kw为1121，后悬置块刚度Ku为111，Kv为107.1，Kw为322.8，分析结果可知懸置系统中前悬置块的刚度降低幅度不大，后悬置块的刚度相对降低较多，前后悬置块刚度值的降低也使悬置系统的固有频率发生了变化，沿z方向的固有频率由原来的9.31 Hz降低至7.87 Hz，θx方向上的固有频率由原来的21.35 Hz降低至15.22 Hz，由刚度值的降低数值来看，悬置系统的解耦性提高了较多，沿z方向的解耦性由原来的90.5%提升至99.6%，已接近100%；沿θx方向上的解耦性由原来的90.2%提升至92.8%。

4 结束语

发动机悬置系统的参数优化设计是一个相对复杂的过程，对悬置系统的刚度不仅要求其相对降低来满足减少由发动机振动通过悬置系统传递给车身，造成车辆的NVH性能极差，影响车辆的性能，从而影响了消费者对车辆的购买欲望；另一方面，需要悬置系统的刚度相应提高些，来满足限制发动机动态位移。可知，悬置系统性能的好坏，对整车的性能以及车室内乘客的乘坐舒适性有较大的影响。另外，理想的发动机悬置系统固有频率应避开发动机工作范围的频率，避免发生共振现象。最后，对发动机悬置系统参数的优化设计，仅是数值上的模拟计算，还需进行试验进一步得到验证。

参考文献：

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