某商用车动力总成悬置优化分析

赵莉，王波，王劭斌

某商用车动力总成悬置优化分析

赵莉，王波，王劭斌

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

以国产某车型动力总成悬置为对象，在原设计方案刚体模态分析结果和支架强度分析结果均不满足要求的情况下，从悬置刚度和悬置支架两个方面进行优化设计：用能量解耦法，以动力总成悬置刚度为变量，借助MTLAB进行动力总成悬置系统固有频率和解耦率的优化；在HyperMesh中建立该悬置支架的有限元分析模型，利用FEMFAT计算出该支架的最小静态安全因子，并对支架进行结构改进分析。

动力总成悬置；模态分析；强度分析；刚度优化；结构优化

前言

动力总成悬置是连接动力总成与车架的结构，它在整车上主要起到支撑动力总成、减少动力总成的振动对整车的影响和限制动力总成的抖动量的作用。如果悬置元件设计不当，会导致振动得不到良好控制，引起车上其他零件产生振动和噪声，不仅会损坏汽车的零部件还会影响汽车的操纵稳定性和平顺性，从而影响驾乘人员的驾乘舒适性，缩短汽车的使用寿命。

悬置原件的刚度阻尼等特性和其结构形式及决定了动力总成悬置对振动的控制，而动力总成悬置支架则起到了支撑动力总成的作用。本文以某商用车动力总成悬置为例，针对原设计方案固有频率和解耦率以及悬置支架强度不满足设计要求的情况，从悬置刚度优化和后悬置支架结构优化两方面进行论述。

1 动力学模型的建立和分析

由于一般动力总成悬置系统的固有频率都在30Hz以下，远低于动力总成的最低阶弹性弯曲的振动模态频率，所以在进行动力总成悬置系统隔振分析时通常将动力总成视为刚体；对于悬置软垫，采用带有X、Y、Z三方向刚度的Bushing单元模拟。根据以上模型分析以及设计人员提供的数模和相关输入参数，包括该动力总成质量、质心位置、转动惯量、悬置位置、悬置软垫的刚度，在Adams/View中建立整车坐标系下的该动力总成悬置系统的6自由度模型，计算该系统的固有频率和各阶能量分布情况。

该刚体模态计算结果中，动力总成悬置固有频率的最小频率间隔为0.23，Rz方向解耦率为75.15%，隔振效果不理想，不满足设计要求，下面对该动力总成悬置进行优化。

2 动力总成悬置系统解耦优化

在考虑到发动机的基本参数、悬置位置、布置方式等已经确定的前提下，本文选择在Matlab中用能量解耦的方法对悬置刚度进行优化，因为它可以在原坐标系上对系统解耦，并且仅需对系统进行自由振动分析便可得到刚体模态参数。

首先编写供Matlab程序读入的输入参数表，包括发动机的输入参数：质量、质心、转动惯量、悬置位置、悬置刚度以及优化的约束条件：各阶模态最大频率、最小频率、最小频率间隔以及各振动方向最小解耦率，设计变量设定为前、后悬置刚度在原刚度值的50%~200%范围内的等比例缩放。在Matlab中用调用以上参数，用能量解耦法编制优化程序并以表格的形式输出计算结果。

空间弹性刚体6自由度振动微分方程的矩阵表达如下：

式中：——惯性矩阵；

——刚度矩阵；

——整车坐标系下系统的广义坐标

——沿方向的位移

-1的特征值是系统圆频率的平方，特征向量是系统的固有振型。系统的固有频率为：

式中：——系统的固有频率，Hz；

——圆频率，rad/s。

利用得到的悬置系统的6阶固有模态，通过振型得到悬置系统的能量分布。根据系统的惯性矩阵和刚度矩阵，当系统以第阶固有频率振动时，第个广义坐标所占的能量百分比（D）如下：

式中：ϕ，ϕ——第阶主振型的第个、第个元素；

m———质量矩阵第行、列元素。

优化后得到满足优化目标的刚度组合及对应的模态结果，选取合适的刚度组合，并在Adams多体模型中进行验证分析，悬置系统的最小频率间隔为0.62Hz，最小解耦率为83.70%，较优化前有了很大的改善，满足了隔振的要求。

3 发动机悬置支架强度分析

根据整车数模及悬置布置，在Hypermesh中建立该发动机悬置的有限元模型，如图1。模型包括划分好网格的发动机悬置支架，支架材料参数，在动力总成质心处建立Mass单元，四个悬置软垫分别用放开X方向自由度并赋予X方向悬置刚度、放开Y方向自由度并赋予Y方向悬置刚度、放开Z向自由度并赋予Z向悬置刚度的3个spring单元模拟，约束悬置支架与车架相连处的所有自由度，建立最恶劣工况。

在Hypermesh中建立模型好有限元模型并加载工况进行强度计算后，在Femfat软件中对悬置支架进行最小静态安全因子计算，计算结果如图1所示。

图1

4 发动机悬置支架结构优化

由计算结果可知，该悬置后支架的最小静态安全因子为1.427，不满足设计静态安全因子>2的要求，而支架强度较弱的地方主要集中在中间筋部位，故对中间筋部位进行了加强，改进后的结构如图2所示。

图2 改进前后支架结构对比

对改进后的支架再次用同样的加载方式和计算方法进行计算，得到最小静态安全因子为2.25，满足了强度要求。

图3 改进后支架最小静态安全因子

从优化前后的最小静态安全因子的计算结果可以看出，在对该支架的中间筋部分进行加强设计后，支架的强度有了一定提高，满足了悬置支架的强度要求。

5 结论

本文从刚度优化和支架结构优化两方面出发，对某车型动力总成悬置系统进行了优化设计，达到了良好的效果。

[1] 王冬冬,张鹏,古晓杨.某车型动力总成悬置系统解耦优化[J].汽车工程师,2017（8）:39-41.

[2]王天利,孙营,田永义.基于能量解耦的汽车动力总成悬置系统优化[J].机械设计与制造,2006(7):31-33.

Optimization analysis of powertrain mounting for a commercial vehicle

Zhao Li, Wang Bo, Wang Shaobin

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Taking the powertrain mounting of a domestic vehicle as the object of study, under the condition that the rigid body modal analysis results and bracket strength analysis results of the original design scheme do not meet the design requirements, the optimization design is carried out from two aspects of mounting stiffness and bracket strength. Optimiza tion of natural frequency and decoupling rate of powertrain mounting system with energy decoupling method and powertrain mounting stiffness as variables by MATLAB. The finite element analysis model of the suspension bracket is established in HyperMesh. The minimum static safety factor of the support is calculated by using FEMFAT, structural improvement analysis of the bracket is also carried out.

powertrain mount; modal analysis; strength analysis; stiffness optimization; structural optimization

U467

B

1671-7988(2019)18-163-02

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赵莉，就职于陕西重型汽车有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.054