牛 水

天津科達動力測控技術有限公司

發(fā)動機測試臺動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設計

牛 水

天津科達動力測控技術有限公司

由于汽車市場發(fā)展越來越快，人們對汽車的乘坐舒適性越來越重視。其中，發(fā)動機的減振是急需解決的問題之一，動力總成懸置系統(tǒng)的設計研究也顯得越來越重要，合理地匹配懸置系統(tǒng)參數(shù)是提高整車性能的關鍵。目前，多采用優(yōu)化方法對懸置系統(tǒng)的剛度參數(shù)進行優(yōu)化，匹配合理的懸置系統(tǒng)剛度，以減小發(fā)動機傳遞到支承系統(tǒng)的振動。因此，在匹配懸置系統(tǒng)參數(shù)時不但要考慮懸置系統(tǒng)的剛度，還要考慮懸置系統(tǒng)的阻尼。

發(fā)動機；動力總成懸置；設計

隨著市場的發(fā)展和科技的進步，商用車噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise, Vibration and Harshness, NVH)稱為衡量商用車性能的重要指標，其性能是整車廠和相關零/部件開發(fā)商共同關注的重要問題，因為汽車NVH給用戶帶來最為直接的感受。汽車NVH問題是綜合性的復雜工程問題，擁有良好的NVH性能往往也體現(xiàn)了汽車設計實力與品牌價值。

1 某發(fā)動機測試臺動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設計

表1 所示為自卸車原地駐車試驗所用的測試設備

1.1 懸置系統(tǒng)模型的建立

研究的動力總成懸置結(jié)構(gòu)為6點支撐，呈對稱分布。發(fā)動機前懸置為左、右兩點，分別固定于發(fā)動機缸體左、右兩側(cè)前下方，通過左、右支架于車架縱梁腹板面連接，前懸置與地面呈30°傾角，后懸置點位于飛輪殼兩側(cè)，通過左、右支架于車架縱梁腹板面連接，后懸置與地面平行，輔助支撐通過橫梁吊裝變速箱尾部，與車架縱梁腹板面連接，輔助支撐與底面平行。

1.2 懸置系統(tǒng)優(yōu)化運用

LMSVirtual.Lab優(yōu)化模塊分別對發(fā)動機轉(zhuǎn)速為700、1500、2300r/min下的懸置系統(tǒng)進行優(yōu)化。為滿足動力總成支撐定位功能，約束條件為橡膠懸置的形變量，前懸置不能超過6mm，后懸置不能超過10mm，輔助支撐不能超過2mm，優(yōu)化目標為懸置下車架點處振動R MS值最小化，其中三種轉(zhuǎn)速的權(quán)重系數(shù)分別為0.6、0.3、0.1，統(tǒng)計自卸車在工地實際作業(yè)狀況得出的時間比，怠速700r/min工況使用最多，其次為1500r/min工況，因為當自卸車卸貨時，需要提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而提高舉升液壓缸的工作效率，接近最高轉(zhuǎn)速的2300r/min使用相對較少。建立模型仿真過程，輸入數(shù)據(jù)為實際試驗數(shù)據(jù)，以懸置系統(tǒng)6個懸置點的剛度為設計變量，建立相應的約束條件。

通過試驗對其他轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行仿真，結(jié)果比較理想，模型可信度較高，基本解決原車抖動異常問題，充分說明優(yōu)化結(jié)果提高了懸置系統(tǒng)匹配的合理性。

2 動力總成懸置系統(tǒng)的建模

由于動力總成的彈性體固有頻率遠高于懸置系統(tǒng)的固有頻率，因此建模時動力總成簡化為剛體。彈性懸置簡化為3個相互正交的彈簧，剛度分別取懸置的主壓縮剛度和主剪切剛度，同時忽略懸置阻尼的影響。動力總成懸置系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1 動力總成懸置系統(tǒng)模型Fig.1 Model of powertrain mounting system

動力總成懸置系統(tǒng)固有屬性的設計一般在3套坐標系中進行，分別為：曲軸坐標系{XC，YC，ZC}、扭矩軸坐標系{XT，YT，ZT}和車輛坐標系{XV，YV，ZV}。

曲軸坐標系的原點位于動力總成質(zhì)心處，XC軸沿曲軸軸線指向動力總成自由端；ZC軸沿直列氣缸軸線或V型氣缸角平分線指向上方；YC軸根據(jù)右手定則確定。該坐標系用于存在不平衡慣性力作用時的系統(tǒng)設計和動力總成轉(zhuǎn)動慣量的測試。

扭矩軸坐標系的原點位于動力總成質(zhì)心處，XT軸沿扭矩軸指向動力總成自由端；YT軸位于XC－YC平面內(nèi)；ZT軸根據(jù)右手定則確定。該坐標系主要用于怠速工況下的系統(tǒng)設計，為橫置動力總成的俯仰模態(tài)提供設計參考。

車輛坐標系的原點位于靜平衡狀態(tài)下的動力總成質(zhì)心處，XV軸平行于車輛縱向?qū)ΨQ面水平指向后方；YV軸垂直于車輛縱向?qū)ΨQ面指向駕駛員右側(cè)；ZV軸根據(jù)右手定則確定。該坐標系主要用于車身激勵下的系統(tǒng)設計，包括不平路面激起的垂向振動，加、減速時的縱向激勵和轉(zhuǎn)向時的側(cè)向激勵。

3 優(yōu)化穩(wěn)健設計

不論是確定設計還是穩(wěn)健設計都必須滿足約束條件。約束條件在設計空間中確定出一個可行域，該區(qū)域的每個設計點都滿足約束條件，而系統(tǒng)最終的設計方案也必定位于該區(qū)域。系統(tǒng)的可行域可采用全局優(yōu)化算法進行確定，但搜索過程有別于優(yōu)化過程。在穩(wěn)健設計中，需要對可行域內(nèi)的每個設計點進行穩(wěn)健評價，通過比較評價結(jié)果從而確定系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

在應用蒙特卡洛模擬方法時，一個無法回避的關鍵問題是計算量過大。針對該問題，在制定穩(wěn)健設計流程時，將可行域拆分為多個子域，然后將每個子域分配至計算機的指定計算核心，每個核心負責一個子域內(nèi)所有設計點的穩(wěn)健評價并確定該子域內(nèi)的最優(yōu)解，最后綜合各子域的計算結(jié)果得到全局最優(yōu)解。通過在多核計算機上應用并行計算技術可以有效提高設計效率。

當不確定水平較低時，穩(wěn)健目標函數(shù)與確定目標函數(shù)的值近似相等，因而優(yōu)化得到的穩(wěn)健解與確定解相同。穩(wěn)健設計方案模態(tài)解耦率的平均值相對確定設計方案變化不大，但是標準差卻有明顯減小，尤其是當設計變量的不確定水平較高時，穩(wěn)健性設計方案對系統(tǒng)的穩(wěn)健性有顯著改善。