曾發(fā)林，潘 偉，李建康，阮 洋

(江蘇大學(xué) a.汽車工程研究院; b.汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

某客車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾發(fā)林a，潘 偉b，李建康a，阮 洋b

(江蘇大學(xué) a.汽車工程研究院; b.汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

根據(jù)某款6902型客車懸置系統(tǒng)測(cè)量的各項(xiàng)參數(shù)，建立動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)6自由度的動(dòng)力學(xué)模型。運(yùn)用能量解耦法及NAGA-II優(yōu)化算法，先基于正交試驗(yàn)方法對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛度參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，然后以動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的6個(gè)方向耦合度為設(shè)計(jì)目標(biāo)、6個(gè)懸置元件的三向主剛度參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)有效地提高了各向解耦率，實(shí)現(xiàn)了固有頻率的合理配置，改善了懸置系統(tǒng)的隔振性能，提高了汽車乘坐舒適性。

懸置系統(tǒng)；能量解耦；靈敏度分析；隔振

Abstract: According to the parameters of a 6902 type passenger car suspension system measurement, we establish dynamic model of the powertrain mounting system of 6 degrees of freedom. By using the energy decoupling method and NAGA-II optimization algorithm, first based on orthogonal test method, we has the sensitivity analysis of system stiffness parameters for powertrain mounting, and taking the 6 directions of coupling of powertrain mount system as the design goal, taking three main stiffness parameters of 6 directions as design variables, the powertrain mounting system was optimized.The experimental results show that after optimization, the suspension system can effectively improve the anisotropy of the decoupling rate and achieve the reasonable allocation, the natural frequency, which improves the isolation performance of the mounting system, and improves the ride comfort of the car.

Keywords: mounting system; energy decoupling; sensitivity analysis; vibration isolation

隨著生活質(zhì)量的提升和現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，人們不僅追求車輛的動(dòng)力性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性，而且對(duì)汽車的乘坐舒適性的要求也越來越高[1]，使我們?cè)谄囋O(shè)計(jì)中對(duì)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了越來越高的指標(biāo)。通過選擇適當(dāng)?shù)膽抑孟到y(tǒng)參數(shù)(安裝位置、角度和剛度等)，可達(dá)到合理配置動(dòng)力總成剛體振動(dòng)模態(tài)的固有頻率和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)振動(dòng)解耦是懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)[2]。

本文以某款6902型客車為研究對(duì)象，在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)振動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，以6個(gè)懸置元件的3個(gè)方向主剛度為設(shè)計(jì)變量，以動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的振動(dòng)能量解耦為目標(biāo)函數(shù)，選擇系統(tǒng)Z向的振頻在2.5～10 Hz范圍內(nèi)作為形態(tài)約束條件，將Isight優(yōu)化軟件與Matlab軟件集成，提出了車輛懸置系統(tǒng)的優(yōu)化方法，最后對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行了隔振率性能的測(cè)試，對(duì)優(yōu)化前后結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 動(dòng)力懸置系統(tǒng)模型

本文根據(jù)所研究的6902型客車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，得到懸置系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型：由6個(gè)具有3個(gè)主方向的彈簧阻尼元件支撐在車架上的6自由度振動(dòng)系統(tǒng)。圖1為6個(gè)懸置元件的分布情況。動(dòng)力總成坐標(biāo)原點(diǎn)在其重心處；X軸平行于曲軸中心線，指向動(dòng)力總成飛輪；Z軸平行于氣缸中心線，指向動(dòng)力總成上方；Y軸則由正交坐標(biāo)系的右手定則確定。

圖1 6點(diǎn)式布置的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)6自由度振動(dòng)的一般形式為[3]:

(1)

其中：T為系統(tǒng)的動(dòng)能；V為系統(tǒng)的勢(shì)能；qi為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)。

對(duì)上述動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)力學(xué)模型可以建立6自由度無阻尼自由振動(dòng)方程：

(2)

由式(2)可得到系統(tǒng)的主振型方程|K-ω2M|=0，計(jì)算得到系統(tǒng)的6階固有頻率和ωj(j=1,2,3,4,5,6)固有振型{φ}。

2 能量解耦法

能量解耦法是從能量角度實(shí)現(xiàn)各自由度的解耦[4]。如一空間剛體僅做垂直自由振動(dòng)而和其他自由度解耦時(shí)，其振動(dòng)能量只集中于垂直方向自由度上。當(dāng)系統(tǒng)以第j階模態(tài)振動(dòng)時(shí)，第k個(gè)廣義坐標(biāo)分配的能量占系統(tǒng)總能量的百分比為

當(dāng)Eji=100%，系統(tǒng)作第j階模態(tài)振動(dòng)時(shí)能量全部集中在第i個(gè)廣義坐標(biāo)上，此時(shí)該階模態(tài)振動(dòng)完全解耦。

3 優(yōu)化算法

本文采用MOP多目標(biāo)優(yōu)化理論[5]，對(duì)于有n個(gè)變化量，m個(gè)目標(biāo)函數(shù)，q+p個(gè)約束條件的MOP可表達(dá)為：

其中：x=(x1,x2,…,xn)T∈X?Rn為n維決策變量，X為n維空間決策；y=(y1,y2,…,ym)T∈Y?Rm為m維目標(biāo)矢量，Y為m維目標(biāo)空間；gi(x)≤0(1,2,…,q)定義了q個(gè)不等式約束；hj(x)=0(j=1,2,…,p)定義了p個(gè)等式約束[6]。

NSGA-II是基于遺傳算法的非支配排序算法，其原理是根據(jù)個(gè)體之間的支配關(guān)系調(diào)用每個(gè)目標(biāo)函數(shù)，使每個(gè)目標(biāo)函數(shù)都盡可能達(dá)到pareto解[7]。在MOP算法(PSO、GA、NSGA、ACO等)中，NSGA-II算法是影響最大和應(yīng)用范圍最廣的一種多目標(biāo)遺傳算法，且具有很好的魯棒性和收斂速度。因此，本文采用NSGA-II算法解決動(dòng)力懸置系統(tǒng)的優(yōu)化問題。NSGA-II算法的基本流程如圖2所示。

圖2 NSGA-II算法的主流程

4 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

筆者采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)方法識(shí)別客車的動(dòng)力總成慣性參數(shù)，以某企業(yè)提供的PRO/E 和CAD模型為參考，結(jié)合對(duì)動(dòng)力總成實(shí)際的測(cè)量，建立了動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。由于懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性對(duì)頻率特性和解耦特性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的精確度影響很大，那么模型的搭建是其解耦及優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此有必要對(duì)模型的準(zhǔn)確度進(jìn)一步驗(yàn)證。在Matlab軟件中編制程序，按照振動(dòng)微分方程，利用Matlab算出動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)理論上的固有頻率，結(jié)果如表1所示。在ADAMS中的VIEW模塊庫(kù)中調(diào)用自帶的BUSHING來模擬橡膠懸置元件，在ADAMS/vibration模塊中分析動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率[2]，結(jié)果如表1所示。懸置元件的初始參數(shù)如坐標(biāo)位置、慣量參數(shù)和初始剛度如表2、3和4所示，動(dòng)力總成的總質(zhì)量為1 261 kg。

圖3 基于ADAMS/view的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

模態(tài)階數(shù)Matlab計(jì)算的結(jié)果Adams計(jì)算的結(jié)果14.77274.772525.49175.491336.79286.792847.75017.750258.29118.2913613.173013.1742

表2 懸置元件及動(dòng)力總成的坐標(biāo)位置

表3 動(dòng)力總成的慣量參數(shù)

兩種計(jì)算固有頻率的結(jié)果如表4所示。

從兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率基本吻合，所以可以認(rèn)為所建立的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)6自由度動(dòng)力學(xué)模型是正確可靠的，可以用來進(jìn)行解耦與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表4 優(yōu)化前原懸置各向剛度

5 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和靈敏度分析

工程實(shí)踐中，主要考慮調(diào)整系統(tǒng)兩個(gè)方面的參數(shù)：懸置件的主剛度及其安裝位置[8]，而本例中懸置位置和安裝角度受整車布置限制都已確定，故只選取了各個(gè)懸置件的主軸剛度值作為設(shè)計(jì)變量。因?yàn)橛?個(gè)懸置件，計(jì)共有18個(gè)設(shè)計(jì)變量，如表5所示。考慮到在影響動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)解耦特性頻率特性的這些變量參數(shù)中，某些變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)比較敏感，而某些變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)沒有任何影響[9]，所以筆者基于正交試驗(yàn)對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的三向主剛度參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，找出影響程度大的主要變量參數(shù)，減少次要的設(shè)計(jì)變量，然后基于主要變量參數(shù)，在Isight中進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，表6為靈敏度分析之后的影響變量。

5.2 目標(biāo)函數(shù)

由能量解耦法可知，某一階頻率下，當(dāng)沿某一方向的振動(dòng)動(dòng)能百分比達(dá)到100%時(shí)，懸置系統(tǒng)在該頻率下是完全解耦的，但對(duì)于激勵(lì)源復(fù)雜的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)完全解耦的，肯定存在個(gè)別方向的振動(dòng)耦合，這里只能盡可能使占優(yōu)方向的振動(dòng)動(dòng)能比最大。筆者以6個(gè)能量解耦率為目標(biāo)函數(shù)，見表7所示。

表5 靈敏度分析前的設(shè)計(jì)變量參數(shù)

表6 經(jīng)過靈敏度分析后的設(shè)計(jì)變量

表7 優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

5.3 約束條件

在求Pareto解中，尋優(yōu)是在所有約束條件構(gòu)成的可行域中完成。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中一般存在兩種約束條件：一種是邊界限制條件，另一種是形態(tài)限制條件，筆者選擇懸置系統(tǒng)Z向的振頻在2.5～10 Hz 范圍內(nèi)作為形態(tài)限制條件。

5.4 優(yōu)化算法

在優(yōu)化過程中，采用NSGA-II算法，參數(shù)設(shè)置為：變量的范圍為+/-100%,種群規(guī)模為100，預(yù)設(shè)進(jìn)化代數(shù)為100，交叉概率為0.9，變異概率為0.1，交叉分布指數(shù)為10.0，突變分布指數(shù)為20.0，采用Isight與Matlab集成優(yōu)化。

5.5 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

將分析的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的參數(shù)和動(dòng)力學(xué)模型，在ADAMS/vibration模塊中計(jì)算懸置系統(tǒng)的解耦率[10]，分析它的振動(dòng)耦合情況，結(jié)果如表8所示。

由表8可知，此方案存在嚴(yán)重的耦合，繞Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)和Z向平動(dòng)的耦合程度很大，且X向平動(dòng)耦合率62%，繞Y向轉(zhuǎn)動(dòng)67.76%，均未達(dá)到工程上可以接受的80%，而Y向的平動(dòng)與繞X向的轉(zhuǎn)動(dòng)的解耦率都達(dá)到了90%以上。在解耦率較低的情況下，惡化動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振性能，同時(shí)降低了動(dòng)力總成懸置元件的耐久性。因此，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少其振動(dòng)耦合，提高其隔振性能。表9為經(jīng)過優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)的剛度。

表9 優(yōu)化后的懸置剛度

將優(yōu)化后的剛度參數(shù)賦予到建立的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型中，在Adamas中計(jì)算其固有頻率和解耦率，結(jié)果如表10所示。

表10 優(yōu)化后懸置系統(tǒng)固有頻率和能量分布比

從表10可知，相對(duì)于原始剛度值，左前懸置X、Y、Z方向剛度值有所增加，左、右中懸置X方向剛度值減小較大，左、右中懸置Y、Z方向剛度值有所增大。優(yōu)化后各方向的解耦率都達(dá)到了90%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.6 實(shí)車測(cè)試

懸置系統(tǒng)并不是汽車中獨(dú)立的振動(dòng)系統(tǒng)，單獨(dú)分析懸置系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果只是停留在它的理論階段，為此，我們根據(jù)優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)，在某客車上進(jìn)行實(shí)車振動(dòng)測(cè)試，以測(cè)得的懸置隔振率來論證優(yōu)化后懸置系統(tǒng)的隔振性能。

在評(píng)價(jià)懸置隔振效果時(shí)，最常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是懸置隔振率。汽車業(yè)內(nèi)認(rèn)為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振率應(yīng)大于20 dB，懸置才具有良好的隔振效果[11]。懸置隔振率以分貝形式表示，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：aactive為主動(dòng)邊振動(dòng)的加速度均方根值；apassive為被動(dòng)邊振動(dòng)的加速度均方根值。

本試驗(yàn)以某6902型客車為例，分別測(cè)出原懸置和優(yōu)化后懸置從怠速到最高轉(zhuǎn)速共5種工況下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，即(怠速、1 000、1 500、2 000、2 500 r/min)，部分懸置傳感器安裝位置如圖4所示。

圖4 部分傳感器布置位置

將優(yōu)化前后計(jì)算好的振動(dòng)隔振率繪制成曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5～10所示。

圖5 左前懸置優(yōu)化前后隔振率

圖6 左中懸置優(yōu)化前后隔振率

圖7 左后懸置優(yōu)化前后隔振率

圖8 右前懸置優(yōu)化前后隔振率

圖9 右中懸置優(yōu)化前后隔振率

圖10 右后懸置優(yōu)化前后隔振率

由圖5～10可知：左前、左中、右中懸置在怠速時(shí)不同工況下懸置元件的隔振率都達(dá)到20 dB；右前、右后懸置在怠速時(shí)部分工況下懸置元件的隔振率在19 dB左右；左后懸置元件的隔振率在17 dB左右。但總的來說，6個(gè)懸置元件在優(yōu)化后的隔振率比優(yōu)化前要好。

6 結(jié)束語(yǔ)

1) 在優(yōu)化之前，對(duì)以6個(gè)懸置元件的3個(gè)方向主剛度值為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析，剔除低靈敏度的設(shè)計(jì)變量，只考慮敏感設(shè)計(jì)變量，大大提高了優(yōu)化效率。

2) 優(yōu)化后懸置系統(tǒng)各方向的解耦率都得到了提高，達(dá)到了90%以上。

3) 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：優(yōu)化后的懸置隔振率大部分得到提高，即系統(tǒng)總體隔振性能得到改善，比優(yōu)化前要好，優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)基本滿足隔振要求，提高了汽車乘坐舒適性。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

OptimizationDesignofPowertrainMountingSystemofaBus

ZENG Falina, PAN Weib, LI Jiankanga, RUAN Yangb

(a. Automotive Engineering Research Institute; b.School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

2016-03-10

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXLX12_0630)

曾發(fā)林(1963—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人,副教授，主要從事汽車NVH研究，E-mail:519491781@qq.com。

曾發(fā)林，潘偉，李建康，等.某客車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(9):29-35.

formatZENG Falin, PAN Wei, LI Jiankang,et al.Optimization Design of Powertrain Mounting System of a Bus[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):29-35.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.005

U271.91

A

1674-8425(2017)09-0029-07