張彥斌，周宏濤，賀新峰，張 晨，王 文

基于多目標優(yōu)化設計的客車發(fā)動機懸置NVH分析

張彥斌1，周宏濤1，賀新峰2，張 晨1，王 文1

（1.湖南中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

基于發(fā)動機懸置結(jié)構(gòu)的動力學模型，合理選擇設計變量、約束條件及優(yōu)化目標，建立多目標優(yōu)化模型，采用多島遺傳算法對其進行求解。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行懸置軟墊試制及裝車測試，結(jié)果表明，優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)在振動、噪聲方面都有明顯的改善。

發(fā)動機懸置；NVH分析；多目標優(yōu)化設計

發(fā)動機是汽車的主要振源之一，其振動經(jīng)懸置傳遞給車架和車身，進而影響整車的乘坐舒適性。發(fā)動機懸置系統(tǒng)起支撐發(fā)動機、雙重隔振作用,因此發(fā)動機懸置系統(tǒng)的設計對汽車整車的減振降噪至關重要[1-4]。

本文以某款插電式城市客車搭載某型四缸發(fā)動機的懸置為研究對象，采用多目標優(yōu)化對懸置系統(tǒng)進行設計。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行軟墊試制及裝車，并用LMS Test Lab進行測試驗證，結(jié)果表明優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)的NVH性能得到改善，從而探索出了一種在設計初期就能優(yōu)化發(fā)動機懸置系統(tǒng)NVH性能的方法。

1 懸置系統(tǒng)模型建立

發(fā)動機懸置系統(tǒng)的懸置點數(shù)根據(jù)動力總成的長度、用途、質(zhì)量和安裝方式可以有3、4、5、6點懸置。四點懸置因其具有良好的穩(wěn)定性、能克服較大的轉(zhuǎn)矩反作用力，因此廣泛用于四缸、六缸發(fā)動機上。本文中的發(fā)動機總成包括發(fā)動機和發(fā)電機，長度為1 177 mm，質(zhì)量為558 kg，屬于長度、質(zhì)量都中等，并結(jié)合底盤總布置特點，所以采用四點懸置，且左右對稱，其中兩點固定在發(fā)電機上，另兩點固定在發(fā)動機上。根據(jù)設計經(jīng)驗，初步選擇懸置軟墊，并建立三維模型，如圖1（a）所示。此模型對應的懸置軟墊的剛度、位置如表1所示，而安裝角度均為45°。此外，按照發(fā)動機慣用術(shù)語，將發(fā)電機端定義為發(fā)動機前，將皮帶輪端定義為發(fā)動機后。

表1 懸置參數(shù)

為方便計算，將發(fā)動機懸置系統(tǒng)進行如下簡化：將懸置軟墊簡化為3個相互垂直的線性彈簧；發(fā)動機總成剛性大，將其懸置系統(tǒng)簡化為6個自由度的振動系統(tǒng)。

基于上述三維模型及簡化，并將轉(zhuǎn)動慣量、慣性積等參數(shù)代入，在ADAMS/View中建立發(fā)動機總成懸置系統(tǒng)動力學模型，如圖1（b）所示。

圖1 發(fā)動機懸置系統(tǒng)模型

2 優(yōu)化設計

發(fā)動機懸置系統(tǒng)的振動是耦合的，比較復雜。此外，優(yōu)化的變量包括：發(fā)動機懸置位置、軟墊剛度、安裝角度，屬于多目標優(yōu)化問題。而多島遺傳算法在解決多目標優(yōu)化時具有一定優(yōu)勢，故本文采用多島遺傳算法進行求解。

2.1 多島遺傳算法簡介

傳統(tǒng)的單種群遺傳算法容易陷入早熟，而多島遺傳算法（MIGA）作為一種偽并行遺傳算法則可避免早熟和加快收斂速度，可以更好地在多目標優(yōu)化域中尋找全局最優(yōu)解。該算法將種群的個體被分為幾個子群，這些子群定義為“島”，對每個“島”進行傳統(tǒng)的遺傳算法，然后將這些“島”之間進行“移民”，這樣就形成了大量的設計點和多重設計空間，也避免了局部最優(yōu)解，能有效地找到全局最優(yōu)解[5-6]，具體流程如圖2所示。

圖2 第i代與第i+1代之間進化流程

2.2 多目標優(yōu)化模型建立及求解

根據(jù)總布置及車架的特點，確定懸置的位置坐標范圍；根據(jù)懸置產(chǎn)品加工經(jīng)驗，確定了橡膠懸置剛度的范圍[80,900]N/mm；安裝角度范圍為[0,45°]；根據(jù)頻率分布合理性原則，頻率間隔≥1.5 Hz；根據(jù)隔振理論，系統(tǒng)的固有頻率應該小于激勵頻率的1/倍，發(fā)動機怠速為750 r/min，則發(fā)動機的固有頻率為25 Hz，因此懸置系統(tǒng)頻率≤17.68 Hz。在汽車懸置系統(tǒng)的設計與開發(fā)中，解耦率一直都是評價衡量發(fā)動機懸置系統(tǒng)性能的重要設計指標，因此本文以解耦率為設計目標。

綜上，建立多目標優(yōu)化的數(shù)學模型如下：

式中：Fi為第i階模態(tài)的解耦率；wi為對應的權(quán)重系數(shù)，本文中wi=1；F為優(yōu)化目標函數(shù)；Kf_、Kd_分別為前、后懸置的剛度；Af、Ad分別為前、后懸置的安裝角度；Df_、Dd_分別為前、后懸置的安裝位置；fi為第i個自由度固有頻率。

采用命令流的方式將Isight與Adams/View集成，將多目標優(yōu)化模型和結(jié)構(gòu)有限元模型輸入，用Isight中的多島遺傳算法進行求解計算，結(jié)果如表2所示。另外，前懸置的安裝角度為35°，后懸置安裝角度為0°。

表2 優(yōu)化設計結(jié)果

2.3 分析評價

1）解耦率計算。理想的發(fā)動機懸置系統(tǒng)是完全解耦的，但實際中幾乎不可能做到完全解耦，因此解耦率成為衡量發(fā)動機懸置設計好壞的一個指標。將上述優(yōu)化的懸置位置、剛度、安裝角度帶入模型，得到解耦率，如表3所示。

表3 固有頻率和能量分布 Hz

從表3可以看出，最小固有頻率為5.97 Hz,有效地避開了路面激勵（頻率≤3 Hz）對發(fā)動機的影響；z向（最小頻率9.94 Hz）和Rxx方向（最小頻率15.77 Hz）避開了人體最為敏感的5～7 Hz；而且頻率間隔最小也達到了1.5 Hz，避免了寬頻振動；最大頻率為15.77 Hz，≤17.68 Hz，滿足隔振要求。從解耦率看，該懸置系統(tǒng)在各個方向上的解耦率都大于87%，實現(xiàn)了比較理想的解耦（≥85%）。

2）極限位移計算。發(fā)動機懸置系統(tǒng)的工況是汽車在運行過程中的常用工況和極端工況的組合。各大知名汽車公司根據(jù)不同路面、使用狀況和地區(qū)，總結(jié)了一系列汽車駕駛工況，以此作為新車初期開發(fā)的分析數(shù)據(jù)，總共有28個標準工況[7-8]。根據(jù)通用GMW 14116標準，并結(jié)合上述28種典型工況，本文制定了適合城市客車的9類工況，如表4所示。在動力學模型質(zhì)心位置加載這9種典型工況，計算得到極限位移，如表4所示。從表4中可以看出，3個方向的最大位移分別為10.4 mm、8.67 mm、13.55 mm，滿足設計要求（≤20 mm）。

表4 典型工況的定義及其位移

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗

發(fā)動機懸置的NVH性能校核包括在各種工況下的駕駛員座椅的振動、車內(nèi)噪聲、發(fā)動機處的振動及其懸置軟墊的隔振率[9]。為了驗證優(yōu)化效果，將優(yōu)化前的懸置軟墊和優(yōu)化后的懸置軟墊進行裝車，用LMS Test Lab測試分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和分析處理。測試的工況包括怠速、定置升速、啟動/熄火、緩加速，測試結(jié)果如圖3所示。振動測試的點包括：發(fā)動機左前、左后、右前、右后懸置處，車內(nèi)駕駛員座椅導軌處；噪聲測試位置是車廂中部乘客耳旁高度處。振動數(shù)據(jù)量太大，不方便一一展示，但4種工況下的趨勢都一致，故只以怠速工況下的為例，圖3（c）是導軌處的z向振動，圖3（d）是發(fā)動機左前懸置處的z向振動。

圖3 不同工況下的振動、噪聲圖

3.2 結(jié)果分析

從圖3可以看出，優(yōu)化后車內(nèi)的振動、噪聲降低了，即NVH性能提高了，但是發(fā)動機處的振動幾乎沒變。造成發(fā)動機處振動沒變的原因是試驗所用車輛和路面均相同。造成車內(nèi)NVH性能得到改善的原因是應用多目標優(yōu)化方法改變了懸置系統(tǒng)頻率的分布，使其分布更加合理，從而在相同激勵的情況下，傳遞到整車的振動和噪聲大大降低；由于優(yōu)化后的懸置剛度增大，故隔振率稍微有所降低，但都大于85%，滿足隔振要求。此外，懸置剛度的增大會使疲勞強度得到一定的提高，從而在隔振率和疲勞強度之間找到了合理的平衡點。

4 結(jié)束語

在發(fā)動機懸置結(jié)構(gòu)的有限元動力學模型基礎上，建立了發(fā)動機懸置系統(tǒng)的多目標優(yōu)化模型，采用Isight軟件中的多島遺傳算法對多目標優(yōu)化模型進行求解計算。在怠速、定置升速、緩加速、啟動/熄火4種工況下測試了優(yōu)化前和優(yōu)化后發(fā)動機懸置NVH性能。測試結(jié)果表明，優(yōu)化后的車內(nèi)NVH性能較優(yōu)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

張彥斌（1989-），男，設計師；主要從事新能源客車底盤技術(shù)研究工作。

修改稿日期:2017-04-07