某國產SUV懸置系統優化設計與隔振測試評價

陶慶水，張亞新，鐘海兵，劉建勛，朱石沙( .湘潭大學機械工程學院，湖南湘潭405；.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲4000)

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某國產SUV懸置系統優化設計與隔振測試評價

陶慶水1, 2，張亞新2，鐘海兵2，劉建勛2，朱石沙1
( 1.湘潭大學機械工程學院，湖南湘潭411105；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412000)

摘要：動力總成懸置系統是汽車振動子系統之一，其性能對于整車NVH性能具有很大影響。以某國產SUV懸置系統作為研究對象，基于能量解耦法思想采用Isight集成Adams對懸置系統初始剛度進行匹配優化，優化后懸置系統垂向與繞曲軸轉動方向解耦率由原來52.2 %、45.9 %提高到90.3 %、85.4 %，其他四個方向解耦率也均達到了85 %以上，并對裝有OTS樣件的整車進行隔振率測試，實車試驗結果表明經過優化后懸置系統隔振率基本能達到要求，并檢測出系統與其他部件存在共振現象，為該車型后續研究提供指導。

關鍵詞：振動與波；懸置系統；振動解耦；Isight優化設計；隔振性能

動力總成以及將其與車架相連的支撐元件所組成的動力總成懸置系統是汽車的重要子系統，懸置系統性能好壞對降低動力總成振動向車身的傳遞以及衰減路面激勵引起的動力總成振動具有重要作用。而懸置系統的性能不僅取決于單個懸置的性能，也取決于整個系統，動力總成懸置系統的設計包括懸置剛度參數的選取、安裝位置與方位的確定，對動力總成懸置系統進行解耦設計可有效隔離振動、衰減噪聲[1]。

目前對于動力總成隔振設計與評價尚無統一標準，當前常用的解耦設計方法有扭矩軸解耦法和能量解耦法。在外力矩作用下，發動機并非沿著任意一根主慣性軸或曲軸軸線轉動，而是繞著空間某一特殊軸線轉動，即扭矩軸（TRA），其取決于動力總成的慣性特性和外力矩的方向[2]。扭矩軸解耦設計方法以提高動力總成繞扭矩軸轉動的側傾模態的解耦程度為目標，其主要應用于前縱置后驅式(FR式)汽車的懸置系統設計。FR式汽車的動力總成結構形式較為對稱，動力總成的扭矩軸線和曲軸軸線基本在一個平面內，懸置的布置空間較大，通過懸置組V形布置，可解除動力總成懸置系統的橫向-側傾彈性耦合，同時具有較大的橫向剛度和較小的側傾剛度[3-5]。當發動機結構缺少明顯的對稱面（如前置前驅式汽車），若按扭矩軸理論設計則難以實現，此時可采用能量解耦法，它不拘泥于發動機的類型和懸置的布置形式等具體特征。在進行懸置系統的解耦設計時，一般把動力總成看作空間彈性支承著的剛體，考慮其六個自由度的運動。根據動力總成的質量矩陣[M]及振型矩陣{Xi}，可以求出動力總成在作各階主振動時的能量分布，將其寫成矩陣形式，并定義為能量分布矩陣，記為[KE]。懸置系統以第j階固有頻率振動時第k個廣義坐標分配到能量所占總能量的百分比為

如此，要提高懸置系統某個方向上的解耦程度，就是要改變懸置系統的參數，使其對應的能量百分比逐漸提高并盡量接近于1。能量解耦法較其它方法有以下優點：

(1)無需坐標轉換，可在原坐標系上對懸置系統進行解耦設計；

(2)僅需對懸置系統進行自由振動分析求得剛體模態參數，在一定程度上脫離動力總成類型及布置形式的具體特點；

(3)解耦指標總是在（0，1）內變化，可使優化計算保持較好的數值穩定性[6]。

1　懸置系統動力學建模

發動機動力總成主要受到兩方面的振動激勵作用，一是通過懸架系統傳遞到動力總成的路面激勵作用，其頻率一般低于2.5 Hz，屬于低頻范圍；其次是動力總成自身在運轉過程中產生的激勵作用，頻率較高。徐石安與閻紅玉提出將汽車看成由發動機、車架、駕駛室和車橋等子系統構成的組合系統，把發動機（包括發動機懸置）視作要修改的子結構，根據各類汽車共有的特性找出發動機與其它子結構在整車中的一般匹配關系，而無需建立整車振動模型，直接根據發動機子結構所確定的動態特性比較準確地預估出整車振動狀況[7]。由于動力總成固有頻率遠大于懸置系統固有頻率，可將動力總成和車架視為剛體，同時將懸置簡化為三個相互垂直的線性粘彈性阻尼元件，根據測試所得的動力總成質量、轉動慣性等參數，建立如圖1所示的六自由度懸置系統模型。圖中OeXeYeZe為懸置系統坐標系，以曲軸中心線與發動機后端面的交點為坐標原點；Xe軸為曲軸中心線，指向發動機前端（皮帶輪端）；Ze軸平行于氣缸中心線，指向缸蓋；Ye軸根據右手定則確定。

根據廠家提供的坐標及質量參數，在Adams中建立動力學模型，并進行解耦率計算，得出騾車的系統解耦率，從表2計算結果可以看出，騾車懸置系統的解耦率普遍較低，尤其是沿垂向與繞曲軸轉動方向解耦率分別為52.2 %和45.9 %，懸置系統初次匹配不理想，因此有必要對懸置系統進行解耦優化設計。

圖1　動力總成懸置系統模型

表1　騾車懸置剛度性能參數

表2　騾車懸置系統解耦率計算結果

2　懸置系統參數優化設計

2.1設計變量

由于該車型懸置安裝位置與安裝方位等受整車布置限制都已確定，不便于改動，故選取懸置的三向主軸剛度作為優化變量，因有四個懸置，共12個變量。

2.2約束條件

考慮到懸置系統要有足夠的剛度支撐發動機總成及避開路面激勵力的頻率，故懸置系統的固有頻率應大于4.677 Hz[8]，取各階固有頻率的最低限值為5 Hz。其次動力總成懸置系統的固有頻率須低于發動機激勵力最低頻率的倍才能有效隔振，故研究的發動機怠速轉速為750 r/min，最低激勵頻率為25 Hz，懸置系統的固有頻率需滿足：。因此，頻率約束條件為：5 Hz

振動系統在某坐標系下出現耦合現象時，沿某一廣義坐標的振動將會引起沿其它坐標方向的振動，這樣對振動控制不利[10]。為避免動力總成懸置系統各階模態之間耦合而使懸置系統隔振性能惡化，應使懸置系統有較低的耦合度，對于工程實踐而言，要使解耦率達到100 %幾乎是不可能的事，因此應根據工程實際情況，使一些重要模態達到較高的解耦率，在研究中，限定Z向、Rxx向解耦率大于85%，其他各方向解耦率大于80%。

2.3優化目標和算法

在對動力總成懸置系統進行優化設計時，可從不同角度提出不同的目標函數，常見的目標函數有：動力總成六自由度解耦優化設計[11]，以廣義力傳遞率為目標進行優化設計[12]，轉矩軸解耦優化設計[3]。綜合考慮，以動力總成懸置系統的六自由度解耦率最大為目標。對多個子目標同時實施最優化的問題稱為多目標優化問題或多準則優化問題，優化問題為6階解耦率實現最大。其數學表達式為

非支配排序遺傳算法（NSGA-II）是K. Deb對Srini Vas所提出的NSGA算法的改進，NSGA-II優點在于探索性能良好，在非支配排序中，因為接近Pareto前沿的個體被選擇，使Pareto前進能力增強[13]。在Isight中選擇NSGA-II作為優化算法，通過Isight集成Adams所建立的整個優化流程見圖2。

圖2　Isight集成Adams懸置系統優化流程

2.4優化結果及分析

經過優化計算后，懸置系統的解耦率有了很大提高，主振方向Z向和Rxx向的解耦率分別為90.3 % 和85.4 %，其它方向的解耦率均大于85 %，系統解耦效果較好，且各方向固有頻率間距分布合理。根據優化結果，得到各懸置的剛度性能參數如表4。

表3　懸置系統優化計算結果

表4　系統優化后懸置剛度性能參數

3　實車試驗

懸置系統解耦性能是設計階段其性能評價的主要指標，在整車階段，評價系統隔振效果的主要指標是懸置振動傳遞率和懸置元件隔振率[14]，傳遞率是指被隔振物體振動響應與基礎振動響應的比值，常用加速度對數形式的傳遞率[15]

為了驗證動力總成懸置系統的參數匹配優化后的減隔振性能，對裝有OTS樣件的整車進行了隔振率測試評價分析。

3.1試驗設備及方案

本次試驗需數據采集儀一套，筆記本電腦一臺，三向加速度傳感器14個，轉速脈沖傳感器一個。將加速度傳感器分別布置在各測點上拾取振動信號，通過LMSSCADAS數據采集儀將其采集至計算機并記錄下來，采用LMSTest. Lab測試分析系統對測試數據進行分析處理。動力總成各懸置的位置按照司機駕駛時所面對的方向定義為前、后、左、右懸置，振動加速度傳感器布置在每個懸置的上方（發動機端）和下方（車架端），每個測點均采集三個軸向的振動加速度，即垂向（上下方向）、橫向（左右方向）和縱向（前后方向）。轉速傳感器布置在發動機旋轉軸或齒輪端，用于實時測量發動機的轉速，振動測點布置如圖3所示。

圖3　測點布置示意圖

3.2試驗結果分析

3.2.1定置工況懸置隔振率測試

在800 r/min～3 100 r/min定置升速工況下，對懸置隔振率進行分析，分析頻率范圍為0～200 Hz。

由圖4中懸置隔振率分析結果可知：

（1）左懸置縱/垂向、前懸置橫向、右懸置縱/橫/垂向、后懸置縱/橫/垂向的隔振率較好，均達到70 %以上，部分達到90%以上，隔振效果較好。

（2）前懸置縱向和垂向的隔振率在1 950 r/min左右出現低谷，說明在該轉速下系統某結構存在嚴重共振現象，懸置不僅沒有實現隔振，反而將基礎振動放大了。

（3）左懸置橫向的隔振率在2 113 r/min和2 670 r/min出現低谷，最小值為45 %左右，隔振效果不理想。

3.2.2前懸置支撐桿錘擊測試

通過對懸置進行隔振率測試可知前懸置隔振效果非常不理想，進一步對發動機機體、懸置系統和前懸置支撐車架進行錘擊法模態測試分析，得出如圖5所示的頻響函數曲線。

由圖5中頻響函數測試結果可知，前懸置下方支撐桿件測點存在明顯65 Hz模態頻率，與圖4中前懸置在1 950 r/min時出現異常的頻率吻合，表明該桿件模態影響了前懸置隔振效果。

圖4　發動機懸置隔振率

4　結語

(1)優化后懸置系統垂向與繞曲軸轉動方向的解耦率由原來的52.2 %、45.9 %提高到90.3 %、85.4 %，其他四個方向的解耦率也均達到了85%以上，各階固有頻率間隔最小為0.5 Hz，能達到工程應用要求。

(2)優化后的系統隔振測試結果表明采用Isight集成adams對懸置系統剛度參數進行匹配優化效果良好，四個懸置各個方向的隔振率均達到70 %以上，部分達到90%以上。

(3)檢測出了系統某結構在1 950 r/min的轉速下存在嚴重共振現象，為避免共振造成巨大破壞，進一步對系統進行了模態測試分析，測試結果表明前懸置下方車架存在65 Hz固有模態，后期需對車架進行優化。

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Optimal Design and Vibration Isolation Test Evaluation for a Domestic SUV Mount System

TAO Qing-shui1, 2, ZHANG Ya-xin2, ZHONG Hai-bing2, LIU Jian-xun2, ZHU Shi-sha1
( 1. School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, Hunan China; 2. Zhuhzou TimeNew Material Technology Co. Ltd., Zhuhzou 412000, Hunan China)

Abstract:Thepowertrain mount system isoneof theautomobilevibration subsystems, which influencethevehicle’s NVH performancegreatly. In thispaper, adomestic SUV mount system wasstudied based on theideaof energy decoupling method. The Isight integrated Adams was applied to optimize the initial stiffness of the mount system. After the optimization, thevertical decoupling rateand thearound-crank decoupling ratewereraised from 52.2 % to 90.3 % and from 45.9 % to 84.5 % respectively. Meanwhile, thedecoupling ratesin theother four directionswereall larger than 85 %. Then, testing for vibration isolation ratemeasurement for theautomobile’smounted OTSsamplewasconducted. Theresultsshow that the vibration isolation rate can essentially meet the requirement. The resonant phenomena of the system and the other componentsweredetected. Thiswork hasprovidedanimportant guidancefor researchanddevelopment of vehicles.

Key word:vibration and wave; powertrain mount system; vibration decoupling; Isight optimization; vibration isolation performance

作者簡介：陶慶水（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向為機械動力學。E-mail:15073218946@163.com

收稿日期：2015-09-10

文章編號：1006-1355(2016)02-0112-04+204

中圖分類號：U461.4

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.025