某前置發動機客車懸置系統優化設計與試驗分析

趙飛，杜志良，盛云，羅智，周宇

（濰柴動力上海研發中心，上海 200000）

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某前置發動機客車懸置系統優化設計與試驗分析

趙飛，杜志良，盛云，羅智，周宇

（濰柴動力上海研發中心，上海 200000）

某前置發動機客車在怠速及行駛工況下存在車身前部振動劇烈、車內噪聲偏大的現象，極大地影響車輛的乘坐舒適性。文章針對該問題，采用 ADAMS軟件建立動力學模型對車輛動力總成懸置系統隔振性能進行分析及優化設計，并據此提出懸置改進方案。試驗測試結果表明，優化改進后懸置系統的隔振效果明顯提高，樣車振動、噪聲問題得到有效改善。

懸置系統；隔振性能；能量解耦；優化設計；試驗分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.048

CLC NO.: U462.2+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-140-03

前言

汽車發動機在工作時會產生不平衡慣性力和波動力矩，激發動力總成與車身的振動，是汽車的一個主要振動源。動力總成通過懸置元件與車架連接，懸置系統起到隔振、支撐和限位的作用。動力總成懸置系統作為車輛的一個重要彈性減振系統，其振動的傳遞特性對汽車舒適性和NVH性能有很大影響[1]。匹配合適的懸置系統，最大限度的降低動力總成振動向車身的傳遞是汽車減振、降噪的重要環節。

某前置發動機客車在怠速及行駛過程中車輛前部振動劇烈，車內噪聲偏大，乘坐舒適性較差。進行主觀評價及試驗測試發現，上述現象主要由動力總成懸置匹配不當造成，懸置系統的隔振性能不佳，動力總成及附件振動位移較大。本文即對該客車動力總成懸置系統進行優化匹配，在ADAMS軟件中建立懸置系統動力學模型，通過提高能量解耦率、降低懸置支反力等來提升懸置系統的隔振性能。

1、試驗概況

1.1試驗樣車

試驗樣車主要技術參數見表1。

樣車配置直列四缸柴油發動機、四檔自動變速器，發動機前置后驅。動力總成懸置系統為四點布置方案，自由端懸置為45°夾角對稱布置，飛輪端懸置為水平布置型式。

表1　試驗客車主要技術參數

1.2問題描述

對樣車進行主觀評價，發動機振動、噪聲問題非常突出，樣車整車路試反饋的問題如下：

（1）怠速工況，動力總成振動劇烈，發動機及附件振動位移明顯。

（2）行駛工況，車輛前部振動劇烈，方向盤、儀表盤振感明顯，車內噪聲偏大，乘坐舒適性較差。

分析表明：樣車動力總成懸置系統隔振性能較差，自由端、飛輪端懸置隔振的一致性不好，懸置軟墊匹配不合理。需要對動力總成懸置系統進行優化設計，以提高整車的乘坐舒適性。

2、懸置系統優化、改進

2.1懸置系統設計的一般要求

在懸置系統設計時，應選取恰當的懸置剛度和適當的阻尼，以使動力總成懸置系統的固有頻率避開整車各子系統的固有頻率以免發生共振。同時，應對懸置系統進行解耦設計，以盡可能消除六個剛體模態之間存在的耦合作用[2]。具體要求如下：

(1)頻率分布：六個方向的剛體模態固有頻率介于5Hz~25Hz，相鄰兩階固有頻率之間的頻率間隔大于0.5Hz，且最高階固有頻率應低于發動機主階次激勵頻率的0.707倍；

(2)能量解耦：垂向振動、側傾轉動方向剛體振動模態的能量解耦期望達到 90%以上,其它方向的能量解耦達到 85%以上；

(3)位移控制設計：基于懸置系統的靜剛度參數，計算動力總成在單位載荷作用下其質心位移變化量，分析是否滿足整車總布置的設計要求。

2.2剛體動力學建模分析

將樣車動力總成系統作為研究對象，借助 ADAMS/VIEW軟件，建立其剛體動力學模型，輸入動力總成的質量及慣量參數，總成質量938Kg，模型如圖1。

對樣車動力總成懸置系統進行剛體模態分析，得出結果見表 2。可以看出，樣車懸置系統的固有頻率分布不合理，最小頻率間隔僅0.1Hz，最高階模態頻率接近14.14Hz（發動機主階次激勵頻率 20Hz/1.414），懸置軟墊配置偏硬；各方向能量解耦情況亦不很理想。因此，需要對懸置系統進行優化、改進。

圖1　懸置系統剛體動力學模型

表2　懸置系統剛體模態各階固有頻率及能量解耦率

2.3懸置系統優化模型

對動力總成懸置系統進行優化設計，主要涉及到優化變量、目標函數、約束條件等方面[3]。鑒于樣車懸置總體布置改動的工作量較大，本文只以懸置軟墊的剛度參數作為優化設計變量。

(1)優化目標函數： 對懸置系統開展基于能量解耦的多目標優化，以各方向能量解耦百分比最大為優化目標函數。以能量解耦率為響應量，對剛度參數進行靈敏度分析。

(2)優化設計變量：以懸置元件的剛度參數作為設計變量。分別為：自由端懸置縱向剛度K1X、橫向剛度K1Y、垂向剛度K1Z；飛輪端懸置縱向剛度K2X、橫向剛度K2Y、垂向剛度K2Z，共六個變量。

(3)優化約束條件：

a.設計變量懸置剛度范圍以原參數為基準正負變化50%，即K原×50%≤K ≤K原×150%；

b.頻率間隔fi-fj≥0.5Hz。

2.4懸置系統優化結果分析

根據上述優化模型，對樣車懸置系統進行解耦優化，優化結果見表3~表4。

表3　優化前后懸置靜剛度變化 N/mm

表4　優化前后頻率分布、能量解耦率變化

從優化結果可以看出，各方向能量解耦率均有一定程度提高，最小頻率間隔由0.1Hz提高到0.64Hz，最高階頻率由13.93Hz降為12.54Hz，剛體模態頻率分布更為合理。

對單位載荷工況下動力總成的質心靜態位移進行校驗，見表 5。可見，優化后的懸置參數滿足動力總成位移條件限值要求。

表5　單位載荷工況下動力總成質心靜態位移

對發動機激勵下的動力總成懸置軟墊支撐反作用力進行校驗。模擬四缸發動機工作狀態下產生的往復慣性激勵力FZ、慣性力產生的扭矩MXm與氣體燃燒壓力產生的扭矩MXg[4]，見式（1）。

式中：=2πn/60，n為發動機曲軸轉速；質量ms包括活塞質量，1/3~1/4的連桿質量；λp=r/l ， r為曲柄半徑， l為連桿長度；MX為發動機有效輸出扭矩；

a2、 φ2為正弦激勵波的振動幅值和相位角。

將上述模擬激勵施加于懸置系統動力學模型，計算懸置軟墊在發動機工作狀態下的支反力最大值，結果見表 6。可見，經優化后懸置系統在發動機激勵下的支撐反作用力降低，從而相應減小動力總成振動向車身的傳遞。

表6　發動機激勵下懸置軟墊支反力最大值

3、試驗驗證

根據懸置系統優化結果，按性能參數要求制作懸置軟墊樣件，并在樣車上換裝。對換裝前后懸置系統的隔振性能進行對比測試，加速度傳感器布置見圖2。

圖2　加速度傳感器布置位置

本文以車輛定置、發動機怠速工況下動力總成懸置的隔振率指標來評價懸置的減振性能，見式（2）。

式中：被動端v——懸置軟墊與車架連接支架處的振動烈度，單位：mm/s

v主動端——懸置軟墊與動力總成連接支架處的振動烈度，單位：mm/s

振動烈度為2Hz~1000Hz頻率范圍內所測振動速度的均方根值[5]。

怠速工況下，懸置系統隔振測試結果見表7。分析可知：

(1)優化前，樣車動力總成自由端懸置隔振率介于84%~85%，飛輪端懸置隔振率介于70%~76%，自由端、飛輪端懸置隔振的一致性較差；優化后，所有懸置點的隔振率都在88%以上，整體隔振效果得到顯著改善。

(2)優化前，四個懸置點與車架連接處振動烈度介于5.8 mm/s ~11.4 mm/s；優化后，四個懸置點與車架連接處振動烈度均小于2.9 mm/s。優化改進后的懸置系統，有效降低了振動向車身端的傳遞。

表7　優化前后懸置系統隔振性能變化

對優化懸置后樣車進行路試主觀評價：在怠速及行駛過程中車輛前部振動劇烈現象得到了有效改善，車內噪聲明顯降低，乘坐舒適性能得以提升。

4、結束語

本文對某發動機前置客車動力總成懸置系統進行優化匹配，在ADAMS軟件中建立懸置系統動力學模型，進行以提高能量解耦率、降低懸置動反力為目標的優化計算，并提出懸置優化改進方案。經試驗驗證：優化后懸置系統隔振性能及隔振一致性明顯提高，樣車的乘坐舒適性顯著提升。

[1] 陳南主編 汽車振動與噪聲控制[M]. 北京：人民交通出版社.

[2] 發動機懸置系統多目標優化設計[J].重慶大學學報，自然科學版，2001,24（2）：41-44.

[3] 徐中明,李曉.動力總成懸置系統改進與試驗分析 [J].重慶理工大學學報：自然科學版，2011,（1）：6-10.

[4] Manfred Mitschke. Dynamik der krafahrzeuge[M].德國:Springer

[5] GB/T 10397-2003 中小功率柴油機 振動評級[S]. 2003年.

Optimization design and Experimental Analysis on Mounting system of Bus which with Front-mounted Engine

Zhao Fei, Du Zhiliang, Sheng Yun, Luo Zhi, Zhou Yu
( Weichai Power Co., Ltd. Shanghai R&D Center, Shanghai 200000 )

Severe abnormal vibration and noise emerged in an bus with front-mounted engine during idling and travelling mode,which greatly influenced the ride comfort of vehicle. This paper aims at these problems, analysing and optimizing the powertrain mounting system of vehicle according the dynamic model which is established by ADAMS software, then an improved program are proposed. Experimental Tests prove that vibration isolation performance of mounting is remarkably improving,the NVH performance of vehicle is evidently promoted.

Mounting system; Vibration isolation performance; Energy decoupling ; Optimization design; Expermental analysis

趙飛，就職于濰柴動力上海研發中心， 研究方向為整車NVH性能試驗與仿真。

U462.2+2

A

1671-7988 （2016）06-140-03