動力總成懸置系統剛度優化研究

劉勺華，邵亭亭，路紀雷

(1. 常州機電職業技術學院 車輛工程學院，江蘇 常州 213164； 2. 南京徐工汽車技術中心，江蘇 南京 210012)

0 引 言

動力總成系統是汽車的重要組成部分之一。但隨著汽車工業發展，汽車速度逐漸提高，重量逐漸減輕，使得車輛振動問題變得日益突出。發動機在工作過程中產生不平衡力和力矩與路面不平度是汽車振動的主要激勵源[1]。

發動機作為汽車最重要的振源之一，其產生的振動若得不到很好控制，則會引起車身部件、車架以及與車架相連的其他零件異常振動和噪聲。一方面會降低這些重要部件的疲勞壽命，另一方面劇烈的振動使駕乘人員產生不舒服和疲憊感，對汽車平順性的主觀評價造成嚴重負面影響。

因此如何通過設計性能良好的動力總成懸置系統，以減少動力總成向車架及車身振動能量傳遞，一直是車輛設計師們關注的重要課題。自動力總成懸置系統能量解耦方法提出后得到極大推廣，成為設計師們解決此問題最重要方法之一[2-3]。

筆者利用能量解耦方法，借助動力學分析軟件ADAMS建立了由濰柴發動機及法士特變速箱組成的動力總成懸置系統模型，從能量法角度出發對懸置剛度進行匹配優化，取得了較好結果。

1 動力總成懸置系統

1.1 動力總成懸置系統簡化建模

動力總成懸置系統固有頻率遠遠小于動力總成彈性模態頻率，因此在對懸置系統進行研究時常將動力總成和車架假定為剛體。用于發動機和車架連接的橡膠懸置，由于阻尼不大，且動力總成是小幅振動，因此建模時其阻尼予以忽略；懸置的3向剛度則用3個相互垂直的彈簧連接表示，這3條軸線為彈性主軸[4]。

此外，建立模型時需建立幾個坐標系：① 定坐標系G0-XYZ，原點G0位于動力總成靜平衡時的質心；Z軸平行于曲軸軸線，指向發動機前方；Y軸垂直于曲軸方向向上；X軸按右手定則確定。② 動坐標系GXYZ，原點G固結在動力總成質心處，靜平衡時動、定坐標系重合。動力總成剛體振動是由動坐標系相對于定坐標系平動和繞3個坐標軸轉動合成。因此廣義坐標為X、Y、Z、θx、θy、θz[5-6]。

基于此，動力總成懸置系統簡化力學模型和ADAMS模型分別如圖1。發動機為4點懸置，前后各2點，變速箱前面與發動機后部螺栓連接，后面為1點懸置，每個點為3自由度，故動力總成懸置系統模型共15自由度。

圖1 動力總成懸置系統力學模型

1.2 變速箱彈性支撐剛度

發動機懸置的3向剛度一般可從懸置供應商處直接獲得，但變速箱彈性支撐——扁擔梁則需要通過一定技術手段獲取。筆者采用柔性體建模方法獲得扁擔梁剛度曲線，圖2為扁擔梁3D模型。

圖2 扁擔梁3D模型

圖3 模態垂直振動

采用柔性體方法獲取剛度曲線具體步驟為：將3D模型導入有限元分析軟件，劃分網格、定義外連接點、設置模態信息，將模型導出mnf柔性體文件，最后將柔性體文件導入ADAMS添加約束及載荷，查看剛度曲線。

扁擔梁柔性體前3階模態如圖3。前3階模態頻率分別為83、117、241 Hz。由圖3可看出：扁擔梁前3階柔性體模態振型正對應于總體坐標系Z、Y、X這3向振動。

在扁擔梁柔性體相應位置施加X、Y、Z這3個方向力得到力-變形曲線，其斜率即為單向剛度，其X、Y、Z這3個方向剛度分別為：12 000、3 100、1 420 N/mm。

1.3 優化前仿真結果

對模型中各元件賦值，如對于動力總成輸入質心位置、轉動慣量等參數，各懸置輸入初始剛度值。經過ADAMS振動分析求解器Vibration求解得到優化前系統前6階模態頻率及能量占比分布，見表1。

表1 優化前系統頻率及能量分布

2 動力總成懸置系統優化

2.1 動力總成懸置系統數學模型

拉格朗日自由振動微分方程如式(1)：

(1)

式中：T為系統動能；Qi為系統廣義坐標；V為系統勢能。

將系統各參量代入式(1)可得動力總成懸置系統振動微分方程，如式(2)：

(2)

系統自由振動微分方程如式(3)：

(3)

式中：[M]為系統質量矩陣；[K]為系統剛度矩陣。

2.2 設計變量選擇

通過改變系統剛度矩陣K可控制系統振型及固有頻率，剛度矩陣是彈性支撐安裝位置、角度、剛度的函數。因此可將發動機各懸置點剛度和彈性中心點作為設計變量。

2.3 目標函數

根據振動匹配思想，懸置系統振動解耦關鍵是各方向上能量占比達到100%，且頻率滿足最值要求。但在工程實踐中，使系統6個自由度方向完全解耦是沒有必要的，同時也是很難實現的，故通常都是使幾個主要振動方向得到解耦即可。根據一般汽車特點，其激勵主要來自于繞發動機曲軸的轉動和垂直向上的來自路面激勵，因此只需使Y方向和Rzz方向解耦即可。

2.4 約束函數

進行優化時除了頻率要滿足最值頻率之外，設計變量也有一定限制。懸置剛度變量要充分考慮軟墊的可制造性，彈性中心點位置也要考慮整車布置方便性和可操作性。因此懸置剛度變量上下限值為初始剛度的30%，彈性中心點范圍為初始點上下各移動30 mm。

3 優化結果

設定好設計變量、約束函數及目標函數之后利用ADAMS的優化功能進行優化。優化前后部分懸置各向剛度變化見表2；優化后系統各頻率及能量占比分布見表3。

表2 優化前后部分懸置各向剛度對比

表3 優化后系統各頻率及能量分布

4 結 論

筆者建立了基于ADAMS的動力總成懸置系統自由振動模型，并以某方向能量解耦度為目標，以懸置參數為設計變量進行優化。

通過對比可以發現：系統優化后6個方向上解耦度分別提高了21.87%、3.06%、17.42%、3.91%、0.53%、4.56%。另外固有頻率方面，除第3階比優化之前有所增加外，其余各階次頻率均有降低，隔振率有所提高。

結果表明：利用ADAMS軟件進行懸置系統建模仿真優化可達到預期。另外利用此方法可縮短設計周期，提高設計效率，對設計結果進行有效預測并減小了設計風險，為動力總成懸置系統設計開發及優化提供了一條有效途徑。