趙飛，杜志良，盛云，羅智，周宇

（濰柴動力上海研發(fā)中心，上海 200000）

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某前置發(fā)動機客車懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(fā)中心，上海 200000）

某前置發(fā)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(nèi)噪聲偏大的現(xiàn)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(tǒng)隔振性能進行分析及優(yōu)化設(shè)計，并據(jù)此提出懸置改進方案。試驗測試結(jié)果表明，優(yōu)化改進后懸置系統(tǒng)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(tǒng)；隔振性能；能量解耦；優(yōu)化設(shè)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(fā)動機在工作時會產(chǎn)生不平衡慣性力和波動力矩，激發(fā)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(tǒng)起到隔振、支撐和限位的作用。動力總成懸置系統(tǒng)作為車輛的一個重要彈性減振系統(tǒng)，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(tǒng)，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(huán)節(jié)。

某前置發(fā)動機客車在怠速及行駛過程中車輛前部振動劇烈，車內(nèi)噪聲偏大，乘坐舒適性較差。進行主觀評價及試驗測試發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象主要由動力總成懸置匹配不當造成，懸置系統(tǒng)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(tǒng)進行優(yōu)化匹配，在ADAMS軟件中建立懸置系統(tǒng)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(tǒng)的隔振性能。

1、試驗概況

1.1試驗樣車

試驗樣車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

樣車配置直列四缸柴油發(fā)動機、四檔自動變速器，發(fā)動機前置后驅(qū)。動力總成懸置系統(tǒng)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(shù)參數(shù)

1.2問題描述

對樣車進行主觀評價，發(fā)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(fā)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，以提高整車的乘坐舒適性。

2、懸置系統(tǒng)優(yōu)化、改進

2.1懸置系統(tǒng)設(shè)計的一般要求

在懸置系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)選取恰當?shù)膽抑脛偠群瓦m當?shù)淖枘?，以使動力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率避開整車各子系統(tǒng)的固有頻率以免發(fā)生共振。同時，應(yīng)對懸置系統(tǒng)進行解耦設(shè)計，以盡可能消除六個剛體模態(tài)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(tài)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(yīng)低于發(fā)動機主階次激勵頻率的0.707倍；

(2)能量解耦：垂向振動、側(cè)傾轉(zhuǎn)動方向剛體振動模態(tài)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(shè)計：基于懸置系統(tǒng)的靜剛度參數(shù)，計算動力總成在單位載荷作用下其質(zhì)心位移變化量，分析是否滿足整車總布置的設(shè)計要求。

2.2剛體動力學建模分析

將樣車動力總成系統(tǒng)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(zhì)量及慣量參數(shù)，總成質(zhì)量938Kg，模型如圖1。

對樣車動力總成懸置系統(tǒng)進行剛體模態(tài)分析，得出結(jié)果見表 2?？梢钥闯觯瑯榆噾抑孟到y(tǒng)的固有頻率分布不合理，最小頻率間隔僅0.1Hz，最高階模態(tài)頻率接近14.14Hz（發(fā)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(tǒng)進行優(yōu)化、改進。

圖1　懸置系統(tǒng)剛體動力學模型

表2　懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)各階固有頻率及能量解耦率

2.3懸置系統(tǒng)優(yōu)化模型

對動力總成懸置系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，主要涉及到優(yōu)化變量、目標函數(shù)、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(shù)作為優(yōu)化設(shè)計變量。

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

(2)優(yōu)化設(shè)計變量：以懸置元件的剛度參數(shù)作為設(shè)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(yōu)化約束條件：

a.設(shè)計變量懸置剛度范圍以原參數(shù)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(tǒng)優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)上述優(yōu)化模型，對樣車懸置系統(tǒng)進行解耦優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表3~表4。

表3　優(yōu)化前后懸置靜剛度變化 N/mm

表4　優(yōu)化前后頻率分布、能量解耦率變化

從優(yōu)化結(jié)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(tài)頻率分布更為合理。

對單位載荷工況下動力總成的質(zhì)心靜態(tài)位移進行校驗，見表 5?？梢?，優(yōu)化后的懸置參數(shù)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(zhì)心靜態(tài)位移

對發(fā)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(fā)動機工作狀態(tài)下產(chǎn)生的往復(fù)慣性激勵力FZ、慣性力產(chǎn)生的扭矩MXm與氣體燃燒壓力產(chǎn)生的扭矩MXg[4]，見式（1）。

式中：=2πn/60，n為發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速；質(zhì)量ms包括活塞質(zhì)量，1/3~1/4的連桿質(zhì)量；λp=r/l ， r為曲柄半徑， l為連桿長度；MX為發(fā)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(tǒng)動力學模型，計算懸置軟墊在發(fā)動機工作狀態(tài)下的支反力最大值，結(jié)果見表 6。可見，經(jīng)優(yōu)化后懸置系統(tǒng)在發(fā)動機激勵下的支撐反作用力降低，從而相應(yīng)減小動力總成振動向車身的傳遞。

表6　發(fā)動機激勵下懸置軟墊支反力最大值

3、試驗驗證

根據(jù)懸置系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，按性能參數(shù)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(tǒng)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(fā)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(nèi)所測振動速度的均方根值[5]。

怠速工況下，懸置系統(tǒng)隔振測試結(jié)果見表7。分析可知：

(1)優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)化改進后的懸置系統(tǒng)，有效降低了振動向車身端的傳遞。

表7　優(yōu)化前后懸置系統(tǒng)隔振性能變化

對優(yōu)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(xiàn)象得到了有效改善，車內(nèi)噪聲明顯降低，乘坐舒適性能得以提升。

4、結(jié)束語

本文對某發(fā)動機前置客車動力總成懸置系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配，在ADAMS軟件中建立懸置系統(tǒng)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(yōu)化計算，并提出懸置優(yōu)化改進方案。經(jīng)試驗驗證：優(yōu)化后懸置系統(tǒng)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(fā)動機懸置系統(tǒng)多目標優(yōu)化設(shè)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(tǒng)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(fā)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