楊守財(cái)

摘要：本文基于靈敏度分析的發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究課題，以發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)能量解耦作為本研究的參照目標(biāo)，以懸置剛度參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，考慮各種因素對懸置剛度參數(shù)靈敏度的影響，建立了多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。采用遺傳優(yōu)化算法對發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)剛度參數(shù)進(jìn)行了穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用蒙特卡羅方法進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，本次研究所采用的方法和建立的模型能夠有效的降低發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)能量解耦度對懸置剛度參數(shù)的靈敏度，有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)了發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)，提高了實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：懸置系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計(jì);靈敏度;能量解耦

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0005-02

0? 引言

動力總成懸置系統(tǒng)的功能，固定并支撐動力總成，承受動力總成的載荷，防止動力總成位移，減少振動對車身的影響，減少發(fā)動機(jī)與底盤之間的雙向振動傳遞。因此，有必要對汽車懸置系統(tǒng)中的主要振動源進(jìn)行識別。根據(jù)車輛振動源的不同，可分為兩類：一類是車輛動力系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)部振動;另一類是由路況和氣流引起的外部振動。車輛的振動主要是由車輛內(nèi)部振動引起的，安裝件主要是為了減少內(nèi)部振源對整車的沖擊。因此，對懸置元件的研究對降低車輛振動，提高車身整體性能具有重要意義。對于懸置系統(tǒng)的研究，目前的研究方向主要集中在彈性材料的研究上。汽車剛發(fā)明時(shí)，發(fā)動機(jī)直接安裝在車架上，會產(chǎn)生很大的振動和噪音，乘坐體驗(yàn)非常差。為了提高司乘人員的舒適性，延長汽車相關(guān)零部件的使用壽命，技術(shù)人員從20世紀(jì)初就開始關(guān)注汽車發(fā)動機(jī)的振動問題，并采取了一些改進(jìn)措施。但其軟墊材料的減震效果并沒有明顯改善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場對汽車需求的不斷增加，汽車市場不斷擴(kuò)大，對汽車懸置問題的研究也越來越深入。人們越來越意識到汽車發(fā)動機(jī)懸置對汽車整體性能的影響，現(xiàn)在技術(shù)人員也越來越重視汽車發(fā)動機(jī)安裝的技術(shù)要求。人們對汽車的舒適度要求越來越高，相關(guān)的振動理論也在不斷拓展。具體要求是在低頻大振幅振動中，安裝部件具有較強(qiáng)的剛度和阻尼比，其原理相當(dāng)于通過改變部件的剛度來影響動力總成系統(tǒng)固有頻率方式達(dá)成隔振效果。如今，懸置系統(tǒng)的發(fā)展路徑從最開始的橡膠懸置到后來陸續(xù)出現(xiàn)的液壓懸置，雙重隔離懸置再到當(dāng)今懸置的主要研究方向?yàn)橹鲃邮郊爸鲃涌刂剖揭簤簯抑谩?/p>

1? 懸置系統(tǒng)制造散差

發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)對汽車的NVH性能起著重要作用，對發(fā)動機(jī)的懸置系統(tǒng)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要選擇合理的懸置參數(shù)，比如懸置系統(tǒng)的安裝角度、位置、阻尼和剛度等，降低整車自身的振動和噪聲情況。在實(shí)際生產(chǎn)中，懸置廠商提供的懸置墊參數(shù)各有差異，很難從工藝上保證參數(shù)的精確程度。因此，需要考慮到汽車發(fā)動機(jī)懸置參數(shù)的不確定性，在懸置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要利用穩(wěn)健的思維進(jìn)行穩(wěn)健的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面需要保證懸置系統(tǒng)的最佳性能，當(dāng)懸置參數(shù)產(chǎn)生變化的時(shí)候，懸置系統(tǒng)仍然具有最優(yōu)點(diǎn)的可行穩(wěn)健性，另一方面，所建立模型的目標(biāo)函數(shù)變化的區(qū)間應(yīng)該盡量的縮小，降低其靈敏度，使其具有不靈敏性，即目標(biāo)函數(shù)的值因設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)參數(shù)等等變動而引起的變化，能夠在一個(gè)相應(yīng)的區(qū)間范圍內(nèi)，減小其變化范圍。

2? 靈敏度分析

汽車懸置系統(tǒng)的安裝位置必須考慮以下幾個(gè)因素：盡可能布置在發(fā)動機(jī)振動最小的位置即發(fā)動機(jī)的節(jié)點(diǎn)上;應(yīng)布置在傳遞率最小的位置，即車身或車架的節(jié)點(diǎn)上，否則可能會使振動頻率增加，放大激勵;懸置布置點(diǎn)的剛度應(yīng)非常高。另外，對于發(fā)動機(jī)的懸置系統(tǒng)，還有以下幾點(diǎn)要求：①能夠在不同的使用狀況下，適應(yīng)動、靜載荷，使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的任何方向上的位移是在可接受的范圍內(nèi)，不與汽車其他零部件產(chǎn)生碰撞、摩擦。在對發(fā)動機(jī)進(jìn)行大修時(shí)，零部件沒有發(fā)生損壞。②能夠減少發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動對汽車整身的影響，降低噪聲。③降低路面狀況對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動影響，減少噪聲。④保證發(fā)動機(jī)的連接，動力輸出穩(wěn)定。在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，要想同時(shí)滿足上述因素和要求，基本是不可能的，因?yàn)槠噾抑玫牟贾脮艿桨惭b時(shí)間和空間的制約。而且在設(shè)計(jì)和制造懸置系統(tǒng)時(shí)，會有一些不確定因素，比如剛度和阻尼會在一定范圍內(nèi)變化。所以，對懸置系統(tǒng)的靈敏度分析，還必須要考慮到懸置系統(tǒng)的布置位置、剛度和阻尼變化情況等，對懸置隔振性能的影響。

3? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，人們對于汽車的懸置系統(tǒng)研究頗多，研究成果顯著。隨著當(dāng)代社會的高速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，伴隨著汽車需求的逐漸增加，人們對于汽車的要求和汽車的整體性能有了非常大的提高。對于汽車懸置系統(tǒng)的研究，有利于分析汽車的振動和噪音狀況，減少汽車振動和噪音，提高汽車的整體性能，提高人們乘坐汽車的舒適度。幾十年來國內(nèi)外研究人員從不同方面對懸置系統(tǒng)進(jìn)行了深入的理論和實(shí)踐研究：

3.1 基于粒子群算法的發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)? 采用粒子群算法，對發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)健優(yōu)化，使發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的垂直耦合靈敏度和側(cè)傾耦合靈敏度明顯下降。粒子群算法能夠有效應(yīng)用與發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的穩(wěn)健優(yōu)化，能夠準(zhǔn)確找到解耦程度較高的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化過程相對可靠，提高效率。

3.2 基于區(qū)間分析的發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)? 通過運(yùn)用區(qū)間分析理論，將發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，提高了汽車懸置系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的穩(wěn)健性。

4? 動力總成懸置系統(tǒng)振動解耦理論

動力總成的激勵包括較低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動激勵，較高轉(zhuǎn)速時(shí)的往復(fù)不平衡慣性力激勵，還有路面不平、氣流等激勵。轉(zhuǎn)矩波動激勵是作用在發(fā)動機(jī)的曲軸方向，往復(fù)不平衡慣性力激勵和路面不平、氣流激勵是作用在氣缸中心線方向。最大限度的解除動力總成懸置系統(tǒng)振動耦合，使其具有良好的隔振效果，這是優(yōu)化發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的最基本方法。發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的固有振動模態(tài)通常是在多個(gè)自由度方向上耦合的。無論在哪個(gè)方向激勵，都會產(chǎn)生一定的耦合振動，從而使發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的共振頻帶變寬，增加共振的頻率和持續(xù)時(shí)間。為了達(dá)到良好的隔振效果，有必要使用較軟的安裝元件。但是，這種做法很容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力總成與周圍部件的相對位移過大，與周圍部件發(fā)生碰撞摩擦，對整車的乘坐舒適性造成很大的損害，同時(shí)也會使懸置件產(chǎn)生較大的應(yīng)變響應(yīng)，故由于增加了應(yīng)變響應(yīng)，大大縮短了其使用壽命。因此，現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)懸置的設(shè)計(jì)正朝著完全解耦或部分解耦的方向發(fā)展。由于完全解耦的困難，通常用于多個(gè)主振型的解耦。常用的解耦方法剛度矩陣解耦法、彈性中心法、能量解耦法等[1-2]。

5? 運(yùn)行模態(tài)研究

為了研究和優(yōu)化動力總成懸置系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性，需要準(zhǔn)確地確定懸置系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。因此，快速、準(zhǔn)確地識別剛體模態(tài)參數(shù)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過模態(tài)分析，可以得到動力總成懸置系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，直接評價(jià)其動態(tài)性能，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)參數(shù)辨識域的不同，運(yùn)行模式可分為時(shí)域法、頻域法以及時(shí)頻域法。

5.1 頻域法? 頻域法主要是看響應(yīng)信號的頻率值，常見的傅里葉變換即屬于頻域法，還包括頻域分解法、峰值提取法、極大似然法、復(fù)模態(tài)指示函數(shù)法等。

5.2 時(shí)域法? 時(shí)域法不需要將測得的響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為頻域，而是直接在時(shí)域中識別包括時(shí)間信息在內(nèi)的參數(shù)，并得到各時(shí)刻的模態(tài)參數(shù)。避免了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引起的信號處理誤差。時(shí)域方法包括時(shí)間序列、next法、隨機(jī)減量法、分析法和隨機(jī)子空間法[3-4]。

5.3 時(shí)頻域法? 時(shí)頻域法，即是結(jié)合時(shí)域法和頻域法，進(jìn)行參數(shù)識別。對于實(shí)際響應(yīng)信號的非平穩(wěn)性，要求辨識方法應(yīng)具備時(shí)頻域的分析功能。信號的時(shí)頻表示方法是針對頻譜隨時(shí)間變化的非確定性信號和非平穩(wěn)隨機(jī)信號發(fā)展起來的。此方法聯(lián)合了諧波小波濾波、頻譜校正技術(shù)、隨機(jī)減量技術(shù)和希爾伯特變換，達(dá)到了預(yù)期的目的。

6? 優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于靈敏度分析的優(yōu)化方法是降低振動耦合度對懸置剛度參數(shù)的敏感性，提高系統(tǒng)的魯棒性。利用遺傳優(yōu)化算法對發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6]。

6.1 優(yōu)化過程? ①連續(xù)變量優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于連續(xù)變量和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到變量的優(yōu)化結(jié)果。②結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于變量結(jié)構(gòu)，將連續(xù)設(shè)計(jì)變量優(yōu)化后，再相應(yīng)得到合適的數(shù)值。結(jié)構(gòu)取值后，能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)是不確定的。③結(jié)構(gòu)公差設(shè)計(jì)。尺寸可由標(biāo)準(zhǔn)公差系列和尺寸公差等級組成的標(biāo)準(zhǔn)公差系列確定。因此，大小是一個(gè)區(qū)間數(shù)，也就是說，設(shè)計(jì)變量是區(qū)間數(shù)。

6.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)健化設(shè)計(jì)策略? 將不確定優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為確定性優(yōu)化問題后，模型呈現(xiàn)出多目標(biāo)、非線性的形式。罰函數(shù)法是將有約束優(yōu)化轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化的一種方法，簡單有效;遺傳算法是一種搜索效率高的隨機(jī)搜索方法。為此，利用罰函數(shù)將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題，然后用遺傳算法對優(yōu)化問題進(jìn)行分析。

6.3 遺傳算法（GA）? 遺傳算法作為一種全局優(yōu)化方法，由于對解空間進(jìn)行編碼操作，因此對于優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的形式?jīng)]有特別要求，并且優(yōu)化結(jié)果不依賴于初始點(diǎn)的選取，其適用于多極值點(diǎn)的優(yōu)化問題。

7? 結(jié)束語

基于靈敏度分析發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對汽車、船舶、飛機(jī)等以發(fā)動機(jī)為振源的工具來說，具有重要的研究價(jià)值和意義。目前的研究現(xiàn)狀還缺少對于懸置系統(tǒng)解耦的優(yōu)化和動力總成懸置系統(tǒng)解耦優(yōu)化二者結(jié)合相關(guān)聯(lián)的研究。而懸置系統(tǒng)的解耦和動力總成是影響發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。所以，對發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)解耦和動力總成的研究，非常具有意義。在發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)靈敏度研究的基礎(chǔ)上，建立了發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了魯棒優(yōu)化方案。將目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)對安裝剛度的靈敏度作為附加目標(biāo)函數(shù)，加入靈敏度約束，建立魯棒優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。這種優(yōu)化方法可以使約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性最小[7-8]。從解耦的角度，利用遺傳優(yōu)化算法對發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，各自由度的能量耦合指數(shù)都有所提高，垂向耦合靈敏度和滾動耦合靈敏度明顯降低。通過蒙特卡羅方法的分析得出，優(yōu)化后的垂直方向和滾動方向的解耦程度分布合理，優(yōu)化結(jié)果令人滿意。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫永厚，段鵬，劉夫云，等.動力總成懸置系統(tǒng)非線性剛度設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].噪聲與振動控制，2020，40（3）：148-153.

[2]蔣孫權(quán).汽車動力總成懸置系統(tǒng)布置研究[J].科技風(fēng)，2018，356（24）：9-18.

[3]雷芳華，潘潔宗.改進(jìn)遺傳算法的汽車懸置系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程師，2020，3（005）：20-23.

[4]張慧杰，郝慧榮，郭志平.六自由度發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].振動工程學(xué)報(bào)，2019，3（5）：25-26.

[5]劉傳江，屈新田，侯瑾.基于靈敏度分析的白車身右懸置安裝點(diǎn)動剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)[A].2019中國汽車工程學(xué)會年會論文集（4）[C].2019.

[6]XU Huanwei，LI Mufeng，WANG Xin，等.基于靈敏度分析的區(qū)間不確定性穩(wěn)健設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程，2019，030（013）：1545-1551.

[7]文廣，劉平平，蘇睿，等.基于靈敏度分析的減速器輸出軸靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019.

[8]張武，陳劍，陳鳴.采用正交試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)靈敏度分析[J].噪聲與振動控制，2011，31（005）：168-172.