某客车动力总成悬置系统优化设计

曾发林，潘 伟，李建康，阮 洋

(江苏大学 a.汽车工程研究院; b.汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

某客车动力总成悬置系统优化设计

曾发林a，潘 伟b，李建康a，阮 洋b

(江苏大学 a.汽车工程研究院; b.汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

根据某款6902型客车悬置系统测量的各项参数，建立动力总成悬置系统6自由度的动力学模型。运用能量解耦法及NAGA-II优化算法，先基于正交试验方法对动力总成悬置系统刚度参数进行灵敏度分析，然后以动力总成悬置系统的6个方向耦合度为设计目标、6个悬置元件的三向主刚度参数为设计变量，对动力总成悬置系统进行优化设计。结果表明：经过优化后的悬置系统有效地提高了各向解耦率，实现了固有频率的合理配置，改善了悬置系统的隔振性能，提高了汽车乘坐舒适性。

悬置系统；能量解耦；灵敏度分析；隔振

Abstract: According to the parameters of a 6902 type passenger car suspension system measurement, we establish dynamic model of the powertrain mounting system of 6 degrees of freedom. By using the energy decoupling method and NAGA-II optimization algorithm, first based on orthogonal test method, we has the sensitivity analysis of system stiffness parameters for powertrain mounting, and taking the 6 directions of coupling of powertrain mount system as the design goal, taking three main stiffness parameters of 6 directions as design variables, the powertrain mounting system was optimized.The experimental results show that after optimization, the suspension system can effectively improve the anisotropy of the decoupling rate and achieve the reasonable allocation, the natural frequency, which improves the isolation performance of the mounting system, and improves the ride comfort of the car.

Keywords: mounting system; energy decoupling; sensitivity analysis; vibration isolation

随着生活质量的提升和现代汽车技术的发展，人们不仅追求车辆的动力性、安全性、燃油经济性，而且对汽车的乘坐舒适性的要求也越来越高[1]，使我们在汽车设计中对悬置系统的设计提出了越来越高的指标。通过选择适当的悬置系统参数(安装位置、角度和刚度等)，可达到合理配置动力总成刚体振动模态的固有频率和实现系统振动解耦是悬置系统设计的基本任务[2]。

本文以某款6902型客车为研究对象，在动力总成悬置系统振动分析的基础上，以6个悬置元件的3个方向主刚度为设计变量，以动力总成悬置系统的振动能量解耦为目标函数，选择系统Z向的振频在2.5～10 Hz范围内作为形态约束条件，将Isight优化软件与Matlab软件集成，提出了车辆悬置系统的优化方法，最后对动力总成悬置系统进行了隔振率性能的测试，对优化前后结果进行了对比分析。

1 动力悬置系统模型

本文根据所研究的6902型客车动力总成悬置系统的各项参数，得到悬置系统的简易模型：由6个具有3个主方向的弹簧阻尼元件支撑在车架上的6自由度振动系统。图1为6个悬置元件的分布情况。动力总成坐标原点在其重心处；X轴平行于曲轴中心线，指向动力总成飞轮；Z轴平行于气缸中心线，指向动力总成上方；Y轴则由正交坐标系的右手定则确定。

图1 6点式布置的动力总成悬置系统模型

动力总成悬置系统6自由度振动的一般形式为[3]:

(1)

其中：T为系统的动能；V为系统的势能；qi为系统的广义坐标。

对上述动力总成悬置系统力学模型可以建立6自由度无阻尼自由振动方程：

(2)

由式(2)可得到系统的主振型方程|K-ω2M|=0，计算得到系统的6阶固有频率和ωj(j=1,2,3,4,5,6)固有振型{φ}。

2 能量解耦法

能量解耦法是从能量角度实现各自由度的解耦[4]。如一空间刚体仅做垂直自由振动而和其他自由度解耦时，其振动能量只集中于垂直方向自由度上。当系统以第j阶模态振动时，第k个广义坐标分配的能量占系统总能量的百分比为

当Eji=100%，系统作第j阶模态振动时能量全部集中在第i个广义坐标上，此时该阶模态振动完全解耦。

3 优化算法

本文采用MOP多目标优化理论[5]，对于有n个变化量，m个目标函数，q+p个约束条件的MOP可表达为：

其中：x=(x1,x2,…,xn)T∈X⊂Rn为n维决策变量，X为n维空间决策；y=(y1,y2,…,ym)T∈Y⊂Rm为m维目标矢量，Y为m维目标空间；gi(x)≤0(1,2,…,q)定义了q个不等式约束；hj(x)=0(j=1,2,…,p)定义了p个等式约束[6]。

NSGA-II是基于遗传算法的非支配排序算法，其原理是根据个体之间的支配关系调用每个目标函数，使每个目标函数都尽可能达到pareto解[7]。在MOP算法(PSO、GA、NSGA、ACO等)中，NSGA-II算法是影响最大和应用范围最广的一种多目标遗传算法，且具有很好的鲁棒性和收敛速度。因此，本文采用NSGA-II算法解决动力悬置系统的优化问题。NSGA-II算法的基本流程如图2所示。

图2 NSGA-II算法的主流程

4 动力总成悬置系统模型准确性验证

笔者采用试验模态方法识别客车的动力总成惯性参数，以某企业提供的PRO/E 和CAD模型为参考，结合对动力总成实际的测量，建立了动力总成悬置系统的动力学模型，如图3所示。由于悬置系统的动力学模型的准确性对频率特性和解耦特性分析和优化设计结果的精确度影响很大，那么模型的搭建是其解耦及优化设计的关键，因此有必要对模型的准确度进一步验证。在Matlab软件中编制程序，按照振动微分方程，利用Matlab算出动力总成悬置系统理论上的固有频率，结果如表1所示。在ADAMS中的VIEW模块库中调用自带的BUSHING来模拟橡胶悬置元件，在ADAMS/vibration模块中分析动力总成悬置系统的固有频率[2]，结果如表1所示。悬置元件的初始参数如坐标位置、惯量参数和初始刚度如表2、3和4所示，动力总成的总质量为1 261 kg。

图3 基于ADAMS/view的动力总成悬置系统动力学模型

模态阶数Matlab计算的结果Adams计算的结果14.77274.772525.49175.491336.79286.792847.75017.750258.29118.2913613.173013.1742

表2 悬置元件及动力总成的坐标位置

表3 动力总成的惯量参数

两种计算固有频率的结果如表4所示。

从两组数据的对比可知，动力总成悬置系统的固有频率基本吻合，所以可以认为所建立的动力总成悬置系统6自由度动力学模型是正确可靠的，可以用来进行解耦与优化设计。

表4 优化前原悬置各向刚度

5 动力总成悬置系统优化

5.1 优化设计变量和灵敏度分析

工程实践中，主要考虑调整系统两个方面的参数：悬置件的主刚度及其安装位置[8]，而本例中悬置位置和安装角度受整车布置限制都已确定，故只选取了各个悬置件的主轴刚度值作为设计变量。因为有6个悬置件，计共有18个设计变量，如表5所示。考虑到在影响动力总成悬置系统解耦特性频率特性的这些变量参数中，某些变量对目标函数比较敏感，而某些变量对目标函数没有任何影响[9]，所以笔者基于正交试验对动力总成悬置系统的三向主刚度参数进行灵敏度分析，找出影响程度大的主要变量参数，减少次要的设计变量，然后基于主要变量参数，在Isight中进行多目标优化，表6为灵敏度分析之后的影响变量。

5.2 目标函数

由能量解耦法可知，某一阶频率下，当沿某一方向的振动动能百分比达到100%时，悬置系统在该频率下是完全解耦的，但对于激励源复杂的动力总成悬置系统是不可能实现完全解耦的，肯定存在个别方向的振动耦合，这里只能尽可能使占优方向的振动动能比最大。笔者以6个能量解耦率为目标函数，见表7所示。

表5 灵敏度分析前的设计变量参数

表6 经过灵敏度分析后的设计变量

表7 优化的目标函数

5.3 约束条件

在求Pareto解中，寻优是在所有约束条件构成的可行域中完成。在优化设计中一般存在两种约束条件：一种是边界限制条件，另一种是形态限制条件，笔者选择悬置系统Z向的振频在2.5～10 Hz 范围内作为形态限制条件。

5.4 优化算法

在优化过程中，采用NSGA-II算法，参数设置为：变量的范围为+/-100%,种群规模为100，预设进化代数为100，交叉概率为0.9，变异概率为0.1，交叉分布指数为10.0，突变分布指数为20.0，采用Isight与Matlab集成优化。

5.5 优化前后结果对比

将分析的动力总成悬置系统的参数和动力学模型，在ADAMS/vibration模块中计算悬置系统的解耦率[10]，分析它的振动耦合情况，结果如表8所示。

由表8可知，此方案存在严重的耦合，绕Z向的转动和Z向平动的耦合程度很大，且X向平动耦合率62%，绕Y向转动67.76%，均未达到工程上可以接受的80%，而Y向的平动与绕X向的转动的解耦率都达到了90%以上。在解耦率较低的情况下，恶化动力总成悬置系统的隔振性能，同时降低了动力总成悬置元件的耐久性。因此，需要对其进行优化设计，以减少其振动耦合，提高其隔振性能。表9为经过优化后的悬置系统的刚度。

表9 优化后的悬置刚度

将优化后的刚度参数赋予到建立的动力总成悬置系统模型中，在Adamas中计算其固有频率和解耦率，结果如表10所示。

表10 优化后悬置系统固有频率和能量分布比

从表10可知，相对于原始刚度值，左前悬置X、Y、Z方向刚度值有所增加，左、右中悬置X方向刚度值减小较大，左、右中悬置Y、Z方向刚度值有所增大。优化后各方向的解耦率都达到了90%，满足设计要求。

5.6 实车测试

悬置系统并不是汽车中独立的振动系统，单独分析悬置系统的优化结果只是停留在它的理论阶段，为此，我们根据优化后的悬置系统，在某客车上进行实车振动测试，以测得的悬置隔振率来论证优化后悬置系统的隔振性能。

在评价悬置隔振效果时，最常用的评价指标是悬置隔振率。汽车业内认为动力总成悬置系统的隔振率应大于20 dB，悬置才具有良好的隔振效果[11]。悬置隔振率以分贝形式表示，计算公式如下：

(3)

式中：aactive为主动边振动的加速度均方根值；apassive为被动边振动的加速度均方根值。

本试验以某6902型客车为例，分别测出原悬置和优化后悬置从怠速到最高转速共5种工况下各测点的振动信号，即(怠速、1 000、1 500、2 000、2 500 r/min)，部分悬置传感器安装位置如图4所示。

图4 部分传感器布置位置

将优化前后计算好的振动隔振率绘制成曲线进行对比，结果如图5～10所示。

图5 左前悬置优化前后隔振率

图6 左中悬置优化前后隔振率

图7 左后悬置优化前后隔振率

图8 右前悬置优化前后隔振率

图9 右中悬置优化前后隔振率

图10 右后悬置优化前后隔振率

由图5～10可知：左前、左中、右中悬置在怠速时不同工况下悬置元件的隔振率都达到20 dB；右前、右后悬置在怠速时部分工况下悬置元件的隔振率在19 dB左右；左后悬置元件的隔振率在17 dB左右。但总的来说，6个悬置元件在优化后的隔振率比优化前要好。

6 结束语

1) 在优化之前，对以6个悬置元件的3个方向主刚度值为设计变量进行灵敏度分析，剔除低灵敏度的设计变量，只考虑敏感设计变量，大大提高了优化效率。

2) 优化后悬置系统各方向的解耦率都得到了提高，达到了90%以上。

3) 根据试验数据可知：优化后的悬置隔振率大部分得到提高，即系统总体隔振性能得到改善，比优化前要好，优化后的悬置系统基本满足隔振要求，提高了汽车乘坐舒适性。

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(责任编辑何杰玲)

OptimizationDesignofPowertrainMountingSystemofaBus

ZENG Falina, PAN Weib, LI Jiankanga, RUAN Yangb

(a. Automotive Engineering Research Institute; b.School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

2016-03-10

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX12_0630)

曾发林(1963—)，男，江苏镇江人,副教授，主要从事汽车NVH研究，E-mail:519491781@qq.com。

曾发林，潘伟，李建康，等.某客车动力总成悬置系统优化设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(9):29-35.

formatZENG Falin, PAN Wei, LI Jiankang,et al.Optimization Design of Powertrain Mounting System of a Bus[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):29-35.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.005

U271.91

A

1674-8425(2017)09-0029-07