發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛 水

天津科達(dá)動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛 水

天津科達(dá)動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司

由于汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展越來(lái)越快，人們對(duì)汽車(chē)的乘坐舒適性越來(lái)越重視。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的減振是急需解決的問(wèn)題之一，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究也顯得越來(lái)越重要，合理地匹配懸置系統(tǒng)參數(shù)是提高整車(chē)性能的關(guān)鍵。目前，多采用優(yōu)化方法對(duì)懸置系統(tǒng)的剛度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，匹配合理的懸置系統(tǒng)剛度，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到支承系統(tǒng)的振動(dòng)。因此，在匹配懸置系統(tǒng)參數(shù)時(shí)不但要考慮懸置系統(tǒng)的剛度，還要考慮懸置系統(tǒng)的阻尼。

發(fā)動(dòng)機(jī)；動(dòng)力總成懸置；設(shè)計(jì)

隨著市場(chǎng)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，商用車(chē)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(Noise, Vibration and Harshness, NVH)稱(chēng)為衡量商用車(chē)性能的重要指標(biāo)，其性能是整車(chē)廠(chǎng)和相關(guān)零/部件開(kāi)發(fā)商共同關(guān)注的重要問(wèn)題，因?yàn)槠?chē)NVH給用戶(hù)帶來(lái)最為直接的感受。汽車(chē)NVH問(wèn)題是綜合性的復(fù)雜工程問(wèn)題，擁有良好的NVH性能往往也體現(xiàn)了汽車(chē)設(shè)計(jì)實(shí)力與品牌價(jià)值。

1 某發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

表1 所示為自卸車(chē)原地駐車(chē)試驗(yàn)所用的測(cè)試設(shè)備

1.1 懸置系統(tǒng)模型的建立

研究的動(dòng)力總成懸置結(jié)構(gòu)為6點(diǎn)支撐，呈對(duì)稱(chēng)分布。發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置為左、右兩點(diǎn)，分別固定于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體左、右兩側(cè)前下方，通過(guò)左、右支架于車(chē)架縱梁腹板面連接，前懸置與地面呈30°傾角，后懸置點(diǎn)位于飛輪殼兩側(cè)，通過(guò)左、右支架于車(chē)架縱梁腹板面連接，后懸置與地面平行，輔助支撐通過(guò)橫梁吊裝變速箱尾部，與車(chē)架縱梁腹板面連接，輔助支撐與底面平行。

1.2 懸置系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)用

LMSVirtual.Lab優(yōu)化模塊分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700、1500、2300r/min下的懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。為滿(mǎn)足動(dòng)力總成支撐定位功能，約束條件為橡膠懸置的形變量，前懸置不能超過(guò)6mm，后懸置不能超過(guò)10mm，輔助支撐不能超過(guò)2mm，優(yōu)化目標(biāo)為懸置下車(chē)架點(diǎn)處振動(dòng)R MS值最小化，其中三種轉(zhuǎn)速的權(quán)重系數(shù)分別為0.6、0.3、0.1，統(tǒng)計(jì)自卸車(chē)在工地實(shí)際作業(yè)狀況得出的時(shí)間比，怠速700r/min工況使用最多，其次為1500r/min工況，因?yàn)楫?dāng)自卸車(chē)卸貨時(shí)，需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高舉升液壓缸的工作效率，接近最高轉(zhuǎn)速的2300r/min使用相對(duì)較少。建立模型仿真過(guò)程，輸入數(shù)據(jù)為實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以懸置系統(tǒng)6個(gè)懸置點(diǎn)的剛度為設(shè)計(jì)變量，建立相應(yīng)的約束條件。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其他轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果比較理想，模型可信度較高，基本解決原車(chē)抖動(dòng)異常問(wèn)題，充分說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果提高了懸置系統(tǒng)匹配的合理性。

2 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的建模

由于動(dòng)力總成的彈性體固有頻率遠(yuǎn)高于懸置系統(tǒng)的固有頻率，因此建模時(shí)動(dòng)力總成簡(jiǎn)化為剛體。彈性懸置簡(jiǎn)化為3個(gè)相互正交的彈簧，剛度分別取懸置的主壓縮剛度和主剪切剛度，同時(shí)忽略懸置阻尼的影響。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型Fig.1 Model of powertrain mounting system

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)固有屬性的設(shè)計(jì)一般在3套坐標(biāo)系中進(jìn)行，分別為：曲軸坐標(biāo)系{XC，YC，ZC}、扭矩軸坐標(biāo)系{XT，YT，ZT}和車(chē)輛坐標(biāo)系{XV，YV，ZV}。

曲軸坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于動(dòng)力總成質(zhì)心處，XC軸沿曲軸軸線(xiàn)指向動(dòng)力總成自由端；ZC軸沿直列氣缸軸線(xiàn)或V型氣缸角平分線(xiàn)指向上方；YC軸根據(jù)右手定則確定。該坐標(biāo)系用于存在不平衡慣性力作用時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)試。

扭矩軸坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于動(dòng)力總成質(zhì)心處，XT軸沿扭矩軸指向動(dòng)力總成自由端；YT軸位于XC－YC平面內(nèi)；ZT軸根據(jù)右手定則確定。該坐標(biāo)系主要用于怠速工況下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為橫置動(dòng)力總成的俯仰模態(tài)提供設(shè)計(jì)參考。

車(chē)輛坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于靜平衡狀態(tài)下的動(dòng)力總成質(zhì)心處，XV軸平行于車(chē)輛縱向?qū)ΨQ(chēng)面水平指向后方；YV軸垂直于車(chē)輛縱向?qū)ΨQ(chēng)面指向駕駛員右側(cè)；ZV軸根據(jù)右手定則確定。該坐標(biāo)系主要用于車(chē)身激勵(lì)下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括不平路面激起的垂向振動(dòng)，加、減速時(shí)的縱向激勵(lì)和轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)向激勵(lì)。

3 優(yōu)化穩(wěn)健設(shè)計(jì)

不論是確定設(shè)計(jì)還是穩(wěn)健設(shè)計(jì)都必須滿(mǎn)足約束條件。約束條件在設(shè)計(jì)空間中確定出一個(gè)可行域，該區(qū)域的每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)都滿(mǎn)足約束條件，而系統(tǒng)最終的設(shè)計(jì)方案也必定位于該區(qū)域。系統(tǒng)的可行域可采用全局優(yōu)化算法進(jìn)行確定，但搜索過(guò)程有別于優(yōu)化過(guò)程。在穩(wěn)健設(shè)計(jì)中，需要對(duì)可行域內(nèi)的每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)健評(píng)價(jià)，通過(guò)比較評(píng)價(jià)結(jié)果從而確定系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

在應(yīng)用蒙特卡洛模擬方法時(shí)，一個(gè)無(wú)法回避的關(guān)鍵問(wèn)題是計(jì)算量過(guò)大。針對(duì)該問(wèn)題，在制定穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程時(shí)，將可行域拆分為多個(gè)子域，然后將每個(gè)子域分配至計(jì)算機(jī)的指定計(jì)算核心，每個(gè)核心負(fù)責(zé)一個(gè)子域內(nèi)所有設(shè)計(jì)點(diǎn)的穩(wěn)健評(píng)價(jià)并確定該子域內(nèi)的最優(yōu)解，最后綜合各子域的計(jì)算結(jié)果得到全局最優(yōu)解。通過(guò)在多核計(jì)算機(jī)上應(yīng)用并行計(jì)算技術(shù)可以有效提高設(shè)計(jì)效率。

當(dāng)不確定水平較低時(shí)，穩(wěn)健目標(biāo)函數(shù)與確定目標(biāo)函數(shù)的值近似相等，因而優(yōu)化得到的穩(wěn)健解與確定解相同。穩(wěn)健設(shè)計(jì)方案模態(tài)解耦率的平均值相對(duì)確定設(shè)計(jì)方案變化不大，但是標(biāo)準(zhǔn)差卻有明顯減小，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)變量的不確定水平較高時(shí)，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方案對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)健性有顯著改善。