郭曉達(dá) 苗森

摘 要：汽車作為主要的交通工具，人們對(duì)汽車的乘坐舒適性要求也越來(lái)越高。動(dòng)力總成是汽車的主要激勵(lì)源，降低動(dòng)力總成傳遞到車身的振動(dòng)能量對(duì)于降低整車振動(dòng)噪聲有很大幫助。本文就汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)最佳位置的優(yōu)化展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波;發(fā)動(dòng)機(jī)懸置;位置優(yōu)化

1 發(fā)動(dòng)機(jī)布置特點(diǎn)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于汽車底盤(pán)，為了降低整車重心，發(fā)動(dòng)機(jī)需要盡可能布置在較低位置。通常根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)布置位置所在軸線與整車行駛方向的相對(duì)關(guān)系，可分為縱置式、橫置式、斜置式發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)汽車采用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)布置型式時(shí)，懸置支架的設(shè)計(jì)會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)。在縱置式車型中，發(fā)動(dòng)機(jī)位于車輛前軸的前上方，在這種布置方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)和車架之間是通過(guò)懸置進(jìn)行連接和固定的，懸置支架是核心部件。

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模型

對(duì)懸置進(jìn)行優(yōu)化，首先要建立動(dòng)力總成、懸置和車身的動(dòng)力學(xué)耦合模型，在模型的建立過(guò)程中，以動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)系為標(biāo)準(zhǔn)，O-XYZ為與動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)系平行的廣義坐標(biāo)系，而UVW坐標(biāo)系為各個(gè)懸置安裝位置與方向所決定的局部坐標(biāo)系，分別對(duì)應(yīng)左懸置、右懸置和后懸置。

在簡(jiǎn)化模型中，動(dòng)力總成被簡(jiǎn)化成包含3個(gè)平動(dòng)3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的六自由度剛體，每個(gè)懸置與彈性的車身連接的節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)平動(dòng)自由度，整個(gè)簡(jiǎn)化系統(tǒng)可以看做為十五自由度的模型。根據(jù)拉格朗日方程，系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程為：

式中：分別為動(dòng)力總成質(zhì)心和3個(gè)懸置對(duì)應(yīng)的廣義坐標(biāo);[M]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;[K]為系統(tǒng)剛度矩陣;F為動(dòng)力總成質(zhì)心等效激勵(lì)力。

系統(tǒng)質(zhì)量矩陣表達(dá)式為：

m0為動(dòng)力總成質(zhì)量;J為動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;其余9個(gè)自由度質(zhì)量

不計(jì)。系統(tǒng)剛度矩陣表達(dá)式為：

Cn為每個(gè)懸置點(diǎn)處廣義坐標(biāo)與局部坐標(biāo)系之間的夾角歐拉矩陣;Sn為動(dòng)力總成質(zhì)心6個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)引起的懸置點(diǎn)動(dòng)力總成一側(cè)3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的位移轉(zhuǎn)移矩陣;Kn為每個(gè)懸置考慮阻尼損失的剛度矩陣。得到了動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和激勵(lì)力信息后，可以通過(guò)激勵(lì)力計(jì)算車身懸置點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)傳遞到車身的功率流表達(dá)式可以寫(xiě)出，它是由支反力和懸置點(diǎn)的速度在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下相乘得到的。3個(gè)懸置在9個(gè)方向傳遞到車身的穩(wěn)態(tài)功率流為：

式中：Q1為懸置點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)響應(yīng);V1為車身懸置點(diǎn)穩(wěn)態(tài)速度響應(yīng);F1為車身懸置點(diǎn)支反力的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

3 系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。在對(duì)某一對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該得先確定優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中的目標(biāo)函數(shù)。為合理地布置懸置系統(tǒng)的固有頻率，本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)主要考慮固有頻率與解耦性兩個(gè)因素，所建立的目標(biāo)函數(shù)如：

上式中，W為加權(quán)系數(shù)，一個(gè)4個(gè)系數(shù)由人為自定義;f為系統(tǒng)固有頻率，f0為優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)固有頻率，dig為解耦性，當(dāng)其取值為100%時(shí)表示完成解耦。（2）約束條件。優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的剛度為了滿足NVH性能對(duì)剛度的要求以及抑制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)位移的要求，需要在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中添加一定的約束條件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通常研究者對(duì)懸置系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)所采用的約束條件是：形態(tài)約束和邊界約束。所謂形態(tài)約束是根據(jù)懸置系統(tǒng)的某項(xiàng)性能要求而設(shè)計(jì)的約束函數(shù)，而邊界約束是用來(lái)限制一些變量的取值范圍，或者建立不同參數(shù)之間的相對(duì)約束關(guān)系。為了避免車身或車架和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振，懸置系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速工況下時(shí)，主要的激勵(lì)源不再是二階激勵(lì)，此時(shí)需要隔振的對(duì)象是二級(jí)往復(fù)慣性力，所以此時(shí)懸置系統(tǒng)Z方向上固有頻率應(yīng)適當(dāng)減少，具體的取值范圍應(yīng)為：6Hz

4 懸置支架結(jié)構(gòu)有限元法分析

汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，從概念設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)需要很長(zhǎng)的時(shí)間周期，企業(yè)為了搶占市場(chǎng)機(jī)遇和有效應(yīng)對(duì)來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快節(jié)奏的產(chǎn)品換代節(jié)奏，不得不采取很多縮短開(kāi)發(fā)周期的措施。引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的數(shù)字化技術(shù)和并行工程，將產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、分析計(jì)算和論證等環(huán)節(jié)同時(shí)進(jìn)行。有限元分析技術(shù)作為數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵手段之一，在確保產(chǎn)品達(dá)到性能要求的前提下，能夠大幅縮短開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，為企業(yè)產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代提供了有力的保障。

5 結(jié)語(yǔ)

懸置系統(tǒng)性能的好壞，對(duì)整車的性能以及車室內(nèi)乘客的乘坐舒適性有較大的影響。理想的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)固有頻率應(yīng)避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍的頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，僅是數(shù)值上的模擬計(jì)算，還需進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)一步得到驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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