發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘要：懸置系統(tǒng)作為車輛動(dòng)力總成的重要部件系統(tǒng)，在保證車內(nèi)振動(dòng)和噪聲有效可控的同時(shí)，也是車輛可靠性和安全性的重要保障。本文以微型車為原型，建立發(fā)動(dòng)機(jī)懸置數(shù)學(xué)模型，汽車在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)正常激勵(lì)下，對(duì)可能影響車輛NVH性能的因素進(jìn)行研究和優(yōu)化。關(guān)鍵詞：懸置系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)。

引言：

汽車的NVH性能是當(dāng)下車輛購(gòu)買者比較關(guān)注的車輛性能之一，車輛的NVH性能主要是汽車減振降噪方面的控制能力，而動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對(duì)整車的振動(dòng)和噪音有較大的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車上的主要振動(dòng)源，懸置系統(tǒng)是連接車身與發(fā)動(dòng)機(jī)的裝置，可見研究懸置系統(tǒng)的性能對(duì)整車的減振降噪有重要的意義。一方面，懸置系統(tǒng)較高的剛度有利于限制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的位移，另一方面，懸置系統(tǒng)的剛度應(yīng)盡可能小些，減少由發(fā)動(dòng)機(jī)傳向車身的振動(dòng)，對(duì)懸置系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使懸置系統(tǒng)在以上兩個(gè)方面有一個(gè)較優(yōu)的解。

1系統(tǒng)力學(xué)模型

1.1動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)

耦合模型本文中研究對(duì)象采用三個(gè)懸置，為了考慮動(dòng)力總成和車身的耦合，此處將懸置安裝點(diǎn)視為彈性節(jié)點(diǎn)，以該三個(gè)彈性節(jié)點(diǎn)之間的導(dǎo)納函數(shù)[H0]來代表車身的動(dòng)特性。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖1所示。采用拉格朗日方法可得到系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程。簡(jiǎn)化模型中總計(jì)十五個(gè)自由度（動(dòng)力總成六個(gè)自由度，左、右和后懸置處的三個(gè)彈性節(jié)點(diǎn)共九個(gè)自由度）。

以動(dòng)力總成的質(zhì)心坐標(biāo)系O-XYZ為標(biāo)準(zhǔn)，三個(gè)懸置點(diǎn)處的局部坐標(biāo)系O1-u1v1w1、O2-u2v2w2、O3-u3v3w3的坐標(biāo)軸見圖1所示。設(shè)廣義坐標(biāo)為qe=[q0q1]T，其中，q0=[xyzαβγ]表示動(dòng)力總成的位移矢量，q1=[u1v1w1u2v2w2u3v3w3]表示左懸置、右懸置、后懸置與車架三個(gè)彈性節(jié)點(diǎn)的位移矢量。不考慮阻尼時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)微分方程可描述為

式（1）中Me、Ke分別是系統(tǒng)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，可以由系統(tǒng)動(dòng)能表達(dá)式和系統(tǒng)勢(shì)能表達(dá)式推導(dǎo)而來。Fe=[FxFyFzMαMβMγ]是激振力矢量。質(zhì)量矩陣表達(dá)式如下

其中m為動(dòng)力總成質(zhì)量，I為動(dòng)力總成的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積。剛度矩陣可表示為

其中

H可以由力錘敲擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得。Ei表示動(dòng)力總成剛體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)引起剛體上懸置點(diǎn)三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的位移轉(zhuǎn)移矩陣。Ti矩陣表示夾角歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣。Ki表示第i個(gè)懸置在局部坐標(biāo)系下的三個(gè)方向的剛度組成的剛度系數(shù)矩陣。

1.2自由度模型

解耦率是懸置系統(tǒng)的重要特性，由于動(dòng)力總成固有頻率一般低于30Hz，將動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)空間六自由度系統(tǒng)。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)只包含q0的6個(gè)自由度，在扭矩軸坐標(biāo)系下，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

該系統(tǒng)一般可采用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸坐標(biāo)系CXYZ、主慣性軸坐標(biāo)系CXPYPZP和動(dòng)力總成扭矩軸坐標(biāo)系CXTYTZT表示，如圖2所示，這三種坐標(biāo)系相互關(guān)聯(lián)，各坐標(biāo)系可進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，可通過歐拉角來表達(dá)?？紤]到動(dòng)力總成在繞曲軸線的傾覆力矩作用下產(chǎn)生的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是繞扭矩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此選取扭矩軸能量解耦率作為優(yōu)化目標(biāo)之一。

2車輛模型的建立

2.1路面激勵(lì)

汽車是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，假定左右車輪受到的路面激勵(lì)對(duì)稱于縱向軸線且相等，此種情況下，汽車振動(dòng)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為1/2車輛模型。當(dāng)質(zhì)量分配系數(shù)接近1時(shí)，進(jìn)而可簡(jiǎn)化為二自由度懸架振動(dòng)系統(tǒng)。垂直振動(dòng)、俯仰振動(dòng)與俯仰振動(dòng)引起的車輛縱向水平振動(dòng)都是和車輛行駛平順性有關(guān)。

2.2缸體受力

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)總成由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組構(gòu)成。曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為活塞連桿組的重要組成部分，將混合氣燃燒后作用在活塞頂部的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而對(duì)外輸出動(dòng)力。機(jī)體組主要由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、氣缸套和氣缸墊等不動(dòng)件組成，氣缸體和曲柄連桿機(jī)構(gòu)在工作情況下受力，缸體受力通過懸置作用于車架上。其中主要包括有氣體作用力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的離心力以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)件的接觸表面所產(chǎn)生的摩擦力等。

2.3模型的建立

m2為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，m1為車身非簧載質(zhì)量，c2為懸置系統(tǒng)阻尼系數(shù)，c1為減振器阻尼系數(shù)，k2為懸置剛度系數(shù)，k1為懸架剛度系數(shù)，x0為地面的擾動(dòng)輸入，x1為車體位移，x2為動(dòng)力總成位移，u為控制力，對(duì)懸架的能量輸入。由微分變換得出懸置系統(tǒng)的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程

以?c為連續(xù)可調(diào)阻尼器阻尼力，νr=χ2-χ1為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量與車身質(zhì)量間的相對(duì)速度，c為阻尼器的阻尼系數(shù)，χ0為路面干擾，F(xiàn)eg為發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)，則系統(tǒng)振動(dòng)方程為：

令fc=c2vr，0≤c2≤2cm，2cm，為可變阻尼系數(shù)的上限值，將fc表示成?c=cmVr+（c2-cm）Vr，記c-cm=cm（c/cm-1）=cmu（t），則|u|≤1，系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為

式中n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，α為曲軸轉(zhuǎn)角，F(xiàn)j為慣性力，MJ為往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件質(zhì)量分量，F(xiàn)cy為離心力，MR為旋轉(zhuǎn)構(gòu)件集中質(zhì)量，F(xiàn)p為氣體作用力。

3懸置元件結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

橡膠主簧是液壓懸置的主要承力構(gòu)件，要承受動(dòng)力總成的垂向和側(cè)向的靜、動(dòng)載荷，為了滿足在惡劣工況下工作和與金屬良好的粘接性，大多采用天然橡膠或丁腈膠。底座要求有良好的承力結(jié)構(gòu)和密封性能，金屬骨架要有足夠的強(qiáng)度和剛度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免應(yīng)力集中?？梢赃x擇懸置支承處響應(yīng)力振幅最小為目標(biāo)，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4優(yōu)化計(jì)算結(jié)果分析

4.1橡膠懸置從材料和工藝方面使得性能發(fā)揮最優(yōu)，液壓懸置可考慮更優(yōu)的結(jié)構(gòu)以及適配性問題，兩者不能滿足多工況復(fù)雜情況的變化需求但成本較低；半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸置隔振性能較前兩者更好，其研制成為趨勢(shì)，如何提高其可控性，優(yōu)化算法和空間配置，降低成本是更值得思考的問題。

4.2汽車從一個(gè)代步工具變?yōu)楝F(xiàn)今居家必備的智能化產(chǎn)品，人們對(duì)車輛的綜合性能要求越來越高，隔振和降噪勢(shì)必更多地受到關(guān)注。從剛開始的解決破壞性維修難題，到如今的

控制懸置系統(tǒng)經(jīng)歷了從橡膠懸置、液壓懸置到半主動(dòng)懸置、主動(dòng)懸置的發(fā)展。因此，分析對(duì)比，尋找有效途徑，尋找更優(yōu)的解決辦法十分必要。

4.3本文在車輛振動(dòng)和噪聲來源的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析，對(duì)懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從構(gòu)件的響應(yīng)力以及作用力曲線圖可看出，以響應(yīng)力振幅最小為目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)配置，可達(dá)到減小振動(dòng)和噪聲的目的，提高車輛平順性和乘坐舒適性。此法可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，節(jié)約成本，利于下步實(shí)驗(yàn)的開展。下一步的工作需要涉及實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證對(duì)懸置系統(tǒng)優(yōu)化的有效性，并對(duì)影響車輛NVH性能的因素加以全面控制。

結(jié)束語(yǔ)：