（机械设计及理论专业论文）xx车型汽车动力总成悬置系统的优化设计.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 以提高乘坐舒适性为目的的汽车n v h 特性的研究已成为现代汽车技术研究的 一个重要课题，而降低发动机传递到支承系统振动的动力总成悬置系统设计越来 越受到重视。 本文旨在通过解耦优化设计合理布置x x 车型汽车动力总成悬置系统的安装 位置和改变刚度矩阵，以确保六自由度系统的固有频率都在预期的范围内及降低 动反力，达到隔振目的。本文研究主要内容如下： 首先通过研究x x 车型动力总成悬置布置方案，建立系统的6 自由度自由振 动模型，应用m a t l a b 的数值运算功能求解出系统初始固有频率和固有振型；在研 究动力总成的隔振原理后，论文分析了x x 车型动力总成悬置系统的激励频率， 探讨了共振避免问题，确定了x x 车型动力总成悬置系统各阶固有频率的取值范 围；并对系统初始状态下的固有频率进行评估。 然后应用打击中心理论、弹性中心计算法、主惯性轴和扭矩轴计算法对系统 进行了解耦设计，为完成能量解耦优化设计建立了安装位置及角度方面的约束条 件；应用能量解耦法建立从能量角度评价系统解耦程度的函数，并对初始系统进 行解耦程度评价；对隔振元件力学特性进行分析研究，建立并研究系统在具有典 型意义的正弦激振力作用下的受迫振动微分方程，推导出动反力及动反力传递率 表达式。 最后通过研究汽车动力总成悬置系统优化设计的一般方法，以x x 车型动力 总成悬置系统的垂直振动及侧倾振动的能量法解耦、悬置处的动反力传递率最小 为目标函数，以悬置的刚度、安装位置和角度为设计变量，考虑到悬置系统与整 车系统的匹配等约束条件，通过建立多目标数学优化模型，应用统一目标法把多 目标函数优化问题转化为单目标函数优化问题，得到了) o ( 车型的优化设计方法。 应用m a t l a b 优化工具箱计算出优化设计变量值一x x 车型动力总成悬置系统的安 装位置、角度及刚度，得到了凇车型悬置系统的最终优化设计方案。 关键词：悬置系统，隔振，固有特性，解耦，优化设计 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a bs t r a c t t h e 咖d yo nm mc h a r a c t 丽s t i co fa l l t o m o b i l et oi m p r 0 v e 仃a v e l l i n gc o m f o r t h a s b e c o m e 锄i n l p o r t a n tsu _ b j e c t ，a n dt h ed e s i 印o fp o w 掣赡i ns u s p e n s i o nt 0r e d u c e v i b r a t i o n 仔o me n g i n et os u p p o r t i n gs y s t e mh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n t h i sp 印e ra i m sa tm a l ( i n gn a n 姐l 台e q u e n c i e si i le x p e c t a n ts c o p ea i l dr e d u c i n g d y n a m i cr e a c t i o n a l f o r c eb ya r r a i l g i n gac e r t a i nc a rp o w e r 口a i nm o u n t i i l gs y s t e m p r o p e r l y 锄da l t e r i n gs t i 腼e s sm a t r i xa r e rd e c o u p l i n gt og a i nag o o dv i b r a t i o ni s 0 1 a t i o n t h em a i l lc o n t e n t so f t h es t u d ya r ea sf 0 1 1 0 w s ： f i r s t l y ，t h e6 一d e 纩e e 仔e ev i b r a t i o n m o d e lo fac e r r t a i nc a rp o w e r t r a i l lm o 眦i n g s y s t e mh 弱b e e nb u i l t 啦e rs t u d y i n go nt l l ea 玎a i l g e m e ml a y o u to ft l l es y s t e m n e n n a t u r a l 丘e q u e n c ya i l dn a t u r a lm o d eo fv i b r a t i o nh a v eb e e no b t a i n e db yt h eu s eo f m a t l a ba r i t l l m e t i cf i m c t i o n a r e rs n j d y i n gm ep r i n c i p l eo fv i b r a t i o ni s o l a t i o na 1 1 d a n a l y z i n ge x c i t a t i o n 仔e q u e n c yo fs y s t e m ，t 1 1 er 觚g eo fn a _ t u r a l 丘e q u e n c i e sh a v eb e e n d e t e m i n e d t 量l e咖d yo ff o r c e dv i b r a t i o nd i 舵r e n t i a l e q u a t i o n u n d e rs i n u s o i d a l e x c i t a t i o nf o r c el e a d st od y n a n l i cr e a c t i o n a lf o r c ea n dp r e s s u r e 仃 m s m i s s i o n s e c o n d l y ，d e c o u p l i n gb ya p p l y i n g 廿1 e o r i e so fc e n n eo fp e r c u s s i o n，e l a s t i c c e m r e ，p r i m a 巧m e r t i aa x i sa n dt o r q u ea x i s ，i ts u p p l i e sc o n s 仃a i mc o n d i t i o n sf o re n e r g y d e c o u p l i n g0 p t i m i z a t i o nd e s i 印b u i l d i n g 缸1 c t i o n ，w h i c he v a l u a t e ss y s t e md e c o u l p i n g l e v e l 仔o m 廿l ea n 9 1 eo fe n e r g yb yt h em e t h o do fe n e r g yd e c o u p l i n g b ym es t u d yo f f o r c e dv i b r a t i o nd i m r e n t i a le q u a t i o nu n d e rs i n u s o i d a l e x c i t a t i o nf o r c e ，i to b t a i n s d ) ，n a m i cr e a c t i o n a lf o r c e ， f i n a l l y ，b y 肌a l y z i n ga i l ds t u d y i n gt h eg e n e r a lm e t h o d so fo p t i m i z a t i o nd e s i g n i n g v e h i c l ep o w e r t r a i l lm o u i l t i n gs y s t e m ，s e n i n gt h ee n e r g yd e c o u p l i n ga n dd y n a m i c r e a c t i o n a lp r e s s u r e 仃a n s m i s s i o nm eo b j e c t i v ef h n c t i o n ，廿1 es t i f ! 丘1 e s s ，1 0 c a t i o na i l da 1 1 9 l e 证l ed e s i 弘v a r i a b l e s ，t a l ( i n gc o n s 舰i n tc o n d i t i o n ss u c h 嬲t h em a t c hb e 铆e e nm o u n t i n g s y s t e ma i l de n t i r ev e h i c l ei n t oc o n s i d e r a t i o n ，m eo p t i m i z a t i o nm e t h o do f 廿l ec a ri s a c h i e v e d b ym a t l a bo p t i m i z a t i o nt 0 0 l b o x ，o p t i m i z a t i o nv a r i a b l ev a l u ei sg a i n e d ，t l l e n 也eu l t i m a t eo p t i m i z a t i o nh a sb e e na c c o m p l i s h e d k e y w o r d s ：m o 邶- t i l l gs y s t e m ，v i b r a t i o ni s 0 1 a t i o n ，1 1 1 1 1 e r e n tc h a r a c t e r i s t i c d e c o u p l i n g ，o p t i m i z a t i o nd e s i 印 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的且士学位论文墨盛垒避i 硷益域聚建盛熔煎竣进 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：辛午每五 导师签名：争1 迮武 签字日期：如呷上 签字日期：2 。口7 6 弓 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程 ) ，愿意将本人的盈士学位论文飕燃崮勤缝蛾幽篷鲱交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：莹圭盈垂 导师签名：壹l 上! i 加7 年5 月i ；日 备注：审核通过的涉密论文不得签署口授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 动力总成悬置系统研究的目的及意义 随着社会的日益进步和科学技术的不断发展，汽车性能不断提高，人们对乘坐 的舒适性要求也越来越高，而良好的行驶平顺性和噪声品质已成为现代汽车尤其 是轿车的一个重要性能指标，以提高乘坐舒适性为目的的汽车n v h 特性的研究也 成为现代汽车技术研究的一个重要课题。 发动机是车辆的“心脏部分，其本身就是一个内在的振动源，同时也受到 来自外部的各种振动干扰，引起零部件的损坏和乘坐的不舒适等。随着功率和速 度的不断提高，其振动和噪声不仅影响车体结构的稳定性，而且影响结构的强度 和性能。为了提高车体的稳定性和降低发动机振动与噪声的传播，一般在发动机 动力总成与车架之间加入隔离系统一悬置。而发动机是汽车的主要激振源，其振动 经由悬置系统传递到车架或车身上。因此，发动机动力总成悬置隔振系统的设计 对于汽车隔振降噪是非常重要的。通过悬置元件连接到车架或者车身上，悬置元 件既是弹性元件，又是减振装置，其特性直接关系到发动机振动向车体的传递， 并影响整车的舒适性和n ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 性能。合理的悬置系统设 计不但可以减小振动、降低噪声以改善乘坐舒适性，还能提高零部件和整车寿命u 】。 因而发动机的悬置设计越来越受到重视。设置悬置系统，把发动机传递到支承系 统的振动减小到最低限度，主要取决于悬置系统的结构型式、几何位置及悬置元 件的结构、刚度和阻尼等特性。确定一个合理的悬置系统是一件相当复杂的工作， 它要满足一系列静态及动态的性能要求，同时又受到各种条件的约束，这些大大 增加了设计的难度。通常对动力总成悬置系统设计的要求是【4 j ： 支承动力总成的重量及使各支承上的载荷有合理分配( 支承) ； 减少动力总成工作时传递给底盘和车身的振动( 隔振) ； 限制汽车做紧急制动、加速或受其它外界负荷作用时动力总成的过大位移 ( 限位) ； 弹性支承元件应有足够的使用寿命。 即悬置系统具有三大功能：支承、隔振和限位。悬置系统既能减小动力总成 向车架传递的振动，又能减小路面向动力总成传递的振动；当振动激励频率等于 系统某阶固有频率时，将使系统产生强烈的振动和噪声。汽车动力总成受到的激 励主要包括来自发动机，路面和轮胎的稳态激励，以及汽车转弯，制动，在不平 路面上等工况下扭矩变化造成的瞬态激励。 通常发动机在起动和怠速等低速工况下，动力总成将产生低频大振幅的振动， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 导致车内振动较大，降低乘坐舒适性；而发动机在中高速工况下，动力总成将表 现为高频小振幅，导致车内噪声较大。动力总成的悬置作为动力总成的隔振元件， 对提高乘坐舒适性和降低车内噪声的传播有着重要的作用。动力总成悬置的设计 除了要求满足能够承受动力总成的重量条件外，一方面悬置应具有足够高的刚度 以限制动力总成的位移；另一方面为了减小发动机产生的振动向车内传递，要求 悬置的刚度尽可能地小，两者相互矛盾，因此必须选择一个折中的方案，以实现 动力总成悬置在不同频率和振幅下具有不同的隔振性能这一理想动态特性。在发 动机低频大振幅范围内，悬置应具有较大的阻尼和足够大的动刚度；在发动机中高 频小振幅范围内，悬置应具有较小的动刚度以降低噪声向车内的传递。 动力总成悬置将动力总成与车体连接在一起，其目的在于衰减动力总成的低 频振动，隔离其高频振动向车体的传递，抑制车室空腔共鸣声( b 0 0 m i n gn o i s e ) ，并 以动力总成作为动力吸振器抑制车体的某阶共振。由此可见，对动力总成悬置的 隔振性能要求是很高的。总的来说，正确设计的动力总成悬置件( 隔振件) ，可减 轻动力总成和整车的振动，减小经由悬置系统传给车架的力和噪声，抑制发动机 动力总成的振动位移幅值，从而提高汽车的舒适性和耐久性。如果隔振件足够轻， 则除共振频率外，振动传递率也大大减小。 1 2 国内外研究现状 从二十世纪二十年代开始，国内外汽车界工程师们对这一领域的研究主要成 果，大致可以概括为以下三点：悬置元件的研究；悬置系统的研究；悬 置系统对整车振动特性的影响。 1 2 1 悬置元件的研究 动力总成悬置系统问题的研究由来己久，汽车动力总成悬置系统的演化进程 贯穿了整个汽车发展的历史。早期的汽车设计中并没有动力总成悬置系统这个概 念，动力总成是直接通过螺栓刚性地连到车架上的。这样，动力总成的振动和噪 声直接传给了车体，同时路面不平度和轮胎不均匀性产生的振动又通过车架传给动 力总成，这常常造成曲轴箱和支架的破坏，加剧了动力总成的振动。随着汽车设计 制造水平的不断提高，发动机作为汽车的主要振源对整车舒适性的影响日益突出， 悬置起到的作用逐渐被人们认识，人们开始用皮革，布垫来连接动力总成与车架。 到本世纪二十年代，橡胶开始作为悬置元件的主要材料，但当时设计悬置元 件的主要目的是为了防止曲轴箱的破坏，而不是隔离发动机的振动为目的。后来， 四缸发动机被广泛采用，由于其强烈的二阶不平衡惯性力造成动力总成的振动更 加突出，对整车舒适性的影响也大大增强。在这种情况下，各大汽车制造厂开始 关注动力总成的减振降噪问题。于是，通过将橡胶硫化到各种形状的金属支架上， 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 各种各样的橡胶悬置元件就被设计出来了。这样，橡胶作为动力总成悬置元件的 主要材料被广泛应用到各种车辆上，直至现在。 橡胶悬置元件应用于动力总成悬置上曾发挥了重要的隔振作用。但由于橡胶 有其自身的局限性，其动刚度和阻尼滞后角与频率基本上是线性变化关系，并且 阻尼滞后角很小( 一般只有1 0 。左右) ，所以在发动机低频工作范围内，尤其是在怠 速时，必须采用动刚度较大的橡胶悬置，但是不利于高频降噪。同时由于道路条 件的改善，车辆轻量化的设计发展趋势，特别是发动机前置前驱动的布置，传统 的橡胶悬置已无法满足轿车多工况宽频带上的减振降噪的要求。 2 0 世纪8 0 年代初，一种新型的减振元件动力总成液阻悬置( 简称液压悬置) 在国外发展起来的。它将橡胶支承与液压减振机构组合在一起，比纯合成橡胶悬 置具有更好的减振性能，利用液体阻尼从根本上克服了橡胶悬置阻尼偏小的局限 性，更好的满足了汽车减振要求。液压悬置具有低频阻尼大、高频动刚度低、减 振降噪更为理想的特点，可有效衰减动为总成振动，降低车室共鸣声。 随后，国外许多汽车厂商又研究出一种可进一步降低中高频工况范围内噪声 及动刚度的解耦式液压悬置，如原西德f d c u d e n b u r g m e g u l a s t 浓公司在前置后驱 动式但r ) 六缸发动机上安装该悬置，与橡胶悬置相比较，车内噪声最多可降低3 5 d b 。其工作原理是：内部采用橡胶膜或解耦盘，在高频区域内解耦装置通过调整 内部液体的流量和流向以充分降低高频时悬置的动刚度。图1 1 为解耦式与普通式 液压悬置动刚度比较曲线。 图1 1 解耦式与普通式液压悬置动刚度比较曲线 f i g1 1t h ec o n n a s tc u r v eo fd y 眦i i l i cs t i 妇h e s sb e 铆e e l ld e c o u p l 通g a n do r d i n a r yh y d r a l u l i cs u s p e n s i o n 到了二十世纪八十年代后期，液压悬置的发展趋势是半主动和主动控制式液 压悬置，如1 9 8 7 年美国a - v o n 公司开发了控制气体弹簧气压来调整其动特性的液 压悬置，该公司同时在r w h e 玎i c h 实验室开始研制开发主动控制式液压悬置，这 标志液压悬置已由被动式向半主动和主动控制方向发展。在1 9 8 8 年法兰克福展览 会上，f r e u d e n b e 玛公司展出了可根据路况自动寻找最优阻尼的半主动控制式液压 重庆大学硕士学位论文 1绪论 悬置；m e t z e l e 公司首次成功地开发出电流变液体式的液压悬置；同年，f r e u d e n b u 玛 公司在四缸发动机上应用主动控制式液压悬置，与被动式液压悬置相比效果还比 较理想。 这样，对发动机悬置系统的研究也逐渐由被动隔振研究转向主动隔振设计， 由最初的不成熟阶段朝着形成理论体系、不断研究开发新型悬置元件的方向发展。 1 2 2 悬置系统的研究 汽车动力总成悬置系统是指动力总成( 包括发动机、离合器及变速器等与车架 或车身之间的弹性连接) 系统，该系统性能设计的好坏直接关系到发动机振动向车 体的传递，影响整车的n v h 性能。国外有关这方面的研究从二十世纪二十年代至 今一直在进行，电子计算机及相应应用软件的出现为这方面的研究提供了快捷手 段，各种研究方法不断涌现。 早在1 9 3 9 年，i l l i f e 就提出了悬置系统设计的一些基本原则，但人们较为熟 悉的六自由度解耦理论和计算方法是在2 0 世纪5 0 年代由h a r r i s o n 和h 0 r o v 娩提 出完成的，他们将减振胶块视为纯弹簧，利用动力总成惯性主轴特性和撞击中心 理论阐述了如何调整橡胶悬置的安装位置和悬置刚度，使动力总成的前后悬置的 振动相互独立，然后分别按单自由度线性振动系统处理。他们认为系统垂直方向 固有频率和绕压轴方向的固有频率应小于发动机怠速时相应扰动频率的1 3 ，这样 可以获得较好的减振效果。这一结论对悬置系统的进一步研究有重要意义【2 】 3 1 。同 期，f f t i m p e r 提出了打击中心、扭矩轴、弹性中心的计算方法【5 j 。这是较早出现 的比较成熟的悬置匹配设计理论，对于后人的深入研究有着积极的指导意义。 1 9 6 5 年，美国通用汽车公司的n m p n e rf f 通过合理布置发动机悬置元件来进 行发动机动力总成悬置系统解耦设计。他指出通过合理的布置悬置元件，使它们 的弹性中心位于发动机动力总成悬置系统的质心处或主惯性轴上，就能对发动机 动力总成悬置系统振动解耦，最终减小振动向整车的传递。 同期，b - l b e l t 朗k n i g h t 利用撞击中心原理，并考虑到使悬置点靠近弹性振动 节点位置，提出了合理布置动力总成悬置以获得较好隔振效果的方法。 近些年来，随着计算机技术的高速发展和更有效的振动分析方法的应用，在 进行发动机悬置系统特征值计算和振动响应仿真计算的基础上提出了悬置系统的 优化设计方法，优化目标函数多为：各模态固有频率、振动模态的解耦。设计变 量是各悬置元件的刚度值及相对其质心的位置坐标。在优化方法上有：随机搜索 法、罚函数法和可行方向法等。一些大的汽车公司如美国f o r d 公司和g m 公司都 根据自己的实际情况研制了较好的发动机悬置设计优化分析的计算机软件包 ( c o e m s 、m o t r a n 、o p t r i 肘) 【1 7 】【1 8 】【1 9 】。这些都为提高其公司汽车设计水平 乃至世界汽车设计质量做出了贡献。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 9 7 9 年，j o h n s o n 借助于计算机首次将优化技术应用于悬置系统的设计，以合 理配置系统固有频率和实现各自由度之间的振动解耦为目标函数，以悬置刚度和 悬置位置为设计变量进行优化计算，结果使系统各平动自由度之间的振动耦合大 幅度减小，保证了系统固有频率在所期望的范围内，并推出c o e m s ( c o n l p u t e r o p t i m i z a t i o no f e n g i n em o u n t i n gs y s t e m ) 软件】，这对悬置系统的隔振设计来说无疑 为一大进步。1 9 8 1 年，d u n c a n 通过对整车各子结构的模态分析和综合，对动力总 成悬置进行优化，取得了较好的效果。 1 9 8 2 年，r r a c c a 以限制悬置空间、悬置位置、刚度、固有频率和振动解耦等 方面来考虑悬置的减振隔振性能，就设计一个有效的悬置系统，提出了十九个必 须考虑的因素，其中前七个因素涉及悬置系统设计的基本要求：它包括从车辆的 使用条件、设备、人员保护即安全性和舒适性、振动、抖动、噪声源、发动机扰 动及其它不利条件，这是基于对车辆振动、抖动、噪声级有关的法规等的分析得 出来的。中间五个因素是对悬置的要求，主要从悬置空间限制、悬置位置、悬置 系统稳定性、悬置刚度和悬置系统固有振型、振动解耦等方面考虑以改善悬置隔 振性能。最后七个因素则是对悬置设计好坏的检验，它们是从受载条件、悬置材 料选择、共振时悬置的热容量计算、悬置寿命、动力总成悬置分析所需原始数据 及悬置设计程式等方面进行考虑得到的，这是悬置设计的重要里程碑。 1 9 8 6 年，e u g e n e e l 融z i l l 撰文总结了以往悬置设计的特点，并着重指出了悬 置系统设计发展的方向，从具有恒定固有振动频率和可变刚度悬置的可能性到大 阻尼材料的使用，及可降低高频振动传递的悬置等方面考虑了几种新型悬置结构 的特点和前景。这些讨论有助于悬置系统隔振性能的改善。1 9 8 7 年，h h a t a 和 h t a n a k a 对怠速工况下发动机悬置系统的振动进行了深入研究，指出优化悬置刚 度效果不如优化悬置位置好，车身弯曲共振频率应高于怠速频率，且越大越好， 动力总成的共振频率应小于l 2 倍的怠速频率。1 9 9 0 年，m d m i e 博士应用改进的 h o o k e r - j e e v e s 优化方法，以悬置处响应力和相应力矩为目标函数，对悬置系统参 数进行优化，此方法不仅适应于橡胶悬置，也适用于液力悬置【7 j 。1 9 9 4 年h y u n k i m 、m y u n g g ”硒m 等学者就车体弹性对动力总成的影响进行了研究，指出在 进行动力总成悬置系统设计时，悬置系统共振频率应避开车体弹性模态共振频率 和车轮不平衡而产生的车轮跳动频率，以保证汽车行驶的乘坐舒适性【8 】【9 1 。 国内有关悬置问题的研究虽然较晚，但随着一汽、二汽、上汽等大企业的换 型改造，这一问题的研究受到了足够的重视，并取得了一些基础性研究成果。同 国外相比存在一定的差距，还没有形成完整系统的悬置元件设计试验及悬置系统 设计优化分析的理论和方法。国内有关动力总成悬置系统的研究始于上世纪八十 年代初由清华大学徐石安、肖德炳同二汽上官文斌、蒋学峰等人合作开展的研列4 1 ， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 他们提出在发动机悬置系统优化方法上，无论是振动解耦还是合理分配固有频率， 比起降低振动传递率来说都是不重要的。他们以悬置处动反力幅值最小为目标函 数，适当控制系统的固有频率，取得了较好的效果。他们编制了特征值和振型计 算的程序，给出了发动机有关参数测试的方法及试验装置。1 9 9 5 年，徐石安教授 又提出了以能量法对发动机弹性支承进行解耦设计【l ，这种方法适用于任何复杂 的刚体，能保证优化算法的稳定性，比较简单实用。1 9 8 5 年，潘旭峰等人结合d d 6 8 0 大客车发动机悬置参数设计问题，应用模糊集理论，通过移频、解耦，降低悬置 处响应力等途径，对悬置参数进行了模糊多目标优化，获得了较为满意的综合效 果。吉林大学汽车学院、清华大学、一汽技术中心、第二汽车制造厂、河北保定 长城汽车桥业有限公司、中国第一汽车集团天津夏利技术中心等汽车制造厂商都 有针对性的对汽车动力总成悬置系统进行了较为深入的研究，提出了适应自己的 动力总成悬置系统的设计理论。长春汽研所喻惠然【1 l 】等人也提出了动力总成悬置 系统设计的一般准则与要求。但对此问题其实质还是“移频、解耦、降低支承处 动反力”的思想。 1 9 9 2 年，上官文斌等人从工程实用角度出发，给出了动力总成悬置优化设计 的方法，在扭矩轴坐标系中建立优化模型，以系统固有频率为目标函数，充分考 虑到系统解耦、撞击中心理论应用、一阶弯曲模态节点选取等原则，并以此为约 束进行优化计算，取得了良好的效果。1 9 9 4 年，王立公等人率先在国内对液阻悬 置结构进行了系统论述，阐述了各种典型液阻悬置的结构工作原理和性能特点及 其发展趋势。1 9 9 9 年，裘新等人建立了一种轿车动力总成液阻悬置及副车架系统 的非线性力学模型，进行了系统固有振动特性的模拟计算，同时对液阻悬置和橡 胶悬置的隔振特性进行了对比分析，并得到试验模态分析结果的证实i l2 。2 0 0 1 年， 王立荣等人也对国外液阻悬置的研究发展进行了较系统的评述和总结。2 0 0 5 年， 清华大学吕振华教授等对汽车动力总成三点式悬置系统的设计方法进行了研究， 分析了汽车动力总成悬置系统的振动激励、质量矩阵、刚度矩阵各元素的特点及 其相互关系，阐述了系统弹性解耦设计的理论基础和重要性；然后根据动力总成 悬置系统刚度矩阵各元素的解析表达式，应用v 形悬置组的弹性解耦原理，论述 了目前普遍应用的三点式悬置系统在弹性解耦设计方面的问题，提出了悬置布置 设计匹配的有效方法【1 3 】。1 9 9 6 年东南大学温任林等进行了汽车发动机悬置系统多 目标优化的研究，他们以整车为背景，提出以汽车驾驶室振动能量最小和发动机 悬置能量解耦为综合目标的多目标优化模型，对发动机动力总成悬置参数进行了 优化，计算实例表明选择合适的发动机悬置参数可以有效地降低汽车的振动。2 0 0 4 年，合肥工业大学方锡邦等对轿车动力总成悬置系统进行了三维动力学模型的建 立和优化【1 4 1 。一汽技术中心根据自己的产品特点，研发了动力总成惯性参数测试 6 重庆大学硕士学位论文l 绪论 系统，并对解耦设计进行了较深入的探索，从惯性参数测试、悬置参数匹配设计、 悬置动静刚度测试、悬置系统试验评价形成了一套较完善的动力总成悬置系统匹 配设计流程。2 0 0 5 年江苏大学黄鼎友副教授对汽车动力总成悬置系统进行了理论 分析，并用m a = r i ，a b s i m ，i n k 进行了模拟仿真【”】。 从以上研究可以得出，国内外对悬置系统的研究主要是应用打击中心理论、 解耦等原理来合理的布置悬置元件，以提高隔振性能；随着计算机技术的高速发 展和更有效的振动分析方法的应用，悬置系统研究设计也得到了开展和深入。在 进行发动机悬置系统特征值计算和振动响应仿真计算的基础上提出了悬置系统的 优化设计方法。优化目标函数大多为各阶固有频率、振动模态的解耦、悬置处动 反力幅值最小等；设计变量则为各悬置元件的刚度值及相对其质心的位置坐标。 在优化方法上有：随机搜索法、罚函数法和可行方向法等。一些大的汽车公司如 美国f o r d 公司和g m 公司都根据自己的实际情况研制了较好的发动机悬置设计优 化分析的计算机软件包。这些都为提高其公司汽车设计水平乃至世界汽车设计质 量做出了贡献。 虽然动力总成悬置系统设计研究经历了较长时间的发展历程，积累了不少的 设计经验，但是各种方法都有其引用的条件和要求，对于不同的车型、不同的悬 置类型、悬置支承形式、设计思想和设计方法也是不同的。所以，不断地完善动 力总成悬置系统的研究与设计，如何开发出一套方便、快捷、高效、通用、行之 有效的设计方法仍然是一个值得探索的重要课题。 1 2 3 悬置系统对整车振动特性的影响 通常发动机在启动和怠速等低速工况下，动力总成将产生低频大振幅的振动， 导致车内振动较大，降低乘坐舒适性；而发动机在中高速工况下，动力总成将表 现为高频小振幅，导致车内噪声较大。动力总成的悬置作为动力总成的隔振元件， 对提高乘坐舒适性和降低车内噪声的传播有着重要的作用。如何设计和布置悬置 以获得较佳的减振降噪效果的动力总成悬置系统设计也从最初的经验设计发展为 一门科学。 美国学者h d h 妣m 和d w - w i n d s t e i n 于上世纪七十年代提出并给出了发动机 悬置系统六自由度的振动微分方程【1 酬。 【m 碧 + k 】 x ) = f ) ( 1 1 ) 式中：m 一质量矩阵 k 刚度矩阵 x 位移列阵 f 夕 力歹0 阵 从此国外有关发动机悬置系统的研究多以六自由度模型展开，先后采用了 7 重庆大学硕士学位论文l 绪论 p o e m 法、机械阻抗法和正交设计法等。 七十年代初，z i m l o j r 及j 1 1 0 m p s o n 等人把动力总成悬置、驾驶室及传动轴中 间支承等橡胶的刚度和阻尼作为变量，利用正交设计方法在变量取不同值时对汽 车平顺性的影响进行了分析，用所谓的p o e m 法从中选出较为满意的刚度和阻尼 值。七十年代中期，t 0 s h i o ，s 出a 协1 b 介绍了一分析动力总成振动及噪声向车体传递 特性的有效方法机械阻抗法。1 9 7 6 年，s c h m i 位和c h a r l e s j l e i n g a n g 撰文明确指 出：“一个完美的支承设计目的是使发动机激励力对车体振动的传递控制在适当 的、可以接受的水平”。这些研究表明，悬置系统的隔振特性主要取决于悬置刚度 值，振动程度则和悬置阻尼大小有关。就隔振而言，希望悬置软些好，但悬置变 软时会引起动力总成变形增大，易和其它部件干涉。从悬置阻尼考虑，为减小振 动，理想的阻尼情况是：悬置系统振幅大时应有较大的阻尼，以降低振幅；振幅 小时阻尼亦相应小，以便减少高频噪声。也即低振频时大阻尼，高振频时小阻尼。 然而，橡胶阻尼控制并不容易，合适的刚度和阻尼值的选取较为困难。 无论研究悬置元件，还是研究悬置系统，其目标就是要最大限度地减少发动 机的振动向车体的传递，并最终改善整车的n v h 特性和乘坐舒适性，这样只有把 发动机悬置系统放在整车动力学模型中来研究才最具有实际意义。 最初研究这一问题的是德国学者g e r h a r dd u d l b a c h e r ，他在整车建模时考虑了 发动机悬置系统，建立了平面七自由度模型【2 0 1 。1 9 8 4 年美国伊立诺思大学博士生 k e v i i la w i s e 在整车建模时考虑了发动机悬置系统和驾驶室悬置系统【2 1 | ，以i s o 平顺性标准分析了悬置系统的参数选取对行驶平顺性的影响。国外有关在整车模 型中研究发动机的振动和其悬置系统的优化问题，已由平面模型发展到了三维模 型。 国内关于这方面的研究是上世纪八十年代后期，由清华大学钱振为等人提出 了把整车系统分为车桥子系统、车架总成、发动机及驾驶室等子系统构成的整车 八自由度模型【2 2 1 ，提出了整车各子系统间的合理匹配和振动转移的设计思想。吉林 工业大学史文库、林逸等人又提出了考虑发动机悬置支承在弹性基础上的隔振特 性分析，并建立了相应的整车动力学分析十六自由度模型，侧重考虑了发动机悬 置和副车架悬置系统对整车振动的影响。同济大学靳晓雄等人应用有限元方法， 综合考虑发动机、悬置、副车架、车身等子系统的综合影响，以车内噪声为控制 目标，对悬置系统进行优化。重庆大学汽车工程系n v h 实验室和长安公司进行合 作，结合多体动力学软件a d 蝴s ，以减小振动传递率为目标对悬置系统的参数进 行优化，也取得了很好的效果。孙蓓蓓、张启军、孙庆鸿等提出一种通过对发动 机动力总成悬置系统刚度矩阵解耦而实现系统解耦的新方法。应用该方法对悬置 系统进行优化设计，可以实现发动机动力总成悬置系统沿垂向和绕曲轴方向的振 重庆大学硕士学位论文l 绪论 型解耦，以达到控制整车振动的目的。结果表明，其编制的发动机动力总成悬置 系统优化设计软件能有效的改善汽车的振动性能，在垂直与绕曲轴方向上的解耦 程度高达9 8 、9 6 u 川。 这样，对发动机悬置系统的研究从六自由度模型展开，国外相关专家先后采 用了p o e m 法、机械阻抗法和正交设计法研究悬置系统的隔振特性，得出了悬置 系统的隔振特性主要取决于悬置刚度值，振动程度则和悬置阻尼大小有关的结论； 提出把悬置系统放在整车动力学模型中研究，而整车模型中研究发动机的振动和 悬置系统的优化问题，由平面模型发展到了三维模型。国内也在相关研究领域提 出了整车各子系统间的合理匹配和振动转移的设计思想，建立了相应的整车动力 学分析十六自由度模型；综合考虑发动机、悬置、副车架、车身等子系统的综合 影响，编制的发动机动力总成悬置系统优化设计软件实现了最大限度地减少发动 机的振动向车体的传递，并最终改善整车的n 特性和乘坐舒适性。随着轿车国 产化和自主开发进程的加快，动力总成悬置系统的隔振性能及其对整车舒适性影 响方面的研究以及安装副车架悬置的作用等方面的研究亟待在理论上、实践上进 行深入的研究和探讨。 1 3 本文研究的目的及研究内容 动力总成悬置系统作为隔振系统，其合理设计对于汽车隔振降噪是非常重要 的。其隔振特性直接关系到发动机振动向车体的传递，并影响整车的舒适性和n v h 性能。发动机的悬置设计越来越受到重视，设置悬置系统，把发动机传递到支承系 统的振动减小到最低限度，主要取决于悬置系统的结构型式、几何位置及悬置元 件的结构、刚度和阻尼等特性。 本文研究的目的是通过研究隔振理论和解耦理论来实现x x 车型固有频率的 合理匹配；结合优化理论的应用来合理设计悬置系统的安装位置、安装角度、刚 度及降低动反力，达到隔振效果，建立x x 车型动力总成悬置系统优化设计的开 发流程，得到该车型轿车动力总成悬置系统优化设计方案。 本文针对x x 车型轿车，采用多刚体动力学方法之一的拉格朗日乘子法建立 系统动力学模型，应用m a t l a b 软件进行辅助计算，获取了悬置系统的初始固有 频率和固有振型。从隔振角度出发，提出了合理匹配系统固有频率的方案，并对 初始状态下x x 车型动力总成悬置系统的固有频率进行评价。应用打击中心理论、 弹性中心计算法、主惯性轴和扭矩轴计算法分别对初始状态下的x x 车型动力总 成悬置系统进行解耦设计，为完成能量解耦优化设计建立了安装位置及角度方面 的约束条件；以悬置系统的安装位置、安装角度、刚度为设计变量；以该型轿车 动力总成悬置系统的安装位置、倾斜角度e 、刚度、频率范围为约束条件；以垂直 9 重庆大学硕士学位论文l 绪论 振动及侧倾振动的能量法解耦、悬置处的动反力传递率最小为目标函数，通过建 立多目标数学优化模型，应用统一目标法把多目标函数优化问题转化为单目标函 数优化问题，得到了x x 车型的优化设计方法。应用m a t l a b 优化工具箱计算出优 化设计变量值( 悬置系统的安装位置、安装角度、刚度) ，得到了x x 车型悬置系 统的优化设计方案。 x x 车型轿车动力总成悬置系统优化设计流程图如下所示： 分析得出系统激 振力频率范围 研究受迫振动微 分方程，得出动反 力传递率表达式 建立自由振动下系 统的动力学模型 求解自由振动下的初始 固有频率和固有振型 ( 激振力频率固 有颂率) 1 4 1 4 应用打击中心理论、 弹性中心计算法、主 惯性轴和扭矩轴计 算法进行解耦设计 以垂直振动及侧倾 振动的能量解耦为 目标进行优化解耦 多目标函数优化问 题转化为单目标函 数，应用优化理论确 定优化方案 应用m a t l a b 优化工具 箱编程计算，得出优化 设计变量值，确立系统 最终优化设计方案 获取系统的质量、转 动惯量、初始刚度、 初始安装位置 是l 系统固有频率落 叫在预期范围 以安装位置、倾斜角 度0 、刚度、固有频 率范围为约束条件 图1 2 殛车型轿车动力总成悬置系统优化设计流程图 f i g 1 2f l o w c h a no f0 p t i i i l i z a t i o nd e s i 印o fp o w 刚强i 1 1m o u n t i l l gs y s t e mo fac e n a i l lv e m c l e 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本文研究的主要内容为： 第一章、简单介绍动力总成悬置系统研究的目的及意义；从悬置元件的研究、 悬置系统的研究、悬置系统对整车振动特性的影响三方面着手探讨国内外研究现 状；本章最后提及课题研究目的及研究内容： 第二章、分析了x x 车型的悬置的布置方式和数目，从自由振动着手研究动 力总成悬置系统的固有特性，对系统的质心位置、绕x 轴、y 轴转动惯量等动力 学参数进行实验测量，其余相关部件的转动惯量、质量等力学特性通过三维设计 软件计算或实验测量获得，同时作为改进比较的依据和计算机建模的依据。应用 m a t l a b ，求解出初始固有频率和固有振型； 第三章、通过对发动机隔振理论的研究及x x 车型动力总成悬置系统的激振 源的分析，探讨悬置系统共振避免问题并确定发动机作为振源时的激励频率范围； 参照同类车型的频率布置范围，确定x x 车型动力总成悬置系统各阶固有频率取 值范围，并对各阶初始固有频率进行评价； 第四章、首先通过打击中心理论、弹性中心计算法、主惯性轴和扭矩轴计算法 的研究，为完成能量解耦优化设计建立了安装位置及角度方面的约束条件；应用 能量解耦法建立从能量角度评价系统解耦程度的函数，并对初始系统进行解耦程 度评价；对隔振元件力学特性进行分析研究，建立并研究系统在具有典型意义的 正弦激振力作用下的受迫振动微分方程，推导出动反力及动反力传递率表达式。 最后通过研究汽车动力总成悬置系统优化设计的一般方法，以) 【) ( 车型动力 总成悬系统的垂直振动及侧倾振动的能量法解耦、悬置处的动反力传递率最小为 目标函数，并对竞争对手的悬置系统的参数进行测试分析，确定悬置处动反力最 小的目标函数值；以悬置系统的三向刚度k ，后屯，倾斜角度0 和安装位置 x ，y ，磊为设计变量；以该型轿车动力总成悬置系统的安装位置、倾斜角度0 、刚 度、频率范围为约束条件；通过建立多目标数学优化模型，应用统一目标法把多 目标函数优化问题转化为单目标函数优化问题，得到了x x 车型的优化设计方法。 应用m a t l a b 优化工具箱计算出优化设计变量值一x x 车型动力总成悬置系统的安 装位置、角度及刚度，得到了x x 车型悬置系统的优化设计方案。 第五章、总结与展望 1 4 小结 本章首先阐述了研究动力总成悬置系统的目的及意义；然后从悬置元件、悬 置系统及悬置系统对整车振动特性的影响三个领域论述了国内外汽车界的发展历 史及研究现状；最后介绍了本文的研究目的、研究内容及所研究的x x 车型轿车 动力总成悬置系统优化设计流程图。 重庆大学硕士学位论文2 动力总成悬置系统自由振动固有特性的求解 2 动力总成悬置系统自由振动固有特性的求解 2 1 引言 本章首先从能量守恒定律出发对x x 车型动力总成悬置系统的自由振动进行 分析研究，运用多刚体动力学方法之一的拉格朗日乘子法建立系统运动方程，推 导其固有频率和固有振型表达式