发动机悬置刚度优化设计

1、3GA2发动机悬置刚度优化设计摘要：本文利用多体动力学软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)建立了3GA2动力总成悬置系统六自由度刚体动力学模型。通过线性模态提取的方法，结合本发动机实际，以力传递率最小为目标函数，悬置刚度值作为设计变量，在强迫激励下，利用二次序列规划法SQP(Sequential Quadratic Programming)进行优化，针对对隔振影响较大的参数进行调整，最终提出悬置刚度设计方案，达到了使传递力有效值降低30%左右的良好效果。关键词：悬置系统，SQP，ADAMS，力传递率，振动ABSTRAC

2、T: The 3GA2 power-train six-degree rigid dynamic model was built under the ADAMS environment, and then depending on the computed response sensitivities to determine the changes to the mount system that would lead to minimum response at user-defined location in the vehicle. Design variables werethe m

3、ounts stiffness, which were changed until the lowest level of response was found. Under forced vibration, mounts stiffness were optimized by the method ofSQP (Sequential Quadratic Programming). Finally, the design plan of mounts stiffness was put forward and the virtual value of transfer force was r

4、educedabout 30 percent.KEYWORDS:Mount system, SQP, ADAMS, Reaction transmissibility, Vibration 1 发动机悬置优化设计的一般方法设计性能良好的动力总成悬置系统，减少动力总成振动向车体的传递，从而降低噪声，改善舒适性，这一直是汽车设计者所关心的重要课题。目前悬置优化设计的一般方法有：(1)能量解耦法这是一种传统的设计方法，不仅较好地协调了具有复杂形态的频率约束和解耦目标之间的关系，而且不必考虑发动机的具体形状，避免了繁琐的调试过程，并对系统结构及布置形式无特殊要求，具有广泛适用性。但是以解耦为目标的优化

5、不涉及到任何响应计算，虽然按照传统的经验，这对降低振动向整车的传递有一定的作用，但是要把振动传递率控制在一个较低的水平，还需要以支承处的响应为目标进行优化。因此解耦法一般适用于初期设计阶段初始参数的选取和悬置的布置。(2)动态响应法初期设计以后，为了把振动控制在一个较低的水平，还需要对悬置的位置、刚度等参数进行重新调整。动态响应法直接以响应的最小为目标，以刚度、位置等参数为变量进行优化，以达到减振、降噪的目的。本文采取以力传递率最小为目标，对悬置的各向刚度进行优化设计。2 建立仿真分析模型(1)质量和参数的获取通过项目组获取模型相关数据。包括3GA2动力总成质量惯量数据，曲柄连杆机构数模，悬置

6、刚度和位置，发动机转速与输出扭矩和燃气爆发压力随曲轴转角变化的特性曲线等。(2)发动机激励分析3GA2发动机为四冲程3缸发动机，相位差为240度。机体受到曲柄连杆机构的往复惯性力、旋转离心力以及由燃气爆发压力和往复惯性力共同作用产生的力矩的影响。由于3缸机没有4缸机的自身平衡性好，所以机体将受到较大的激励力。(3)悬置支承的处理建立悬置系统的动力学模型，支架以及悬置臂作为刚性体处理。(4)橡胶力学特性参数的处理动力学模型中橡胶悬置被处理成具有三向刚度和阻尼的弹簧，刚度和阻尼值由图纸查找得到。(5)激励的处理三个气缸中心线位置沿气缸轴线方向，施加燃气爆发压力；在曲轴旋转方向，施加发动机转速。(6

7、)动力学模型的建立将发动机看作刚体，活塞和缸体之间以移动副连接，约束后活塞只沿轴线运动；连杆和活塞销以球副连接；连杆和曲轴轴颈之间以圆柱副连接；旋转副建立了曲轴和发动机缸体之间的相对转动；建立的动力学模型存在六个自由度，即沿的平动和绕三个轴的转动，如图所示。图1动力学模型3仿真分析通过实车的试驾和测试，确定了该发动机在怠速转速（880r/min）2000r/min的转速区间内振动较大，尤其是怠速转速工况。因此，在仿真时选取发动机转速为880r/min、汽车静置怠速作为计算工况。由于在怠速时发动机前悬置基本不受力，所以所谓的四点悬置实际上变成三点悬置。计算得到每个悬置的三个方向上力的有效值的和“

8、F”为4547.16N。初始刚度值见下表（X方向为垂直方向，Z方向为悬置的旋转轴线方向，Y方向由右手定则确定，单位N/mm。）注：不考虑前悬置。表1 初始刚度值静刚度XYZ发动机左悬置156.8392122.5发动机右悬置158.8436.2100.5发动机后悬置722096374优化设计(1)优化方法：二次规划的方法即序列二次规划法(SQP)。(2)目标函数：各个悬置的三个方向的力的有效值的和“F”为最小。(3)设计变量：（单位： N/mm）表2 悬置刚度设计变量左悬置右悬置后悬置XYZXYZXYZ初始刚度156.8392122.5158.8436.2100.572209637-Delta

9、-100-200-100-100-200-100-72-100-200+Delta +100+200+100+100+200+100+72+100+200(4)频率约束：在发动机坐标系下的频率约束汽缸后端面与曲轴中心线的交点为坐标原点，曲轴指向发动机前端的方向为正X方向，由油底壳指向发动机盖的方向为正Z方向，正Y方向由右手法则确定。动力总成绕X轴平动的固有频率；动力总成绕Y轴平动的固有频率；动力总成绕Z轴平动的固有频率；动力总成绕X轴转动的固有频率；动力总成绕Y轴转动的固有频率；动力总成绕Z轴转动的固有频率。表3 频率约束（Hz）6681066（Hz）1510.410.41510.415(5)

10、优化结果：目标函数F=2904N，相对初始值4547.16N降低36.1%，优化后的刚度变量值如下表：表4 优化结果刚度左悬置右悬置后悬置XYZXYZXYZ初始刚度（N/mm）156.8392122.5158.8436.2100.572209637优化后刚度（N/mm）193.24286.1239.7468.2257.510.57.1118.5501.6从目标函数来看，振动传递力得到了大大的改善，但是针对各个刚度值来说，有的刚度降低的太多，明显是不可取的。因此必须进一步研究各个变量的灵敏度，通过计算发现发动机后悬置Y向刚度和发动机左悬置Y向刚度对目标函数的灵敏度相对较高。在参照以上优化结果的情

11、况下，对各个刚度变量重新进行调整得到以下三组结果： 第一组表5 第一组刚度值对比左悬置右悬置后悬置XYZXYZXYZ初始刚度 (N/mm)156.8392122.5158.8436.2100.572209637第一组（N/mm）156.8292100158.8336100.572159437目标函数F=3167N，较初始值降低30.3%。固有频率对比如下表：表6第一组数据与初始值的固有频率对比阶数123456初始值7.59.111.314.419.529.1第一组7.39.010.312.618.425.1 第二组表7 第二组刚度值对比左悬置右悬置后悬置XYZXYZXYZ初始刚度 (N/mm)

12、156.8392122.5158.8436.2100.572209637第二组（N/mm）156.8292100158.8336100.572109437目标函数F=2991N，较初始值降低34.2%。固有频率对比如下表：表8第二组数据与初始值的固有频率对比阶数123456初始值7.59.111.314.419.529.1第二组7.28.79.512.518.325.1 第三组表9 第三组刚度值对比左悬置右悬置后悬置XYZXYZXYZ初始刚度 (N/mm)156.8392122.5158.8436.2100.572209637第三组（N/mm）156.8292100158.8336100.57

13、2159537目标函数F=3205N，较初始值降低29.5%。固有频率对比如下表：表10第三组数据与初始值的固有频率对比阶数123456初始值7.59.111.314.419.529.1第三组7.39.010.312.918.526.1对以上三组数据进行对比分析，可以发现各个刚度值都比较适中，相对初始值变化不是太大，而且第一组和第二组只有发动机后悬置Y向刚度值不同，第一组和第三组只有发动机后悬置Z向刚度值不同，三个方案之间的一致性比较好，目标函数改善程度都在30%左右，而且固有频率值比初始值有较大的降低，更是避开了怠速工况下的点火频率（22HZ），频率分布比较合理。5 在其它转速工况下的计算通

14、过前面的计算分析，得到的三组数据是针对发动机转速为880r/min的，下面进一步验证这三组数据在其它转速工况对目标函数的影响。考虑到低速时悬置的振动较大而中高速时较小，并且低速时整车的颤振是悬置设计需要考虑的一个关键因素，因此只验算2000rpm激励下的结果，更高转速激励不加以验算。表112000r/min工况计算值对比刚度值初始值第一组第二组第三组目标函数77427016-9.4%6621-14.5%7073-8.6%从上面表格中的数据可以看出，这三组刚度数据对2000r/min的工况也有10%左右的改善效果，因此，可以最终确定这三组刚度值。另外，在试做悬置时，特别要注意严格保证发动机后悬置Y向刚度和发动机左悬置Y向刚度的精度。6结论（1）通过对发动机激励、悬置支架和橡胶特性等各种影响因素的分析，运用多体动力学软件ADAMS，建立悬置系统的动力学模型。研究了强迫振动下悬置的传递特性，分析了悬置刚度对隔振性能的影响，并以力的传递最小为目标，以刚度为设计变量，在考虑频率约束的条件下进行优化，达到了良好的效果。最终指出了改进的方向，同时对发动机常用转速2000r/min的工况进行了对比验算。（2）关于悬置元件的设计问题、关于悬置系统频变刚度和阻尼的模拟问题、关于极限工况下动力总成的位移和姿态角的变化问题、关于柔