【《发动机悬置系统优化设计案例》3200字】

PAGEPAGE38发动机悬置系统优化设计案例目录TOC\o"1-2"\h\u25971发动机悬置系统优化设计案例 1203591.1优化方向 1164171.2设计变量 2201611.3约束条件 3314331.4仿真分析应用软件 4172511.5对悬置系统仿真计算 4179711.6发动机固有频率和能量分布 781551.7计算优化 71.1优化方向三缸内燃机在工作时会产生较大的振动源，并且会传递到车体上，而发动机机脚能够有效的降低发动机的振动频率。三缸发动机悬置系统的设计要求包括对动力传动系特定频率、能量分配、位移控制以及悬置动态反作用力的要求。由于三缸发动机平衡性差，合理的悬置动态响应设计可以有效地减少发动机振动向机体的传递。并且因为机脚的耦合性高，振动时产生共振，所以我们需要降低内燃机里边零部件的耦合性，即能量分布。1.1.1能量分布、固有频率动力总成在运转产生的的频率和动力惯性力矩的分布，是本次优化设计的基础，因自由度为6，故为六阶频率，可以为此建立子目标函数为：（1.1）上式中，固有频率在动力总成运转中比例系数为，能量分布在动力总成运转中比例系数为，在某一阶段(t)中固有频率在动力总成运转中比例系数为，在某一阶段中能量分布在动力总成运转中比例系数为。X表示设计变量。目标函数取值最小值，求出最小振动频率值，设计时为防止共振，应避免最小振动频率值。（1.2）为固有频率与要求值的差值，为能量分布与要求值的差值，为阶段内固有频率的计算值，为阶段内固有频率的上限，为阶段内固有频率的下限。（1.3）为阶段固有频率和预想值计算值，为阶段能量分布和预想值的计算值。1.1.2悬置动反力机脚动反力的优化子目标函数为：（1.4）（1.5）上式中表示实际动反力，即发动机整体固有频率，表示数据刚度参数计算的动反力。该目标函数在低频处存在共振点，应该算出最小值。由上得出总目标函数：（1.6）1.2设计变量发动机自重及放置结构不同、曲轴旋转惯性力、活塞往复惯性力等，都会对悬置系统造成影响。但这些往往不会成为改变的目标，所以选择的变量就包括选择的悬置系统的刚度以及安装的位置和角度。图1.1悬置系统模型悬置系统发动机坐标系的刚度取决于安装角度，所以设静刚度为设计变量，安装角度为调整数值，由于选用车辆已处于量产状态，故安装位置，安装角度无法更改。图3-1设置悬置系统三个方位分别为u、v和w。故静刚度变量设为:（1.7）以上为悬置系统中三向静刚度与安装角度。1.3约束条件在选择悬置系统材料时，优先考虑刚度较小的材料。但是选择刚度过小的材料意味这会使得悬置系统容易在抖动过程中、车辆刹车的情况下发生变形，久了就会缩短原件寿命，出现经常更换的现象。所以材料方面尽量追求刚度小的同时不应过小。安装的位置在发动机前后左右四个位置，与发动机、车架相互连接，四个一边承受发动机的重量，一边减缓发动机的振动，并且还需要保证位置不移动[15]。安装悬置系统时须限制其上限下限，由于使用橡胶悬置为研究目标，则需要对其刚度进行约束。对进行约束，和、有一定的比例约束;与也有一定的比例要求[17]。刚度约束范围确认为：（1.8）、分别表示上限下限，即在式1.7中，表示的上限与下限，以此类推。表达式也可以为:(1.9)为矩阵数，当为矩阵时，=，。得出变量约束条件：,U代表上限，D代表下限。分块对角矩阵A=[16]。1.4仿真分析应用软件1.4.1CATIA软件简介CATIA属于法国索达公司开发，主要应用于航天航空、造船业、汽车等行业。本文此次设计主要使用CATIA绘制零件并进行装配。1.4.2ADAMS软件简介ADANS软件作为一款仿真模拟软件，由美国MSC公司进行研发。可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等本文设计的悬置系统优化涉及发动机振动频率及悬置系统可接受吸收频率大小，对悬置系统刚度以及能量分布等参数进行求解分析，在给定的约束条件下选取最优数据[18]。1.4.3ANSYS软件简介ANSYS公司与MSC公司同为美国公司。可以计算静力、动力、热分析、流体分析、磁场等一系列问题，主要研究思路是把需要研究对象划分成数量可数的一系列网格单元后进行相应的分析，分析的时候，每个体可以发生振动及变形（结构力学）。本文设计的悬置系统优化需要ANSYS软件对悬置系统进行模态分析，进行网格分析。制作出机脚等效应力云图。1.5对悬置系统仿真计算本文选用车型为本田2019款手动拨1.8T凌派，发动机最大功率为90/5000（kw/rpm),最大扭矩172/4300N·m/rpm。其重量121.56KG。以下数据均为中国汽车技术研究中心研究得出，收录于汽车制造厂商工艺制造要求手册中，本章需要运用到各数值，特借阅过来使用。整理相关数据[18]如下：表1.1单缸曲柄连杆机构的参数旋转惯性质量往复惯性质量曲轴半径相邻两缸中心距连杆长度气缸直径0.3830.36539.279.712871.5表1.2发动机转动惯量()惯性矩惯性积4.749.348.250.12-0.09-1.60以发动机质心为原点，前端为X轴方向，左端为Y轴方向，上端为Z轴方向。旋转惯性是发动机放在测试平台上进行不同六个角度摆放测试振动频率得出来的数据，无法通过人工进行计算。该数据由厂家进行提供。表1.3各悬置静刚度的初始值及刚度比例悬置静刚度刚度比左悬置45602800.160.210.75右悬置45602800.160.210.75后悬置631951950.321.000.32求出刚度比，主要为为查看限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。图1.2纵置发动机悬置系统三维图表1.4动力总成质心和各悬置的安装位置X/mmY/mmZ/mm左悬置849.1-151.5475.6右悬置849.1201.3475.3后悬置1594.224.7550.6安装位置以图1.2纵置发动机悬置系统三维图为坐标。取数据做出上表。表1.3左、右悬置设置的安装角度整车坐标系左悬置右悬置uvwuvwX0909009090Y9016749020110Z9010616907020由于后悬置作为防扭拉杆，不考虑在优化悬置中，故只列出左右悬置安装角度。根据悬置的可造性，垂向刚度的上下约束以初始刚度的20%偏差确定，表1.6给出了悬置的刚度约束区间。表1.6各悬置静刚度的约束条件悬置 下限上限下限上限下限上限下限上限左悬置2243360.150.250.150.250.61.2右悬置2243360.150.250.150.250.61.2后悬置1562340.250.40.951.050.2504图1.3右机脚边界条件图1.4左机脚边界条件1.6发动机固有频率和能量分布三缸发动机的主励磁顺序为1.5阶[19]。因此，在怠速为850rpm的立式三缸发动机中，动力传动系在动力传动系坐标系Rx轴向上的固有频率必须为怠速时激励频率的。由于缸体在Ry方向上，受到第一和第二不平衡扭矩的影响，因此装配坐标系在Ry方向上的固有频率，应避开第一阶和第二阶产生的振动频率。Rz方向受一阶振动频率的作用力，故Rz方向应避开一阶频率。由于人对于振动传来方向感受频率不同，垂直方向（即Z轴）感受频率为4~8Hz,所以Z取固有频率一般取值8~11Hz；为了保证悬置系统能够长期使用，一般选择频率都会在5Hz以上。因为X方向Y方向上受到的振动频率影响较小，所以一般X方向选用的固有频率取值为6~7Hz，Y方向考虑尽量避开人体可以感受到得振动频率范围，设计选用6~10Hz[10]。一阶振动频率可根据公式：（1.10）带入怠速转速得：由于动力传动系在Z、Rx、Ry和Rz方向（绕X、Y、Z旋转方向）上激励，因此这四个方向上的能量分布必须超过90%。动力传动系的工频及频率分布设计要求见表1.7[19]。表1.7发动机固有频率和能量分布方向XYZRxRyRz固有频率/Hz6~76~108~1112~1616~1717~18加权系数0.522211能量分布/%>75>75>90>90>90>90加权系数0.522211发动机输出力矩方向为Rx方向，Y方向、Z方向人体感受得振频会很明显，所以这三个方向得权系数要选用更大一些，保证优化后人感受到的振频减小。1.7计算优化图1.5优化流程使用MATLAB软件，根据上文总结的目标函数以及悬置系统优化的约束条件，选择出便利于优化计算的遗传算法[20]，该算法运做简单，容易实现，具有全局搜索的优点。并运用序列二次规划对局部坐标系下各支座的静刚度设计值和左右悬置的安装角度进行了优化。选用左悬置初始静刚度进行MATLAB得值如下图：图1.6运算结果分别代入数值计算出如下表数据：表1.7静刚度改良后的数据和刚度比例悬置改良后的静刚度刚度比例左悬置56542240.250.241.04右悬置56542240.250.241.04后悬置551481560.350.950.37计算了功率模块的固有频率和能量分布结果见表4.3-2。表1.8优化前后计算结果对比表XYZRxRyRz固有频率/Hz设计要求6~