发动机总成悬置系统的仿真优化设计

刘百丽李胜陕西汽车集团有限责任公司 2013-08-12

对于某款重型卡车在发动机怠速时出现的抖动问题，本文通过仿真分析软件ADAMS对该发动机悬置系统进行了仿真分析，得到了系统固有特性，并对悬置系统进行了优化设计，提高了悬置系统的隔振效率。

发动机是整车的主要振源之一，其悬置系统隔振性能的优劣直接关系到发动机的振动向车体的传递以及发动机上固定零件（如变速器操纵系统）的使用情况。所以，悬置系统的设计，应该把发动机传递到支承系统的振动减小到最低限度。成功地控制振动，主要取决于悬置系统的结构形式、几何位置及悬置软垫的结构、刚度和阻尼等特性。

动力学仿真模型的建立

出现怠速抖动问题车型的发动机悬置系统采用的是4点固定方式，前悬置固定在发动机缸体前端两侧，后悬置固定在离合器壳体上，具体结构如图1所示。

图1 发动机悬架系统

以刚体弹性支撑理论为基础将发动机动力总成悬置系统的振动模型进行简化处理，即认为发动机动力总成为一个空间自由刚体，通过几个具有三维弹性的橡胶悬置支撑在刚性的、质量为无限大的车架上。其动力模型如图2所示。

图2 动力模型

图2中，O为发动机动力总成的质心；X、Y和Z为参考坐标系，原点定为动力总成的质心位置，X轴为平行曲轴中心线指向发动机自由端（风扇端），Y轴指向发动机左方(从发动机飞轮端看)，Z轴为竖直向上。由动力学模型可知，在外力EF作用的情况下，可以得到动力总成悬置系统六自由度振动的运动微分方程式如下:

式中

｛q｝——系统广义位移向量，

｛｝——系统广义速度向量；

｛｝——系统广义加速度向量；

［M］——系统的质量矩阵；

［K］——系统的刚度矩阵；

m——系统的总质量；

Ixx、Iyy、Izz——系统绕参考坐标轴的转动惯量；

Ixy、Iyz、Izx——系统相对于参考坐标轴的质量惯性积(Ixy=Iyx、Iyz=Izy、Izx=Ixz)；

kxx、 kyy、 kzz——系统的总往复刚度；

kαα、kββ、 kγγ——系统的总回转刚度；

kmn (m/n)——系统耦合刚度。

能量解耦法原理

能量解耦法采用的计算公式

式中 φj——［φ］的第j个列向量，即系统的第j阶主振型；

(φj)k及(φj)l分别为Φj的第k及第l个元素；

mkl——系统质量矩阵第k行l列元素；

ωj——系统第j阶固有频率；

k，l，j=1，2，…，6

上面矩阵共有36项，对于第k行元素，对角线上的元素（l=k）表示直接分配给第k个广义坐标的振动能量；非对角元素（l≠k）即为耦合项，表示第k个元素和第l个广义坐标相互耦合锁引起的能量交换。这样，第k元素和为第k个广义坐标所分配到的能量，设为（KEk）j；系统总能量为上矩阵所有元素之和，设为（KE）j。根据以上公式很容易算出系统的第j阶固有频率振动时第k个广义坐标分配到的能量所占系统总能量的百分比：

因此，要提高系统在某个方向的解耦程度，可以通过改变系统中各悬置点的位置、倾角及刚度等因素，使其能量百分比P33的值逐渐提高并尽量接近于1。

用能量方法提高发动机悬置系统的解耦程度，与打击中心理论、弹性中心理论比较有三个优点：可以在原坐标系统上对系统进行解耦设计；仅需要对系统进行自由振动分析求得缸体模态参数（ωj，φj），在一定程度脱离了发动机类型及布置型式的具体特点，因而具有较普遍的通用性。上述解耦指标一般总是在（0，1）内变化，因而可以使优化计算保持较好的数值稳定性。

发动机悬置系统的各自由度振动都是互为耦合的，在实际设计过程中，很难对某个产生共振的自由度上的频率进行个别改进而不影响其他自由度上的隔振性能，完全解耦在悬置设计中是难以实现的，因为发动机的主要激振力只有垂直和扭转两种，而悬置设计中存在较多的约束。因此，只要在几个主要方向上获得近似解耦就行了。对于出现怠速振动问题的车辆，因其悬置的安装位置、安装角度受生产成本、零件通用性等因素的制约，因此问题解决主要是从零件刚度因素着手，进行优化设计。

利用ADAMS进行分析并优化设计

问题车型的动力总成基本参数如表1所示，各悬置点初始刚度值如表2所示。