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摘 要：汽车动力总成通过悬置系统与车身相连接，如果其振动不能被有效隔离就会传递到车身，一方面会引起车内座椅、方向盘等位置的振动，另一方面也会引起车身壁板的振动，从而向车内辐射噪声，进而影响乘员的听力和舒适性。另外，汽车行驶时受到路面冲击，若悬置系统设计不当，会使动力总成产生较大的振动幅值，与附近零部件产生干涉。因此，合理匹配悬置系统的各項动力学参数，有效隔离发动机振动向车身的传递，对于控制整车的振动与噪声，提高车辆的 NVH性能是至关重要的。
关键词：悬置系统；固有频率；解耦率；隔振性能；ADAMS
引言：
以某皮卡车辆动力总成悬置系统为研究对象，针对车内振动噪声大的问题，对悬置系统进行优化设计。在多体动力学软件ADAMS中建立了系统的简化模型，计算其固有特性包括固有频率、解耦率及振型。结果表明，以动反力最小为优化目标时，悬置系统总受力降低了7.8%，并且主要方向的解耦率大于90%，满足目标要求。
1汽车动力总成悬置系统模型的建立
汽车的动力总成包括发动机与变速箱，悬置元件总成通过车身与发动机变速箱相连，其主要功能是用来支撑，隔振与限位。汽车舱内合理的布置动力总成悬置系统是提升汽车舒适性的关键途径之一。动力总成的振动及路面的激励通过悬置传递给车身，所以建立合理的动力总成悬置系统模型，并对其模态及解耦率优化分析，是提高动力总成悬置系统隔振性能的主要方法。悬置系统进行模态分析与优化的目的是提高悬置系统的解耦率，并使各向的模态频率尽可能接近期望值，避开发动机怠速自振频率及道路激振频率。
2 动力总成悬置系统
在动力总成悬置系统的优化及设计时，动力总成可以简化为一个具有3个平动和3个转动的刚体模型，如图1所示。
2.1 橡胶悬置元件的动力学模型
作为悬置系统的主要隔振材料，橡胶悬置元件的力学模型的分析对动力总成悬置系统的研究极为重要。橡胶在受力工作时往往会产生一定的滞后效应，这和橡胶的材料特性有关，它不仅具有弹性，同时还具有粘性。汽车动力总成在任意一方向运动时，悬置元件都将阻止它的运动。由于汽车运动以及悬置元件的受力极为复杂，且橡胶元件的尺寸比整个系统要小得多。因此，可以忽略橡胶元件的扭簧作用，可简化成 3个成正交化的弹性主轴 u，v，w。3个弹性主轴 u，v，w的交点便是弹性中心 e。其简化模型如图所示。图 2 中：Ku，Kv，Kw——3个弹性方向的静刚度；Cu，Cv，Cw——3个方向的阻尼。3个弹性主轴方向的动刚度一般为相应方向静刚度的1.2～2.2倍。
2.2动力总成悬置系统力学模型的建立
由于研究的是某皮卡汽车动力总成悬置系统的低频振动特性，所以假设车架与动力总成为刚体。原车悬置系统采用六点支承，建立简化力学模型，如图3所示。坐标系的规定如下：定坐标系G0-xyz：原点G0为动力总成质心，X轴与水平面平行，指向汽车前进方向；Z轴垂直向上，Y轴方向根据右手定则来确定定义动力总成6个自由度分别沿xyz轴的平移x、y、z与绕xyz轴的转动θx、θy、θz，刚体广义坐标矢量形式为Q（t）=（x，y，z，θx，θy，θz）T，用来描述动力总成振动时位置的变化。
3动力总成悬置优化设计
动力总成悬置系统利用ADAMS的点坐标参数化方法进行建模。利用ADAMS中的 Vibration模块对悬置系统的模态频率进行计算，得到各阶的模态频率及能量分布矩阵如表1所示。
表1 模态频率及能量分布矩阵
为了达到隔振目的，约束频率上限为17 Hz。从表1看出，悬置系统的最大频率10.5 Hz出现在沿Y轴平动方向，最小频率5.1 Hz出现在绕Z轴转动方向，满足隔振的基本要求。该系统沿X轴平动和绕Z轴转动方向的固有频率差值为0.8 Hz，沿Z轴平动和绕Y轴转动方向的频率差值为0.6 Hz，绕Y轴转动和沿Y向平动方向的频率差为0.7 Hz，均小于1 Hz，可能发生耦合共振，需要改进。以支撑处动反力最小为优化目标，同时兼顾考虑主要方向即沿Z向和/fXY向解耦率尽量大。
3.1目标函数
本节将以悬置支撑处响应最小为目标函数来对系统进行优化.由于通常发动机怠速激励频率为低频激励，所以动力总成悬置系统最激烈的振动发生在怠速工况。因此，在进行隔振优化设计时应重点考虑怠速工况下的悬置系统振动响应。所以，本节以怠速工况稳态时支撑处响应力最小为目标函数。该目标函数为
3.2设计变量
从经验公式
式中：ωi2——动力总成悬置系统的固有频率。动力总成的固有频率只与刚度矩阵K、质量矩阵M相关。对于一款动力总成，其质量和惯性参数是不可改变的，所以M不变。因此，只有通过改变刚度矩阵K来对系统的固有频率进行改变。本文先以悬置元件3个方向的刚度作为设计变量，刚度设计变量的名称定义如下：
左悬置：Stiff_Left_u，Stiff_Left_v，Stiff_Left_w；
右悬置：Stiff_Right_u，Stiff_Right_v，Stiff_Right_w；
后悬置：Stiff_Rear_u，Stiff_Rear_v，Stiff_Rear_w。
3.3约束条件
在以支撑处动反力最小为优化目标时，对固有频率做出限定是很有必要的。本节优化设计时设定的刚度变化范围以及质心位移的约束条件与上节相同。优化分析优化分析依据问题的类型，可以采取不同的优化算法。ADAMS/Insight 实验设计主要研究哪些因素的影响比较大，并且还调查这些因素之间的关系；而 ADAMS/Optimization 优化分析着重于获得最佳的目标值。优化过程中，所选取的优化方法为序列二次规划方法SQP（Sequential Quadraticc Programming），该算法对于求解非线性约束优化问题是非常有效的。由于悬置系统优化是一个非线性优化问题，因此该方法适用。
本文研究的动力总成悬置系统，原系统的前悬置弹性中心点在扭矩轴上方，当减小左右悬置的角度，前悬置的弹性中心点会下降并接近扭矩轴上，从扭矩轴解耦的角度考虑，也会提高其解耦程度。
结束语：
本文基于隔振理论和动力总成悬置系统优化设计理论，以某皮卡的动力总成悬置系统为研究对象，建立了相应的数学模型、力学模型，对其固有特性进行了理论及实验分析。借助多体动力学软件ADAMS建立了动力总成悬置系统的模型，分析其固有特性，并根据优化设计理论确定目标函数，设计变量及约束条件对原始系统进行优化设计，且对比了优化前后动力总成系统的振动特性。
参考文献
[1] 柯有恩，刘志恩，颜伏伍.某微型车动力总成悬置系统隔振性能研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2013，35（06）：846-850.
[2] 郭林.某轿车动力总成悬置系统优化设计[D].华南理工大学，2013.
[3] 苑衍灵.动力总成悬置系统的优化设计与振动分析[D].青岛理工大学，2012.
[4] 张小红.动力总成悬置系统仿真分析、优化和设计流程[D].吉林大学，2012.
[5] 隋永乐.动力总成悬置系统的NVH性能设计开发[D].吉林大学，2012.
[6] 高永锋.动力总成悬置系统瞬态响应仿真研究[D].重庆大学，2012.
关键词：悬置系统；固有频率；解耦率；隔振性能；ADAMS
引言：
以某皮卡车辆动力总成悬置系统为研究对象，针对车内振动噪声大的问题，对悬置系统进行优化设计。在多体动力学软件ADAMS中建立了系统的简化模型，计算其固有特性包括固有频率、解耦率及振型。结果表明，以动反力最小为优化目标时，悬置系统总受力降低了7.8%，并且主要方向的解耦率大于90%，满足目标要求。
1汽车动力总成悬置系统模型的建立
汽车的动力总成包括发动机与变速箱，悬置元件总成通过车身与发动机变速箱相连，其主要功能是用来支撑，隔振与限位。汽车舱内合理的布置动力总成悬置系统是提升汽车舒适性的关键途径之一。动力总成的振动及路面的激励通过悬置传递给车身，所以建立合理的动力总成悬置系统模型，并对其模态及解耦率优化分析，是提高动力总成悬置系统隔振性能的主要方法。悬置系统进行模态分析与优化的目的是提高悬置系统的解耦率，并使各向的模态频率尽可能接近期望值，避开发动机怠速自振频率及道路激振频率。
2 动力总成悬置系统
在动力总成悬置系统的优化及设计时，动力总成可以简化为一个具有3个平动和3个转动的刚体模型，如图1所示。
2.1 橡胶悬置元件的动力学模型
作为悬置系统的主要隔振材料，橡胶悬置元件的力学模型的分析对动力总成悬置系统的研究极为重要。橡胶在受力工作时往往会产生一定的滞后效应，这和橡胶的材料特性有关，它不仅具有弹性，同时还具有粘性。汽车动力总成在任意一方向运动时，悬置元件都将阻止它的运动。由于汽车运动以及悬置元件的受力极为复杂，且橡胶元件的尺寸比整个系统要小得多。因此，可以忽略橡胶元件的扭簧作用，可简化成 3个成正交化的弹性主轴 u，v，w。3个弹性主轴 u，v，w的交点便是弹性中心 e。其简化模型如图所示。图 2 中：Ku，Kv，Kw——3个弹性方向的静刚度；Cu，Cv，Cw——3个方向的阻尼。3个弹性主轴方向的动刚度一般为相应方向静刚度的1.2～2.2倍。
2.2动力总成悬置系统力学模型的建立
由于研究的是某皮卡汽车动力总成悬置系统的低频振动特性，所以假设车架与动力总成为刚体。原车悬置系统采用六点支承，建立简化力学模型，如图3所示。坐标系的规定如下：定坐标系G0-xyz：原点G0为动力总成质心，X轴与水平面平行，指向汽车前进方向；Z轴垂直向上，Y轴方向根据右手定则来确定定义动力总成6个自由度分别沿xyz轴的平移x、y、z与绕xyz轴的转动θx、θy、θz，刚体广义坐标矢量形式为Q（t）=（x，y，z，θx，θy，θz）T，用来描述动力总成振动时位置的变化。
3动力总成悬置优化设计
动力总成悬置系统利用ADAMS的点坐标参数化方法进行建模。利用ADAMS中的 Vibration模块对悬置系统的模态频率进行计算，得到各阶的模态频率及能量分布矩阵如表1所示。
表1 模态频率及能量分布矩阵
为了达到隔振目的，约束频率上限为17 Hz。从表1看出，悬置系统的最大频率10.5 Hz出现在沿Y轴平动方向，最小频率5.1 Hz出现在绕Z轴转动方向，满足隔振的基本要求。该系统沿X轴平动和绕Z轴转动方向的固有频率差值为0.8 Hz，沿Z轴平动和绕Y轴转动方向的频率差值为0.6 Hz，绕Y轴转动和沿Y向平动方向的频率差为0.7 Hz，均小于1 Hz，可能发生耦合共振，需要改进。以支撑处动反力最小为优化目标，同时兼顾考虑主要方向即沿Z向和/fXY向解耦率尽量大。
3.1目标函数
本节将以悬置支撑处响应最小为目标函数来对系统进行优化.由于通常发动机怠速激励频率为低频激励，所以动力总成悬置系统最激烈的振动发生在怠速工况。因此，在进行隔振优化设计时应重点考虑怠速工况下的悬置系统振动响应。所以，本节以怠速工况稳态时支撑处响应力最小为目标函数。该目标函数为
3.2设计变量
从经验公式
式中：ωi2——动力总成悬置系统的固有频率。动力总成的固有频率只与刚度矩阵K、质量矩阵M相关。对于一款动力总成，其质量和惯性参数是不可改变的，所以M不变。因此，只有通过改变刚度矩阵K来对系统的固有频率进行改变。本文先以悬置元件3个方向的刚度作为设计变量，刚度设计变量的名称定义如下：
左悬置：Stiff_Left_u，Stiff_Left_v，Stiff_Left_w；
右悬置：Stiff_Right_u，Stiff_Right_v，Stiff_Right_w；
后悬置：Stiff_Rear_u，Stiff_Rear_v，Stiff_Rear_w。
3.3约束条件
在以支撑处动反力最小为优化目标时，对固有频率做出限定是很有必要的。本节优化设计时设定的刚度变化范围以及质心位移的约束条件与上节相同。优化分析优化分析依据问题的类型，可以采取不同的优化算法。ADAMS/Insight 实验设计主要研究哪些因素的影响比较大，并且还调查这些因素之间的关系；而 ADAMS/Optimization 优化分析着重于获得最佳的目标值。优化过程中，所选取的优化方法为序列二次规划方法SQP（Sequential Quadraticc Programming），该算法对于求解非线性约束优化问题是非常有效的。由于悬置系统优化是一个非线性优化问题，因此该方法适用。
本文研究的动力总成悬置系统，原系统的前悬置弹性中心点在扭矩轴上方，当减小左右悬置的角度，前悬置的弹性中心点会下降并接近扭矩轴上，从扭矩轴解耦的角度考虑，也会提高其解耦程度。
结束语：
本文基于隔振理论和动力总成悬置系统优化设计理论，以某皮卡的动力总成悬置系统为研究对象，建立了相应的数学模型、力学模型，对其固有特性进行了理论及实验分析。借助多体动力学软件ADAMS建立了动力总成悬置系统的模型，分析其固有特性，并根据优化设计理论确定目标函数，设计变量及约束条件对原始系统进行优化设计，且对比了优化前后动力总成系统的振动特性。
参考文献
[1] 柯有恩，刘志恩，颜伏伍.某微型车动力总成悬置系统隔振性能研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2013，35（06）：846-850.
[2] 郭林.某轿车动力总成悬置系统优化设计[D].华南理工大学，2013.
[3] 苑衍灵.动力总成悬置系统的优化设计与振动分析[D].青岛理工大学，2012.
[4] 张小红.动力总成悬置系统仿真分析、优化和设计流程[D].吉林大学，2012.
[5] 隋永乐.动力总成悬置系统的NVH性能设计开发[D].吉林大学，2012.
[6] 高永锋.动力总成悬置系统瞬态响应仿真研究[D].重庆大学，2012.