吴　杰, 李　轼

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州　510641；2.广东省汽车工程重点实验室，广州　510641)



某装载机动力总成悬置系统隔振性能优化

吴杰1, 2, 李轼1

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州510641；2.广东省汽车工程重点实验室，广州510641)

摘要：以某工程装载机动力总成悬置系统为研究对象，为改善其隔振性能，对悬置系统固有频率进行优化配置的同时对其解耦率进行优化布置。以悬置静刚度和安装位置为优化参数，对固有频率和解耦率进行优化匹配。结果表明，优化后悬置系统各阶固有频率分配更加合理，垂直方向和绕曲轴方向解耦率得到显著提高，并仿真分析了优化方案的可靠性，最后通过实车测试验证了悬置系统的隔振性能得到较大改善。

关键词：装载机；动力总成悬置系统；解耦率；隔振性能；优化设计

近几十年来，国内外研究者在动力总成悬置系统优化设计领域提出了大量的设计理论和方法[1].例如，合理配置悬置系统固有频率和提高各方向的振动解耦程度[2-10]；优化悬置刚度、安装位置和角度等降低悬置传递的动反力[11]，综合考虑副车架和悬置系统的优化设计[12-14]或采用半主动和主动悬置设计[1,15]等等。动力总成悬置系统的隔振效果对整车NVH性能有很大影响，随着我国对工程机械车辆NVH性能要求的逐渐提高，国内整机厂越来越重视悬置系统的优化设计[5-8，13]。

文中针对某企业装载机悬置系统隔振性能不过关的实际问题，基于能量解耦原理，以悬置系统的六阶固有频率和解耦率为优化匹配目标，以悬置静刚度和安装位置作为设计变量，对悬置系统的隔振性能进行了优化，并进行实验验证。

1悬置系统6自由度模型

图1　动力总成悬置系统的六自由度模型Fig.1 6DOF model of the powertrain mounting system

图1是装有4个悬置的某装载机发动机纵置动力总成悬置系统。动力总成坐标系(GCS)G0-XYZ的原点G0位于动力总成质心，X轴平行于发动机曲轴轴线方向并指向发动机飞轮端，Z轴垂直曲轴向上，Y轴方向由右手定则确定。每个悬置简化成沿其三个弹性主轴方向具有刚度和阻尼的元件[4]，在微小振幅作用下, 橡胶悬置阻尼的变化对悬置动态特性几乎没有影响, 同时悬置的阻尼很小可以忽略不计。以悬置的3个弹性主轴方向建立悬置局部坐标系(LCS)oi-uiviwi，悬置的三个弹性主轴分别用ui，vi和wi表示。该装载机四个悬置的结构及装车形式如图2所示。

图2　悬置的结构及装车形式Fig.2 The configurationand mounting state of each mount

悬置系统设计要解决的主要问题是合理配置六阶固有频率以避开发动机怠速激励频率，以及提高各振动方向的解耦程度[4]，解耦率的有关理论详见文献[4]。由于布置空间限制，难以实现悬置系统完全解耦，由于发动机沿Z轴(垂直方向)和θx方向(绕发动机曲轴扭转方向) 存在激励，因此这两个方向的解耦程度要求较高，其它方向解耦程度要求相对较低。

2悬置系统隔振性能优化模型

悬置系统隔振性能主要决定于系统的解耦程度和刚体模态频率。而系统的解耦程度和固有频率取决于悬置的动刚度、安装位置和角度。根据实际问题，可选择四个悬置的静刚度(考虑橡胶悬置的动态硬化率，文中计算时，动倍率取1.3)和安装位置为优化设计参数。提出的悬置系统优化模型为：

(1)

其中：

3参数设置及优化结果

动力总成重量为 1 781 kg，表1给出了动力总成的转动惯量和惯性积，表2给出了悬置的原始静刚度，表3给出了悬置在动力总成质心坐标系的原始坐标。根据悬置系统的六自由度振动模型以及解耦率的计算原理，编写MATLAB程序求解系统固有频率和解耦率，结果如表4所示。

表1　动力总成在GCS中的转动惯量和惯性积

表2　悬置的原始静刚度

表3　悬置的原始坐标

表4　悬置系统原始固有频率和解耦率

为验证MATLAB程序的正确性，用系统动力学仿真软件ADAMS建立仿真模型，如图3所示，计算结果如表5所示。对比表4和表5可以判定MATLAB程序正确。

图3　悬置系统ADAMS模型Fig.3 ADAMS model of the powertrain mounting system

频率/Hz10.417.7511.3713.1915.0416.87解耦率/%X72.830.0011.470.0115.600.09Y0.0152.530.0033.530.2613.67Z9.440.0088.530.002.020.01θx0.0051.620.0024.270.3039.58θy17.710.000.000.0181.121.24θz0.000.920.0024.280.6289.97

动力总成绕曲轴转动方向以及垂直方向存在激励，为避免共振，这两个方向的频率间隔一般要大于1 Hz。静刚度原始值的选取满足了频率间隔的要求，由表4可以看出，优化前系统各阶解耦率不高，尤其是绕曲轴方向的解耦率很低。因此优化前悬置系统的隔振性能达不到要求, 需进行悬置刚度和位置的优化。

目标函数中各参数值的设置如表6所示。频率上下限的设置要避开其它子系统的共振频率。沿Z轴和θx方向解耦率相对重要，因此二者的权系数最大。

悬置位置的上下限为初始位置基础上波动20 mm。发动机和变速箱悬置的静刚度变化范围如表7所示。

优化后悬置的最优静刚度和坐标分别见表8和表9，固有频率和解耦率的优化结果见表10。

表6　频率和解耦率的限值

表7　悬置的静刚度上下限

表8　优化后悬置的静刚度

表9　优化后悬置的坐标

表10　优化后悬置系统固有频率和解耦率

对比表4和表10可知，沿Z轴解耦率从88.53%提高到98.06%，θx方向解耦率从24.27%提高到86.99%，其余各自由度的解耦率都得到较大提高。沿Z轴的固有频率降低到10.56 Hz，沿Z轴和θx方向的频率间隔为1.48 Hz，满足要求。最低固有频率和最高固有频率分别为6.12 Hz和19.75 Hz，没有超出频率的上下限。 可见，所建立的优化模型能很好地满足设计要求，优化后的悬置系统隔振性能有较明显改善。

为了验证优化后悬置系统的隔振性能是否提高，利用ADAMS/Vibration对悬置系统进行频域分析。图4至图6分别为优化前后动力总成质心处的位移、速度和加速度频率响应曲线。

图4 优化前后动力总成质心Z方向位移频率响应Fig.4InitialandoptimaldisplacementfrequcncyresponseinZdirectionofthepowertraincenterofgravity图5 优化前后动力总成质心Z方向速度频率响应Fig.5InitialandoptimalvelocityfrequcncyresponseinZdirectionofthepowertraincenterofgravity图6 优化前后动力总成质心Z方向加速度频率响应Fig.6InitialandoptimalaccelerationfrequcncyresponseinZdirectionofthepowertraincenterofgravity

由图4至图6可以看出，系统6阶固有频率值均低于发动机怠速时激励频率，除了θz方向，优化后系统各阶固有频率较优化前均有所降低。在发动机启动工况和怠速以后工况，优化后Z方向与其它方向的振动耦合程度很低，因此响应幅值比优化前有较明显降低，表明优化后悬置系统的隔振性得到较明显改善。

4优化方案可靠性分析

为验证优化方案的可靠性，进行Monte Carlo仿真试验验证，抽样方法采用基于方差降低技术的描述采样(Descriptive Sampling)，采样次数为10 000次。

表11给出了初始方案和优化方案的可靠性对比。由表11可知，初始方案解耦率的可靠性除绕Y轴和绕Z轴方向以外都比较低。频率约束可靠性均达到1.0，除了第二个频率间隔外，频率间隔可靠性均达到了0.9以上。经过优化后，解耦率可靠性有了很大改善，均超过了0.9，但绕Z轴和绕X方向频率约束的可靠性稍有降低，第二和第三个频率间隔有所降低，其它频率间隔保持为1.0 Hz。

工程上对绕X轴和Z轴方向解耦率的大小及其可靠性要求较高，图7给出初始方案和优化方案的绕X轴和Z轴方向解耦率的蒙特卡洛模拟结果。

表11　初始方案和优化方案的可靠性分析结果

表12　初始方案和优化方案的隔振率

图7　初始和优化方案的Roll及Z方向解耦率概率分布Fig.7 Initial and optimal probability distribution in X and Z directions

由图7看出，与初始方案相比，优化方案的绕X和Z方向解耦率的均值明显提高，标准差有较明显的降低：初始方案绕X方向的均值为33.27，标准差为0.87，优化方案绕X方向的均值为86.88，标准差为0.72；初始方案Z方向的均值为87.12，标准差为8.36，优化方案Z方向的均值为95.80，标准差为6.47。这表明优化结果能使得这两个主要方向解耦率的可靠性得到较大程度提高。

5实验验证

将原方案与优化方案装车进行动力总成悬置隔振率对比，测试工况为整车定置发动机怠速(650 r/min)和高速(2 200 r/min)，结果见表12。由表12可知，右前悬置、右后悬置、左前悬置的三向隔振率除个别方向稍有降低外，总体上有较大幅度提高，隔振率平均提高11.16%，最大隔振率的提高了55%(右后悬置X方向高速工况)。左后悬置各方隔振率有所降低，但只有两个工况的隔振率低于20 dB，其余四个工况的隔振率均超过了20 dB。从整体来看，优化方案较初始方案的隔振率有较明显提高，表明了优化方法的有效性。

6结论

为提高某装载机动力总成悬置系统的隔振性能，以该悬置系统的六阶固有频率和解耦率为优化目标，提出了合理地悬置系统优化模型。

提出的优化模型能有效增大悬置系统各方向的解耦率。θz方向和θx方向的解耦率未达到要求，但较优化前有了大幅度提高，基本满足工程实际需求。优化方案在两个主要方向解耦率的可靠性得到较大程度提高。最后通过实车测试验证了优化方法的综合效果。

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基金项目：国家863计划项目(2012AA110702)；教育部新世纪人才计划项目(NCET-11-0157)；华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(D2115540)

收稿日期：2014-09-16修改稿收到日期：2014-12-19

中图分类号:TK406

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.01.005

Optimal design for vibration isolation performance of a loader’s powertrain mounting system

WU Jie1,2, LI Shi1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;2. Guangdong Provincial Key Laboratory for Automotive Engineering, Guangzhou 510641, China)

Abstract:The frequency and decoupling ratio of a loader’s powertrain mounting system were optimized in order to improve its vibration isolation performance. The mounting stiffness and installing position were selected as optimized variables. The results showed that its optimal natural frequencies are more rational, and the optimal decoupling ratios in Z and θx directions are improved significantly; the reliability of the optimal scheme is higher than the original one. At last, test results showed that the vibration isolation performance of the powertrain mounting system is significantly improved.

Key words:loader; powertrain mounting system; decoupling ratio; vibration isolation performance; optimal design

第一作者 吴杰 男，博士，副教授，1973年11月生