赵萌

摘要：随着经济的发展和科技的进步，近年来人们对于车辆性能的要求越来越高，尤其是对车辆振动噪声的忍耐度逐步降低，对NVH性能提升的要求日益提高。无论是乘用车还是与之相比工作条件更加恶劣的货车乃至工程机械，NVH性能不足都开始成为制约产品竞争力的重要问题。而解决这一问题的关键，在于对车辆减震系统的进一步优化。本文重点论述了重型车辆悬置系统的发展历程、性能研究、以及相关的优化方案和優化算法等，并对相关的理论研究进行简要介绍以及对比总结。

Abstract： With the development of economy and the progress of science and technology， people's requirements for vehicle performance have become higher and higher in recent years. In particular， the tolerance of vehicle vibration and noise has been gradually reduced， and the requirements for performance improvement of NVH have been increasingly raised. Whether it is passenger cars or trucks with worse working conditions or even construction machinery， the insufficient performance of NVH has become an important problem restricting the competitiveness of products. The key to solve this problem lies in the further optimization of the vehicle damping system. This paper focuses on the development of heavy vehicle suspension system， performance research， as well as the relevant optimization scheme and optimization algorithm， and the relevant theoretical research is briefly introduced and summarized.

关键词：悬置系统;NVH性能;优化方案;优化算法

Key words： suspension system;NVH;optimization scheme;optimization algorithm

0  引言

车辆整体的减振系统主要包括车辆底盘悬架系统、动力总成悬置系统以及座椅-驾驶室悬置系统等。对于工程机械、重型载货车等满载重量大且空载、半载及满载的载荷相对变化比较大的车辆类型，器底盘悬架系统设计困难且调控复杂，增加了设计和维护成本[1]。因此，对于这类车辆的NVH性能优化，其关注重点应该放在对悬置系统的设计改良上。

1  悬置系统的分类与发展概述

1.1 动力总成悬置系统

当前，汽车发动机朝着高功率和轻量化方向发展，发动机马力和功率的提高，加剧了汽车振动和噪声水平;发动机输出扭矩增大，也要求匹配高承载和更轻质的变速箱，同样也影响汽车振动和噪声水平[2]。动力装置减振系统起到固定支撑动力总成、承受来自动力总成内部的往复惯性力和力矩、承受整车行驶过程中动力总成所受的负载、双向隔离动力总成系统和车身之间的振动的作用。[3]对衰减动力总成对整车的振动影响，提高车辆整体NVH性能起着至关重要的作用。

在汽车产业发展的初期，动力总成是直接与车架用螺栓刚性地在一起的，中间并没有隔振元件。随着人们对车辆舒适性有了更高的要求，橡胶元件首先应用于动力总成悬置系统中。橡胶悬置结构简单，成本低廉，方便安装和维护，同时具有较好的低频隔振性能。然而，由于橡胶元件具有动刚度随振动频率升高而变大的性质，导致其在面对高频激励的时候隔振效果不理想。

继橡胶悬置之后，研究人员开发出了液压悬置系统。液压悬置相较于普通橡胶悬置，其主要表现出的优良减振特性是：低频振动时具有刚度高、阻尼大的特性，不仅可以有效地隔离衰减汽车行驶在不平路面上时以及怠速状态时动力总成的稳态振动激励，而且还可以很好地衰减发动机启动、关闭或汽车加速、转向、制动等不稳定工况下动力总成的非稳态振动激励[4]。

目前，液压悬置系统主要分为被动式、半主动式和主动式三种。被动式缺点在于不能满足全部工况下的最优隔振性能。而主动和半主动液压悬置系统存在着结构复杂、理论研究不充分、可靠性差、价格昂贵等问题，并没有完成大规模的产业化。综上所述，当下的车辆动力总成悬置系统大多还是以橡胶悬置系统为主。

1.2 驾驶室悬置系统

最初，橡胶悬置应用于驾驶室系统的时候，仅仅是两个后悬置处加装了橡胶元件，前面直接与车架铰接在一起，称为半浮式驾驶室系统;目前，学术界和工程界比较认可全浮式驾驶室系统。所谓全浮式驾驶室就是四个悬置点都加装独立橡胶元件的四点悬浮式驾驶室系统。近年来，也有不少学者尝试从可控悬置的角度展开研究，取得了一些不错的成果。不过，可控悬置系统理论欠缺、技术不成熟、成本较高，难以进入产业化阶段。综上所述，成本可控、技术成熟且可靠性较高的全浮式驾驶室悬置系统仍然是现代车辆最主要的隔振手段。

2  评价悬置系统性能优劣的指标

2.1 隔振率/传递率

在工程中，无法完全消除振动的传递，通常认为传递率大于20dB就满足悬置系统的设计要求，根据公式换算我们知道发动机经悬置系统传递到车架上的振动衰减了10倍以上;对于重型车辆，一般要求隔振率满足80%，即递率大于14dB。隔振率/传递率的优化主要通过调节悬置元件的位刚度和阻尼等参数进行实现。

2.2 各自由度的能量解耦率

振动耦合是指一个方向上的振动对其他自由度的振动产生影响。根据产生原因的不同可分为惯性耦合和弹性耦合。惯性耦合是因为质量矩阵为非对角阵，而弹性耦合的产生是因为刚度矩阵为非对角阵。解耦率代表着这种耦合程度的严重性，解耦率越高，耦合程度越低，各自由度上的振动能量越集中。工程应用中，基本不可能让解耦率达到100%，一般认为解耦率达到90%以上就可以认为该方向实现解耦。但对于重型车辆设计来说，在工程上只要求要求解耦率在主激振方向达到80%就可以。解耦率是悬置系统设计初期的性能评价指标。一般来说，解耦率的优化主要通过调节悬置点的位置参数进行实现。

3  悬置系统优化方法及算法

3.1 解耦率优化方法

目前，提升动力总成悬置系统解耦率的主要方法有两种：移频法与缩减耦合法。移频法通过确定避免发生共振的频率范围来避免高度耦合，是避免耦合的简单有效的方法[5];缩减耦合法则通过撞击中心理论[6]、弹性中心理论、刚度矩阵解耦法[7]以及能量解耦法[8]等一系列理论方法在移频法的基础上进一步降低了发动机六个刚体模态之间的耦合度。其中前三种解耦的理论和方法主要适用于形状相对规则的动力总成，而能量解耦法利用动力总成的六个固有模态振型确定悬置系统的能量分布，然后以此为依据判断动力总成悬置系统是解耦程度，该方法基本脱离了发动机形状类型以及隔振布置形式等具体特点的束缚，适用于形状不规则的动力总成系统，也是当前解耦设计的一种主要方法[9]。

3.2 悬置系统优化算法

悬置系统的性能优化问题属于多目标优化问题。长久以来，国内外研究人员在多目标优化算法的研究领域建树颇丰，使得该领域的理论发展日趋丰富和完善。在悬置系统优化研究中应用较多的有内点算法、遗传算法和粒子群算法。

3.2.1 内点算法（fmincon函数）

fmincon函数是matlab软件自带的求解带有非线性约束问题最小值问题的函数，fmincon函数在求解问题时，有四个算法（trust-region-reflective、active-set、interior-point、sqp），经过对比发现，内点算法（interior-point）效果最好。以能量解耦指标为目标函数对动力总成悬置系统进行优化，是一个有许多局部最优解的优化问题，而上述fmincon函数就是一种局部优化函数，通常难以得到具有满意解耦度的设计方案，所以需要采用一种全局优化算法。（图1）

3.2.2 遗传算法（GA）

遗传算法是一种概率搜索法，通过对个体的选择、交叉、变异，在全局范围内寻优，是一种全局搜索能力很强的算法。搜索过程中不易陷入局部最优解，在工程应用中有着较好的效果，具体流程如图2所示。

遗传算法（GA）有较多的改进算法，比较著名的如非支配排序遗传算法（NCGA）及其改进算法精英策略下快速非支配排序遗传算法（NSGA_II）。

3.2.3 多目标粒子群算法（MOPSO）

多目标粒子群算法（MOPSO）是根据支配关系选择Pareto最优解到非支配解储备集，使种群向最优方向前进;并引入自适应网格方法，来保证其最优解分布多样和均匀性[10]。该算法的流程图如图3所示。

4  总结

车辆悬置系统的优化研究，首先需要摸清各类减振元件的性能特点和主要优缺点，然后通过试验或者仿真分析确定研究对象在NVH性能方面存在的欠缺。运用理论分析直接建立相应的数学模型或者通过相关理论分析建立 CAE（Computer Aided Engineer）仿真模型。完成优化指标分析、优化变量、目标函数选取约束条件的设定，逐步完善悬置系统优化方案，并以此确定需要的优化算法。通过计算机辅助运算，确定优化参数。利用之前建立好的仿真或者数学模型对参数优化后的悬置系统进行性能分析。最后，将改进后的悬置系统安装到整车中进行实车测试，验证优化效果。

参考文献：

[1]载货车座椅-驾驶室耦合系统的五悬置振动理论研究.

[2]重型载货汽车动力总成悬置系统匹配分析及实验研究.

[3]基于整车动力学的轮式装甲车动力装置减振优化.

[4]王殿鹏，张超群，王桂龙.基于频谱技术的某客车振动测试分析[J].农业装备与车辆工程，2013，51（8）：6-9.

[5]Bernard J E， Starkey J M. Engine Mount Optimization[J]. SAE Technical Paper， 1983.

[6]Brach M. Automotive Powerplant Isolation Strategies[C]. SAE Noise and Vibration Conference and Exposition. 1997.

[7]Hillis A J， Harrison A J L， Stoten D P. A comparison of two adaptive algorithms for the control of active engine mounts[J]. Journal of Sound & Vibration， 2004， 286（1）：37-54.

[8]WangLR， Wang JC， Hagiwara I. An integrated characteristic simulation method for hydraulically  damped rubber mount of vehicle engine[J]. Journal of Sound & Vibration， 2005， 286（4）：673-696.

[9]李瑩，王天利，孙晓帮.汽车动力总成橡胶悬置系统性能研究综述[J].农业装备与车辆工程，2010（6）：3-5.

[10]基于改进遗传算法和多目标粒子群算法的重载荷隔振平台减振系统性能优化.