杨守财

摘要：本文基于灵敏度分析的发动机悬置系统稳健优化设计为研究课题，以发动机悬置系统能量解耦作为本研究的参照目标，以悬置刚度参数为设计变量，考虑各种因素对悬置刚度参数灵敏度的影响，建立了多目标优化数学模型。采用遗传优化算法对发动机悬置系统刚度参数进行了稳健优化设计，并用蒙特卡罗方法进行了分析。研究结果表明，本次研究所采用的方法和建立的模型能够有效的降低发动机悬置系统能量解耦度对悬置刚度参数的灵敏度，有效的优化设计了发动机悬置系统，提高了实用性。

关键词：悬置系统;优化设计;灵敏度;能量解耦

中图分类号：U464                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0005-02

0  引言

动力总成悬置系统的功能，固定并支撑动力总成，承受动力总成的载荷，防止动力总成位移，减少振动对车身的影响，减少发动机与底盘之间的双向振动传递。因此，有必要对汽车悬置系统中的主要振动源进行识别。根据车辆振动源的不同，可分为两类：一类是车辆动力系统产生的内部振动;另一类是由路况和气流引起的外部振动。车辆的振动主要是由车辆内部振动引起的，安装件主要是为了减少内部振源对整车的冲击。因此，对悬置元件的研究对降低车辆振动，提高车身整体性能具有重要意义。对于悬置系统的研究，目前的研究方向主要集中在弹性材料的研究上。汽车刚发明时，发动机直接安装在车架上，会产生很大的振动和噪音，乘坐体验非常差。为了提高司乘人员的舒适性，延长汽车相关零部件的使用寿命，技术人员从20世纪初就开始关注汽车发动机的振动问题，并采取了一些改进措施。但其軟垫材料的减震效果并没有明显改善。随着科学技术的发展和市场对汽车需求的不断增加，汽车市场不断扩大，对汽车悬置问题的研究也越来越深入。人们越来越意识到汽车发动机悬置对汽车整体性能的影响，现在技术人员也越来越重视汽车发动机安装的技术要求。人们对汽车的舒适度要求越来越高，相关的振动理论也在不断拓展。具体要求是在低频大振幅振动中，安装部件具有较强的刚度和阻尼比，其原理相当于通过改变部件的刚度来影响动力总成系统固有频率方式达成隔振效果。如今，悬置系统的发展路径从最开始的橡胶悬置到后来陆续出现的液压悬置，双重隔离悬置再到当今悬置的主要研究方向为主动式及主动控制式液压悬置。

1  悬置系统制造散差

发动机悬置系统对汽车的NVH性能起着重要作用，对发动机的悬置系统进行合理优化设计，需要选择合理的悬置参数，比如悬置系统的安装角度、位置、阻尼和刚度等，降低整车自身的振动和噪声情况。在实际生产中，悬置厂商提供的悬置垫参数各有差异，很难从工艺上保证参数的精确程度。因此，需要考虑到汽车发动机悬置参数的不确定性，在悬置参数的优化设计中，需要利用稳健的思维进行稳健的优化设计，一方面需要保证悬置系统的最佳性能，当悬置参数产生变化的时候，悬置系统仍然具有最优点的可行稳健性，另一方面，所建立模型的目标函数变化的区间应该尽量的缩小，降低其灵敏度，使其具有不灵敏性，即目标函数的值因设计变量、设计参数等等变动而引起的变化，能够在一个相应的区间范围内，减小其变化范围。

2  灵敏度分析

汽车悬置系统的安装位置必须考虑以下几个因素：尽可能布置在发动机振动最小的位置即发动机的节点上;应布置在传递率最小的位置，即车身或车架的节点上，否则可能会使振动频率增加，放大激励;悬置布置点的刚度应非常高。另外，对于发动机的悬置系统，还有以下几点要求：①能够在不同的使用状况下，适应动、静载荷，使发动机产生的任何方向上的位移是在可接受的范围内，不与汽车其他零部件产生碰撞、摩擦。在对发动机进行大修时，零部件没有发生损坏。②能够减少发动机产生的振动对汽车整身的影响，降低噪声。③降低路面状况对发动机产生的振动影响，减少噪声。④保证发动机的连接，动力输出稳定。在实际的设计当中，要想同时满足上述因素和要求，基本是不可能的，因为汽车悬置的布置会受到安装时间和空间的制约。而且在设计和制造悬置系统时，会有一些不确定因素，比如刚度和阻尼会在一定范围内变化。所以，对悬置系统的灵敏度分析，还必须要考虑到悬置系统的布置位置、刚度和阻尼变化情况等，对悬置隔振性能的影响。

3  国内外研究现状

目前，人们对于汽车的悬置系统研究颇多，研究成果显著。随着当代社会的高速发展，科学技术的飞速进步，伴随着汽车需求的逐渐增加，人们对于汽车的要求和汽车的整体性能有了非常大的提高。对于汽车悬置系统的研究，有利于分析汽车的振动和噪音状况，减少汽车振动和噪音，提高汽车的整体性能，提高人们乘坐汽车的舒适度。几十年来国内外研究人员从不同方面对悬置系统进行了深入的理论和实践研究：

3.1 基于粒子群算法的发动机悬置系统稳健优化设计  采用粒子群算法，对发动机悬置系统进行了稳健优化，使发动机悬置系统的垂直耦合灵敏度和侧倾耦合灵敏度明显下降。粒子群算法能够有效应用与发动机悬置系统的稳健优化，能够准确找到解耦程度较高的设计方案，优化过程相对可靠，提高效率。

3.2 基于区间分析的发动机悬置系统稳健优化设计  通过运用区间分析理论，将发动机悬置系统稳健优化设计与多目标优化设计相结合，提高了汽车悬置系统优化结果的稳健性。

4  动力总成悬置系统振动解耦理论

动力总成的激励包括较低转速时的转矩波动激励，较高转速时的往复不平衡惯性力激励，还有路面不平、气流等激励。转矩波动激励是作用在发动机的曲轴方向，往复不平衡惯性力激励和路面不平、气流激励是作用在气缸中心线方向。最大限度的解除动力总成悬置系统振动耦合，使其具有良好的隔振效果，这是优化发动机悬置系统的最基本方法。发动机悬置系统的固有振动模态通常是在多个自由度方向上耦合的。无论在哪个方向激励，都会产生一定的耦合振动，从而使发动机悬置系统的共振频带变宽，增加共振的频率和持续时间。为了达到良好的隔振效果，有必要使用较软的安装元件。但是，这种做法很容易导致发动机动力总成与周围部件的相对位移过大，与周围部件发生碰撞摩擦，对整车的乘坐舒适性造成很大的损害，同时也会使悬置件产生较大的应变响应，故由于增加了应变响应，大大缩短了其使用寿命。因此，现代汽车发动机悬置的设计正朝着完全解耦或部分解耦的方向发展。由于完全解耦的困难，通常用于多个主振型的解耦。常用的解耦方法刚度矩阵解耦法、弹性中心法、能量解耦法等[1-2]。

5  运行模态研究

为了研究和优化动力总成悬置系统的静、动态特性，需要准确地确定悬置系统的模态参数。因此，快速、准确地识别刚体模态参数是一个重要环节。通过模态分析，可以得到动力总成悬置系统的动态特性参数，直接评价其动态性能，验证理论计算结果的准确性。根据参数辨识域的不同，运行模式可分为时域法、频域法以及时频域法。

5.1 频域法  频域法主要是看响应信号的频率值，常见的傅里叶变换即属于频域法，还包括频域分解法、峰值提取法、极大似然法、复模态指示函数法等。

5.2 时域法  时域法不需要将测得的响应信号转换为频域，而是直接在时域中识别包括时间信息在内的参数，并得到各时刻的模态参数。避免了数据转换引起的信号处理误差。时域方法包括时间序列、next法、随机减量法、分析法和随机子空间法[3-4]。

5.3 时频域法  时频域法，即是结合时域法和频域法，进行参数识别。对于实际响应信号的非平稳性，要求辨识方法应具备时频域的分析功能。信号的时频表示方法是针对频谱随时间变化的非确定性信号和非平稳随机信号发展起来的。此方法联合了谐波小波滤波、频谱校正技术、随机减量技术和希尔伯特变换，达到了预期的目的。

6  优化设计

基于灵敏度分析的优化方法是降低振动耦合度对悬置刚度参数的敏感性，提高系统的鲁棒性。利用遗传优化算法对发动机悬置系统进行了稳健优化设计[5-6]。

6.1 优化过程  ①连续变量优化设计。基于连续变量和参数进行优化设计，得到变量的优化结果。②结构优化设计。对于变量结构，将连续设计变量优化后，再相应得到合适的数值。结构取值后，能否达到设计要求标准是不确定的。③结构公差设计。尺寸可由标准公差系列和尺寸公差等级组成的标准公差系列确定。因此，大小是一个区间数，也就是说，设计变量是区间数。

6.2 结构稳健化设计策略  将不确定优化问题转化为确定性优化问题后，模型呈现出多目标、非线性的形式。罚函数法是将有约束优化转化为无约束优化的一种方法，简单有效;遗传算法是一种搜索效率高的随机搜索方法。为此，利用罚函数将约束优化问题转化为无约束优化问题，然后用遗传算法对优化问题进行分析。

6.3 遗传算法（GA）  遗传算法作为一种全局优化方法，由于对解空间进行编码操作，因此对于优化目标函数和约束函数的形式没有特别要求，并且优化结果不依赖于初始点的选取，其适用于多极值点的优化问题。

7  结束语

基于灵敏度分析发动机悬置系统的稳健优化设计研究，对汽车、船舶、飞机等以发动机为振源的工具来说，具有重要的研究价值和意义。目前的研究现状还缺少对于悬置系统解耦的优化和动力总成悬置系统解耦优化二者结合相关联的研究。而悬置系统的解耦和动力总成是影响发动机悬置系统设计优劣的重要指标。所以，对发动机悬置系统解耦和动力总成的研究，非常具有意义。在发动机悬置系统灵敏度研究的基础上，建立了发动机悬置系统模型，设计了鲁棒优化方案。将目标函数和约束函数对安装刚度的灵敏度作为附加目标函数，加入灵敏度约束，建立鲁棒优化设计模型。这种优化方法可以使约束函数和目标函数对设计参数的敏感性最小[7-8]。从解耦的角度，利用遗传优化算法對发动机悬置系统进行了优化设计。优化后，各自由度的能量耦合指数都有所提高，垂向耦合灵敏度和滚动耦合灵敏度明显降低。通过蒙特卡罗方法的分析得出，优化后的垂直方向和滚动方向的解耦程度分布合理，优化结果令人满意。

参考文献：

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[4]张慧杰，郝慧荣，郭志平.六自由度发动机悬置系统分析与优化设计[J].振动工程学报，2019，3（5）：25-26.

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