基于ADAMS的发动机悬置系统设计陈小平

基于ADAMS的发动机悬置系统设计陈小平

陈小平

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥230601

摘要：发动机悬置系统的动静态特性影响整车的行驶平顺性，因此对发动机动力总成的研究可以在一定程度上改善乘车的舒适性和行驶的平顺性；本文介绍系统动力学仿真分析软件ADAMS，并用一个工程实例，介绍ADAMS在其中的应用：建模，模态分析，频率分析，解耦水平分析、优化设计。

关键词：振动与渡；发动视总成；悬置系统；ADAMS；优化设计

随着汽车技术的日新月异，现代汽车设计向着小型化、经济化、轻量化方向发展，中高级以下轿车普遍采用发动机前置前轮驱动形式，汽车多使用铝制平衡性较差的四缸四冲程发动机。然而少缸、大功率发动机的应用，导致发动机振动激励增大；车身质量的减轻，又导致车体刚度的降低，因此由发动机传递至车身的振动加剧，车内的振动和噪声特性恶化。可见动力总成悬置系统的振动隔离特性对汽车的乘坐舒适性有着重要的影响。性能良好的动力总成悬置系统不但可以减少振动向车架的传递，降低车内噪声，提高乘坐舒适性，而且还可以更好地保护动力总成。

一、动力总成悬置系统的优化设计

1．解耦设计的研究。耦合是指两个或多个振动模态在某一振动模态下（或在某一广义坐标方向上）的振动输入，导致另一振动模态或是多个模态下（或另一广义坐标或多个广义坐标方向上）的响应，使耦合分离称为解耦。解耦的目的是使各个自由度上（即各振动模态）的振动相对独立或分离，这样可对隔振效果不佳的自由度独立采取措施而不影响其他自由度方向上的有关性能。当各自由度独立后，可能产生共振的频率比存在耦合时要小，特别在激振能量大的方向上要保证解耦。动力总成悬置系统动力学特性与发动机的质量、转动惯量及悬置系统的参数（支承位置、支承元件刚度及安装角度）有关。通常以动力总成悬置系统的中心主惯性轴为坐标系来布置弹性元件，使弹性支承的弹性中心位于悬置系统的主惯性轴上，消除弹性耦合，这样就可以使绕发动机曲轴的扭转振动与其他方向的振动解耦程度较高。

2.隔振设计的研究。汽车是由多个具有质量、弹性和阻尼系统组成的复杂结构。由于其各个组成部分的固有频率不同，汽车在行驶中常因路面不平，车速和行驶方向的变化，车轮、发动机动力总成、传动系统的不平衡等外部和内部的激励作用而产生整车和局部的强烈振动。发动机动力总成是汽车主要的振动源和噪

声源之一，设计性能良好的动力总成悬置系统减少动力总成振动向车体的传递，从而降低噪声、改善舒适性，这一直是汽车设计者所关心的重要课题；同时，合理设计发动机动力总成悬置系统，不但可以改善汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性和安全性，还可以延长发动机和其它部件的使用寿命。发动机悬置系统的设计是一个矛盾体，为抑制较低转速时不平衡倾覆转矩激起动力总成在共振频率附近较大振幅的振动，同时为了限制准静态载荷如加减速、制动、转弯以及不平路面冲击等载荷作用下动力总成的位移，要求悬置元件具有高刚度、大阻尼的特性；但是有效隔离高频段不平衡往复惯性力及力矩激起的振动，提高乘坐舒适性、降低噪声，又要求悬置元件又要具有低刚度、小阻尼的特性。因

二、ADAMS在发动机悬置系统设计中的工程应用

某客车采用直列四缸增压柴油机，发动机与副车架之间通过橡胶支承连接。在发动机怠速转速以及转速为1320r／min时，有较大的振动。因此需要对现有发动机悬置系统进行评价及改进。

1.在ADAMS／View中建立发动机悬置系统简化模型。由于在ADAMS中，我们把发动机总成看做刚体，因此只需要建立简化模型并输入质量以及惯量矩阵即可模拟发动机总成。每个悬置元件由三个相互垂直的线性弹簧代替。如图l所示。

2.在ADAMS／Vibration中进行模态分析。在ADAMS／Vibration中进行模态分析，得到了现有悬置系统的频率分布和能量分布百分比，如表1所示。

表中厂为模态频率，x、y、z分别为沿坐标轴x、y、z的平移振动，RXX、RYY、RZZ分别为绕坐标轴x、y、z的扭转振动。由表4可知，在第2阶模态中x与

RYY耦合；在第3阶模态中z与RXX耦合；在第4阶模态中z与RYY、RZZ耦合；在第5阶模态中Z与RXX、RZZ耦合；在第6阶模态中x与RXX、REY、RZZ耦合。因此，应该对该悬置系统进行解耦。发动机的主要激振力(力矩)为垂直方向和绕曲轴方向，所以我们主要目标是解除与垂向振动z、绕y轴转动RYY的耦合。

3.设计变量、设计约束和设计目标。发动机悬架系统的动态特性与发动机质量、转动惯量、支承位置参数、支承元件刚度、悬架系统安装角度有关。整个发动机本身的特性,通常不能加以修改和折旧的主要作用是减少共振峰,所以安装辅助位置、角度和刚度中止通常选取元素作为设计变量。在这个技术应用中，只选择刚度作为设计变量，因为已经确定了支架的位置和安装角度，由于存在4个悬浮元件，总共有12个设计变量。在设计发动机悬架系统时，对其施加的应力如下:(1)频率约束条件。由隔振理论可知，当系统固有频率小于激振频率在时才能达到隔振效果。因此悬置系统的固有频率要适当的控制在一定的频率范围内。该发动机怠速时的转速为660r／min，故发动机脉动主频率f=22Hz，发动机悬置系统的最高频率小于，即为15．6Hz。同时悬置系统过软会造成零部件之间有较大的相对位移，故最低频率应大于5Hz。本例中一阶模态频率低于5Hz，因此应该提高此频率。(2)刚度约束条件。考虑到悬置寿命和发动机总成在汽车运动时位移不能太大以及发动机总成相对车架位置，悬置元件的刚度有一定的范围。本例中，纵向(U向)60～180kN／m，横向(v向)80～240kN／m，竖向(W向)440—1000kN／m。

4.ADAMS/Insight模块的实验设计与优化。ADAMS/Insight是一个实验设计软件。虽然实验设计是一种传统的实验技术，但它也适用于虚拟实验。在ADAMS/Insight中，我们可以定义因素、响应、工作矩阵等。然后自动调用ADAMS/View进行多次测试，并记录系统性能参数。最后，使用ams/Insight统计工具分析测试结果可以帮助我们快速得出结论并确保其可靠性。如上所述，我们将影响因素定义为四个悬架的三向刚度，即总共12个悬架;为了研究这12个因素对安装系统性能的影响，响应定义为6种模式在6个方向和6个主频率上的能量分布，共42种。为了评估和分析模型的鲁棒性，进行了初步的周长试验。结果表明，该模型和各因素的值是合理的，模拟试验可以正确进行。既然这是一个多元分析和multiveréponse一个矩阵,建立了简化的设计,利用响应面法二阶和d的最优方法。分析和生产技术的响应曲面称为响应面方法。实验设计完成后，给出了分析结果的响应面，通常用数学公式表示。表面近似于目标值与设计变量之间的函数关系。由于数学公式的计算速度远远快于一套完整的优化模拟，因此可以快速获得优化分析的近似结果。响应的统计结果是在测试计划实施后得到的。(1)最小阶数1和阶数2的频率都小于5，必须加以限制;该顺序的其他四个主频率在允许的范围内，不能考虑在内。(2)各阶振动Y和RZZ可以分离。响应的和被调整到二次多项式。对R2和naaj2的值进行了测试，误差分析表明，所分析的响应面结果与实测值吻合良好，可用于优化分析。频率从5到15不等。对于振动Z和RYY的解耦，优化了4种悬架的12种刚度。此优化结果是在拟合的二阶响应面中优化得出的，因此应该将优化分析得到的设计变量值代入ADAMS／View的模型中进行验证。在限定刚度变化范围的条件下，经过优化，得到下述结果：一阶主频由4．559Hz上升到5Hz，频率分布满怒了要求。各阶次z向平移振动和绕Y轴的旋转振动之间的耦合程度降低。

发动机总成是汽车的一个重要振动噪声源，发动机悬置系统具有优良的隔振性能对汽车NVH具有很大的意义。本文应用一个工程实例，讲述了如何利用虚拟样机软件ADAMS来设计、优化悬置系统，为同类闻题介绍了一种思路。

参考文献：

［1］熊建．发动机悬置隔振性能及优化研究［D］．重庆：重庆大学，2017．

［2］李民．发动机悬置系统的优化设计［J］．汽车工程，2017．