基于ADAMS的发动机悬置系统设计

基于ADAMS的发动机悬置系统设计

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；本文分析了ADAMS的发动机悬置系统设计。

关键词：振动与渡；发动视总成；悬置系统；ADAMS；优化设计

随着汽车技术的快速发展，现代汽车设计正朝着微型化、经济化和轻型化的方向发展。然而，使用小缸数和大功率发动机会增加发动机振动的激励增大;车身质量的降低反过来又会导致车身刚度的降低，从而导致从发动机传递到车身的振动增加，以及车辆内部振动和噪声特性的恶化。传动系可见悬挂系统的隔振特性对车辆的舒适性有重要影响。可见动力总成悬置系统不仅可以减少底盘的振动传递，降低车内噪声，提高行驶舒适性，而且可以更好地保护传动系。

一、动力总成悬置系统的优化设计

1．解耦设计的研究。两个或两个以上的振动模式的振动输入在一定的振动模式下(或在某一广义坐标方向)是耦合,导致另一个振动的响应模式或多个模式(或在另一个广义坐标方向或在多个广义坐标方向),和耦合分离称为分离。解耦的目的是使每个自由度的振动(即,每个振动模式)相对独立或分离,这样的措施可以采取独立的自由度隔振效果较差,而不影响其他方向的相关性能的自由度。当各自由度相互独立时，谐振频率可能小于存在耦合时，特别是在高激发能方向，以确保解耦。动力总成悬置系统的动态特性与发动机质量、惯性矩、悬置系统参数(支承位置、支承单元刚度、安装角)有关。通常,中心的主惯性轴动力总成悬置系统作为坐标系统安排弹性元素,所以弹性支承的弹性中心位于主惯性轴悬挂系统,消除弹性耦合,因此发动机曲轴的扭转振动和其他方向的振动解耦程度较高。条件下的车辆安排,然而,完全解耦的悬架系统是一个复杂的过程,因此,通常实际上只要在主振动力量(曲轴惯性力矩的方向,旋转离心力和曲轴的转矩,活塞连杆和路面不平度引起的垂直方向不平衡惯性力)方向满足要求的解耦。

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。因其各种成分的自然频率的不同,车辆往往受制于对整车振动剧烈和不规则的轴承,造成当地车辆方向和速度的变化,失衡的车轮、发动机在动力总成、传动系统和其他外部和内部激励。传动系是车辆振动和噪声的主要来源

其中一个噪声源是设计良好的传动系悬架系统，以减少振动从传动系传递到车身，从而降低噪声和提高舒适性，一直是汽车设计人员关注的重要问题。同时，良好的传动系悬架设计不仅可以提高汽车的行驶舒适性、操纵稳定性和安全性，还可以延长发动机等部件的使用寿命。系统的设计是为了抑制发动机低转速扭矩翻转传动系统的失衡引发的振动幅度近共振频率,以限制行使准静态载荷,比如刹车和加速或减速,转弯和表面冲击载荷作用下的位移传动系统、高刚度、阻尼元件的要求;但有效隔离振动失衡所引起的惯性力和力矩的高频段中,位移以及提高舒适度和一个降噪要求暂停元素特点是低刚度和小阻尼。因此，研究人员通过合理设计悬架元件，使其动态特性接近最佳阻尼，满足了对传动系隔振性能的各种要求。从传统的橡胶悬浮液到液压悬浮液，再到目前的磁流变悬置元件。悬架部件和电磁阻尼器的设计是为了满足现代车辆对低振动和低噪声的要求。

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．