CN107885895B - 一种动力总成悬置系统的优化方法及优化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机领域，提供一种动力总成悬置系统的优化方法及优化装置，该优化方法包括：建立动力总成悬置系统的空间六自由度振动模型的微分方程；根据微分方程对动力总成悬置系统进行能量解耦分析，获得固有频率、固有振型及六个自由度之间的振动耦合能量；根据微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置，并调整动力总成悬置系统的悬置刚度，使弹性轴位置和扭矩轴位置在三维空间上重合；根据固有频率、固有振型、振动耦合能量、弹性轴位置及扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数；以及采用优化算法执行多目标优化函数以对动力总成悬置系统进行优化设计。本发明有效解决了因优化解耦率而不能兼顾模态频率分布的问题。

Description

一种动力总成悬置系统的优化方法及优化装置

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别涉及一种动力总成悬置系统的优化方法及优化装置。

背景技术

悬置系统的设计是一项复杂的系统问题，涉及到设计输入参数的稳健性优化、悬置刚度及空间位置的限制、整车的振动声学特性等。目前，悬置系统优化方案一般基于能量解耦法，即将悬置的布置位置、悬置刚度作为设计变量，将解耦率作为首要优化目标，利用优化算法对悬置系统进行大量计算，以选出频率解耦较好的设计状态。

但是，现有的这种以解耦率作为首要优化目标的优化方法存在以下几个方面的缺陷：

1)现有方法将提高系统解耦率作为优化目标，不能兼顾动力总成模态频率分布的影响，而在工程应用中，模态频率分布对车辆NVH(Noise&Vibration&Harshness，噪声、振动及声振粗糙度)性能的影响是不可忽视的，甚至可能会占主导作用。

2)现有方法在进行悬置系统设计时，不能综合考虑悬置刚度变化对布置位置的影响，将悬置系统刚度匹配与位置匹配完全分离，从而增加了悬置系统选型设计要求，使系统前期开发周期延长，成本增加。

3)现有方法无法保证悬置系统的稳健性要求，需要对设计输入参数进行单独的稳健性分析及调试，使悬置系统开发周期延长，效率降低。

因此，现有的以解耦率作为首要优化目标的悬置系统优化方法存在因优化解耦率而不能兼顾模态频率分布的问题，以及存在成本高、稳健性差、效率低等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种动力总成悬置系统的优化方法，以解决现有方法因优化解耦率而不能兼顾模态频率分布的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种动力总成悬置系统的优化方法，包括：建立动力总成悬置系统的空间六自由度振动模型的微分方程；根据所述微分方程对动力总成悬置系统进行能量解耦分析，获得固有频率、固有振型及六个自由度之间的振动耦合能量；根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置，并调整动力总成悬置系统的悬置刚度，使所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合；根据所述固有频率、所述固有振型、所述振动耦合能量、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数；以及采用优化算法执行所述多目标优化函数以对动力总成悬置系统进行优化设计。

进一步的，所述微分方程为：

其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，x为广义坐标向量。

进一步的，所述根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置包括：

采用以下公式分别计算弹性轴位置X_EA(ω)及扭矩轴位置X_TRA(ω)：

X_EA(ω)＝[K]^-1f_TA；

其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，f_TA＝[0,0,0,0,1,0]^T为沿曲轴方向的单位扭矩激励向量，ω为动力总成悬置系统的激励频率。

进一步的，所述根据所述固有参数、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数包括：

建立所述多目标优化函数如下：

其中，

其中，Fre_i(i＝1,2,…6)为悬置系统各阶固有频率；L_i(i＝1,…,3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的距离；θ_i(i＝1,…,3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的夹角；S_i为各阶固有频率与目标频率的差值；T_i为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离；

为各视图投影下弹性轴与扭矩轴的夹角；Fre_li、Fre_ui分别为各阶固有频率的下限和上限；L_ui、θ_ui分别为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离上限值和夹角上限；ω₁、ω₂、ω₃分别为总的频率权系数、位置权系数和角度权系数；δ_i、ε_i、μ_i分别为各阶的固有频率权系数、各视图方向的位置权系数和角度权系数；X为各悬置的刚度和安装位置组成的设计变量，此设计变量{X}为：{X}＝{X₁,…X_i}＝{ku₁,kv₁,kw₁,x₁,y₁,z₁,α₁,β₁,γ₁,…ku_i,kv_i,kw_i,x_i,y_i,z_i,α_i,β_i,γ_i}(i≥3)；其中，ku_i,kv_i,kw_i为悬置在悬置坐标系下的各项刚度、x_i,y_i,z_i为悬置弹性中心点的坐标、α_i,β_i,γ_i为悬置坐标系与整车坐标系的夹角。

进一步的，所述多目标优化函数还包括有约束条件，所述约束条件包括以下至少一者：使动力总成垂向模态频率避开人体对座椅Z向敏感的频率范围，同时避开悬架传递过来的车轮跳动和车轮晃动；使动力总成各方向模态频率落在隔振区内；以及使动力总成各方向模态频率大于预设值。

相对于现有技术，本发明所述的动力总成悬置系统的优化方法具有以下优势：本发明的动力总成悬置系统的优化方法能够实现悬置系统主要自由度的完全的解耦，并使动力总成模态频率落在合理的预设区间，有效解决了因优化解耦率而不能兼顾模态频率分布的问题，并且可在悬置安装位置允许范围内，通过调整悬置刚度满足悬置系统布置位置要求，最大程度地借用原有安装位置及安装点，有效缩短开发周期并降低开发成本。此外，还能够提高悬置系统的稳健性，缩短设计参数稳健性分析及调试周期，提高效率。

本发明的另一目的在于提出一种动力总成悬置系统的优化装置，以解决现有方法因优化解耦率而不能兼顾模态频率分布的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种动力总成悬置系统的优化装置，包括：振动模型建立单元，用于建立动力总成悬置系统的空间六自由度振动模型的微分方程；能量解耦分析单元，用于根据所述微分方程对动力总成悬置系统进行能量解耦分析，获得固有频率、固有振型及六个自由度之间的振动耦合能量；轴位置计算单元，用于根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置，并调整动力总成悬置系统的悬置刚度，使所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合；目标函数建立单元，用于根据所述固有频率、所述固有振型、所述振动耦合能量、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数；以及优化执行单元，用于采用优化算法执行所述多目标优化函数以对动力总成悬置系统进行优化设计。

进一步的，所述微分方程为：

其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，x为广义坐标向量。

进一步的，所述轴位置计算单元包括：弹性轴位置计算模块，用于采用公式X_EA(ω)＝[K]^-1f_TA弹性轴位置X_EA(ω)；以及扭矩轴位置计算模块，用于采用公式

计算扭矩轴位置X_TRA(ω)；其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，f_TA＝[0,0,0,0,1,0]^T为沿曲轴方向的单位扭矩激励向量，ω为动力总成悬置系统的激励频率。

进一步的，所述目标函数建立单元根据所述固有参数、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数包括：

建立所述多目标优化函数如下：

其中，

其中，Fre_i(i＝1,2,…6)为悬置系统各阶固有频率；L_i(i＝1,…,3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的距离；θ_i(i＝1,…,3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的夹角；S_i为各阶固有频率与目标频率的差值；T_i为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离；

为各视图投影下弹性轴与扭矩轴的夹角；Fre_li、Fre_ui分别为各阶固有频率的下限和上限；L_ui、θ_ui分别为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离上限值和夹角上限；ω₁、ω₂、ω₃分别为总的频率权系数、位置权系数和角度权系数；β_i、ε_i、μ_i分别为各阶的固有频率权系数、各视图方向的位置权系数和角度权系数；X为各悬置的刚度和安装位置组成的设计变量，此设计变量{X}为：

{X}＝{X₁,…X_i}＝{ku₁,kv₁,kw₁,x₁,y₁,z₁,α₁,β₁,γ₁,…ku_i,kv_i,kw_i,x_i,y_i,z_i,α_i,β_i,γ_i}(i≥3)；其中，ku_i,kv_i,kw_i为悬置在悬置坐标系下的各项刚度、x_i,y_i,z_i为悬置弹性中心点的坐标、α_i,β_i,γ_i为悬置坐标系与整车坐标系的夹角。

进一步的，所述多目标优化函数还包括有约束条件，所述约束条件包括以下至少一者：使动力总成垂向模态频率避开人体对座椅Z向敏感的频率范围，同时避开悬架传递过来的车轮跳动和车轮晃动；使动力总成各方向模态频率落在隔振区内；以及使动力总成各方向模态频率大于预设值。

所述动力总成悬置系统的优化装置与上述动力总成悬置系统的优化方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一所述的动力总成悬置系统的优化方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一中采用遗传算法执行优化的流程示意图；

图3是本发明实施例二所述的动力总成悬置系统的优化装置的结构示意图；

图4是本发明实施例二中轴位置计算单元的结构示意图；

图5是采用本发明实施例的方案的设计示例中优化前扭矩轴和弹性轴在悬置系统的后视图中的位置的示意图；

图6是采用本发明实施例的方案的设计示例中优化后扭矩轴和弹性轴在悬置系统的后视图中的位置的示意图。

附图标记说明：

31-振动模型建立单元，32-能量解耦分析单元，33-轴位置计算单元，34-目标函数建立单元，35-优化执行单元，331-弹性轴位置计算模块，332-扭矩轴位置计算模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

实施例一

本发明实施例提供了一种动力总成悬置系统的优化方法，如图1所示，所述动力总成悬置系统的优化方法主要包括以下步骤：

步骤S11，建立动力总成悬置系统的空间六自由度振动模型的微分方程。

动力总成悬置系统的固有模态频率一般在20Hz以下，动力总成的最低阶弹性体模态频率一般在150Hz以上，从而可将动力总成和车身视为刚体，动力总成悬置系统简化为刚体六自由度振动系统。

据此，本实施例建立了针对刚体六自由度振动系统的动力总成质心坐标系，该坐标系中，X轴与发动机曲轴线平行并指向发动机前端，Z轴与气缸中轴线平行并垂直向上，Y轴可按右手定则确定。

进一步地，可定义本实施例的动力总成空间刚体的六个自由度为沿动力总成质心坐标系x、y、z轴3个方向的平动及绕x、y、z轴的转动θ_x、θ_y、θ_z，这六个自由度可分别定义为前后(Fore/Aft)、横向(Lateral)、垂向(Bounce)、横摇(Roll)、纵摇(Yaw)及俯仰(Pitch),其广义坐标的向量形式为[Q]^T＝[x y z θ_x θ_y θ_z]，从而利用拉格朗日方程可推导系统的振动微分方程为：

优选地，忽略怠速工况下悬置系统的阻尼影响，式(1)可写成：

式中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，x为广义坐标向量。

步骤S12，根据所述微分方程对动力总成悬置系统进行能量解耦分析，获得固有频率、固有振型及六个自由度之间的振动耦合能量。

动力总成六自由度之间的振动一般是耦合的，施加在动力总成上的激励会激起系统的多个模态，使发动机的振幅加大，共振频率带变宽。根据式(2)，利用动力总成质量、转动惯量、质心位置及悬置刚度参数，可求得系统模态频率ω_i(i＝1,…,6)及振型矩阵Φ，再用悬置系统在各阶振动时各自由度方向振动能量占该阶振动总能量的百分比作为系统模态解耦的评价指标，用矩阵形式表示，可得到悬置系统的能量分布矩阵。

具体地，悬置系统以第j阶模态频率振动时的最大能量为：

式中，φ_j为系统的第j阶主振型；(φ_j)_k为φ_j的第k个元素；m_kl为质量矩阵第k行、l列的元素。

悬置系统在以第j阶模态频率振动时，第k个广义坐标方向所占的能量百分比为：

此能量百分比的值越大，代表悬置系统的解耦程度就越高，有利于悬置系统获得良好的隔振性能。

步骤S13，根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置，并调整动力总成悬置系统的悬置刚度，使所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合。

其中扭矩轴(Torque-Roll-Axis)定义为当一扭矩作用在曲轴时，无约束刚体的实际旋转轴，扭矩轴的方向仅与动力总成的质量和惯性参数有关，而与悬置的安装位置和刚度无关。根据式(2)可求得沿曲轴方向作用一单位扭矩时，动力总成关于扭矩轴的响应为：

式中，f_TA＝[0,0,0,0,1,0]^T，为沿曲轴方向的单位扭矩激励向量。

其中，弹性轴(Elastic Axis)定义为当一扭矩作用在曲轴时，由悬置支承的无质量刚体的实际旋转轴，弹性轴的位置仅与悬置的位置、刚度和角度有关。根据式(2)可求得沿曲轴方向作用一单位扭矩时，无质量刚体关于弹性轴的响应为：

X_EA(ω)＝[K]^-1f_TA (6)

式(5)和式(6)中，ω为动力总成的激励频率。

由弹性轴及扭矩轴定义可知，由悬置支承的动力总成的实际运动响应与系统的质量矩阵和刚度矩阵有关，可表示为：

X(ω)＝[-ω²M+K]^-1f_TA (7)

由式(7)可知，在低频段，动力总成的运动响应主要受刚度影响，表现为绕弹性轴旋转；在高频段，动力总成的运动响应主要受频率影响，表现为绕扭矩轴旋转。

进一步地，当弹性轴与扭矩轴重合时，动力总成仅沿扭矩轴转动，可实现该方向与其他方向的完全解耦。因此，本方案在悬置安装位置允许范围内，通过调整悬置刚度，使悬置系统弹性轴与扭矩轴重合，可实现悬置系统主要自由度的完全解耦。需要说明的是，本实施例中弹性轴位置和所述扭矩轴位置是在三维空间上重合，不同于现有技术中仅在俯视图上重合的情形，这类仅在俯视图上重合的情形采用悬置弹性中心连线作为弹性轴，使弹性轴位置仅与悬置位置有关，不受悬置刚度影响，明显不同于本实施例中使弹性轴的位置仅与悬置的位置、刚度和角度有关的方案。

因此，本实施例使所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合，实现了悬置系统主要自由度的完全解耦。另外，所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合对悬置系统的稳健性也会产生积极影响。这是因为影响悬置系统稳健性的主要因素是悬置刚度会因生产、环境及老化等因素存在±15％的变化，这个变化可能导致悬置系统解耦率存在较大幅度的波动，而扭矩轴与弹性轴在三维空间上的重合，使得在悬置系统的设计初期可以保证悬置系统主自由度有最大程度的解耦，当悬置刚度在±15％的范围内变化时，弹性轴与扭矩轴夹角仍小于3°，悬置系统解耦率仍较高，可满足稳健性设计要求。

步骤S14，根据所述固有频率、所述固有振型、所述振动耦合能量、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数。

具体地，将解耦率和动力总成模态频率作为优化目标，可建立所述多目标优化函数如下：

其中，

其中，Fre_i(i＝1,2,…6)为悬置系统各阶固有频率；L_i(i＝1,…,3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的距离；θ_i(i＝1,…,3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的夹角；S_i为各阶固有频率与目标频率的差值；T_i为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离；

为各视图投影下弹性轴与扭矩轴的夹角；Fre_li、Fre_ui分别为各阶固有频率的下限和上限；L_ui、θ_ui分别为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离上限值和夹角上限；ω₁、ω₂、ω₃分别为总的频率权系数、位置权系数和角度权系数；δ_i、ε_i、μ_i分别为各阶的固有频率权系数、各视图方向的位置权系数和角度权系数；X为各悬置的刚度和安装位置组成的设计变量，此设计变量{X}为：

{X}＝{X₁,…X_i}＝{ku₁,kv₁,kw₁,x₁,y₁,z₁,α₁,β₁,γ₁,…ku_i,kv_i,kw_i,x_i,y_i,z_i,α_i,β_i,γ_i}(i≥3)。

其中，ku_i,kv_i,kw_i为悬置在悬置坐标系下的各项刚度、x_i,y_i,z_i为悬置弹性中心点的坐标、α_i,β_i,γ_i为悬置坐标系与整车坐标系的夹角。

进一步地，本实施例还为多目标优化函数设定了约束条件，所述约束条件包括以下至少一者：

1)使动力总成Bounce模态频率避开人体对座椅Z向敏感的频率范围，同时避开悬架传递过来的Hop&Tramp(即，车轮0°与180°相位的跳动)。

其中，动力总成Bounce模态频率优选为避开人体对座椅Z向敏感的频率范围4-7Hz。

2)使动力总成各方向模态频率落在隔振区内。

其中，使动力总成各方向模态频率应落在隔振区内包括：使动力总成各方向模态频率小于二阶激励频率的1.414倍，以四缸机为例，其中Bounce和Pitch方向模态频率可以小于二阶激励频率的二分之一，再以三缸机为例，其中Bounce和Pitch方向模态频率可以小于1.5阶激励频率的二分之一。更为优选地，对于四缸机，Bounce方向模态频率可以为8-10Hz，Pitch方向模态频率可以为10-12Hz。

3)使动力总成各方向模态频率大于预设值。

其中，所述预设值优选设定为5Hz，以满足整车操作的稳定性。

另外，还可以设定约束条件：使动力总成Roll、Yaw方向模态频率避开发动机怠速一阶激励频率。同时，为降低悬置系统支反力的传递，还可以约束动力总成悬置系统弹性轴与扭矩轴的夹角应小于3°，弹性轴应通过动力总成质心。

步骤S15，采用优化算法执行所述多目标优化函数以对动力总成悬置系统进行优化设计。

本实施例中，所述优化算法优选采用遗传算法。

在已知多目标优化函数及其约束条件的基础上，利用遗传算法进行目标优化的主要流程如图2所示，主要包括以下步骤：

步骤S21，随机产生优化目标的初始群体。

步骤S22，根据多目标优化函数计算初始群体中的个体适应度。

步骤S23，判断得到的个体适应度是否满足约束条件，若满足则停止优化，否则执行步骤S24。

步骤S24，执行遗传算法的选择算子。

步骤S25，执行遗传算法的交叉算子。

步骤S26，执行遗传算法的变异算子，形成新的群体。

步骤S27，判断形成的新的群体是否满足要求，若满足则输出该新的群体，否则返回至步骤S22中，重复上述步骤直到得到满意的输出为止。

通过遗传算法对悬置系统进行优化后，其模态频率分布更加有利于振动隔离，且可以给出满足动力总成模态频率分布合理的可行性方案，有效解决了因优化解耦率而不能兼顾模态频率分布的问题。

实施例二

基于与上述实施例一的动力总成悬置系统的优化装置相同的发明思路，本实施例给出了一种动力总成悬置系统的优化装置，如图3所示，所述动力总成悬置系统的优化装置包括：振动模型建立单元31，用于建立动力总成悬置系统的空间六自由度振动模型的微分方程；能量解耦分析单元32，用于根据所述微分方程对动力总成悬置系统进行能量解耦分析，获得固有频率、固有振型及六个自由度之间的振动耦合能量；轴位置计算单元33，用于根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置，并调整动力总成悬置系统的悬置刚度，使所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合；目标函数建立单元34，用于根据所述固有频率、所述固有振型、所述振动耦合能量、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数；以及优化执行单元35，用于采用优化算法执行所述多目标优化函数以对动力总成悬置系统进行优化设计。

其中，如图4所示，所述轴位置计算单元33可以包括：弹性轴位置计算模块331，用于采用公式X_EA(ω)＝[K]^-1f_TA弹性轴位置X_EA(ω)；以及扭矩轴位置计算模块332，用于采用公式

计算扭矩轴位置X_TRA(ω)。其中，轴位置计算单元33的计算是基于式(2)进行的，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，f_TA＝[0,0,0,0,1,0]^T为沿曲轴方向的单位扭矩激励向量，ω为动力总成悬置系统的激励频率。

本实施例的动力总成悬置系统的优化装置的实施细节可参考实施例一的动力总成悬置系统的优化方法，在此不再赘述。

上述实施例涉及的动力总成悬置系统的优化方法及装置能够实现悬置系统主要自由度的完全的解耦，并使动力总成模态频率落在合理的预设区间，有效解决了因优化解耦率而不能兼顾模态频率分布的问题，并且可在悬置安装位置允许范围内，通过调整悬置刚度满足悬置系统布置位置要求，最大程度地借用原有安装位置及安装点，有效缩短开发周期并降低开发成本。此外，还能够提高悬置系统的稳健性，缩短设计参数稳健性分析及调试周期，提高效率。

下面通过一个具体的实例来说明上述实施例涉及的动力总成悬置系统的优化方法及装置的技术方案的应用。

本设计实例中，一个三缸机动力总成质量为127.6kg，表1为该动力总成的转动惯量和惯性积，表2为优化前悬置系统在整车坐标系下的弹性中心坐标与动刚度。

表1动力总成的转动惯量和惯性积/kgm²

J<sub>xx</sub>	J<sub>yy</sub>	J<sub>zz</sub>	J<sub>xy</sub>	J<sub>yz</sub>	J<sub>zx</sub>
						8.9618	3.4649	8.6344	-1.3115	0.7561	-0.2563

表2优化前悬置系统弹性中心坐标与动刚度

优化前动力总成悬置系统的模态频率和能量分布如表3所示，虽然动力总成悬置系统各自由度的解耦率较高，但俯仰(Pitch)方向的模态频率为12Hz，高于怠速1.5阶激励频率的1/2，不利于衰减怠速振动。

表3优化前动力总成系统的模态频率和解耦率

	Fore/Aft	Lateral	Bounce	Roll	Pitch	Yaw
							频率	8.3	6.4	9.4	15.9	11.9	10.8
解耦率	94	97	97	96	97	92

图5示出了优化前扭矩轴和弹性轴在悬置系统的后视图中的位置，图中标记51为后悬置，标记52变送器悬置，标记53为发动机悬置，线54为左右悬置连线，线55为弹性轴，线56为扭矩轴。结合上述实施例一中对于步骤S13的相关描述，可知线55所示，现有技术中采用悬置弹性中心连线作为弹性轴，使弹性轴位置仅与悬置位置有关，不受悬置刚度影响，从而弹性轴位置与扭矩轴位置的重合也仅是在俯视图上的重合，而在图5所示出的后视图中则明显不重合。

进一步地，结合表1-表3及图5，可知优化前为变送器后动力总成悬置系统弹性轴与扭矩轴在后视图中夹角为3.8°，高于目标要求，且弹性轴未通过动力总成质心，因此需要对该悬置系统进行优化改进。

首先，利用Matlab软件中的遗传优化算法对该套悬置系统进行优化，将悬置系统弹性中心位置与悬置动刚度作为设计变量，通过优化设计变量参数，使匹配分析结果得到改善。表4为优化后悬置系统的弹性中心位置坐标与动刚度。

表4优化后悬置系统弹性中心坐标与动刚度

其次，根据上述步骤S12及步骤S13中涉及的能量解耦理论及扭矩轴-弹性轴理论，设计本次优化的目标函数，即合理的分配系统六自由度方向的模态频率、最大程度的提高六自由度方向的解耦率并尽量使扭矩轴与弹性轴重合。

最后，优化后，动力总成悬置系统Pitch方向模态频率降低1Hz，系统各方向的解耦率均高于95％，如表5所示。

表5优化后动力总成系统的模态频率和解耦率

	Fore/Aft	Lateral	Bounce	Roll	Pitch	Yaw
							频率	7.3	6.4	8.4	14.1	10.8	9.3
解耦率	95	95	97	96	99	95

另外，图6示出了优化后扭矩轴和弹性轴在悬置系统的后视图中的位置，各符号标记与图5一致，结合上述关于步骤S13的描述，基于式(2)，在曲轴上作用一单位扭矩，可求得动力总成刚体上的不动点坐标，而不动点坐标的连线即为悬置系统弹性轴，如图6中的线55所示。进一步地，如图6所示，优化为后动力总成悬置系统弹性轴与扭矩轴重合，即图中的线55和线56重合在一起，从而优化后悬置系统优化结果满足目标要求。

对本设计实例进行优化后，可进一步测试NTF，即将动力总成质心作为NTF的输入点，输出驾驶员右耳处的声压。对比优化前、后声压的变化量，可知优化后，驾驶员右耳处的声压在44Hz处降低4.5dB，在64Hz处降低3dB，改善效果明显。进一步地，对车辆怠速振动进行测试，结果如表6所示，测试结果及主观评价表明，车辆怠速振动问题改善明显。

表6优化后悬置振动数据

综上所述，应用上述实施例涉及的动力总成悬置系统的优化方法及装置能够实现同时满足动力总成悬置系统频率分布及模态解耦的优化要求，对NTF效果改善明显，能大幅度提高设计人员工作效率，对于指导车型开发有重大意义。

需说明的是，上述设计示例是以三缸机为例的，而上述实施例涉及的动力总成悬置系统的优化方法及装置对于四缸机等也能达到类似的效果，本发明并不限制于此。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动力总成悬置系统的优化方法，其特征在于，所述动力总成悬置系统的优化方法包括：

建立动力总成悬置系统的空间六自由度振动模型的微分方程；

根据所述微分方程对动力总成悬置系统进行能量解耦分析，获得固有频率、固有振型及六个自由度之间的振动耦合能量；

根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置，并调整动力总成悬置系统的悬置刚度，使所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合；

根据所述固有频率、所述固有振型、所述振动耦合能量、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数；以及

采用优化算法执行所述多目标优化函数以对动力总成悬置系统进行优化设计；

其中，建立所述多目标优化函数如下：

其中，

其中，Fre_i(i＝1，2，…6)为悬置系统各阶固有频率；L_i(i＝1，…，3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的距离；θ_i(i＝1，…，3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的夹角；S_i为各阶固有频率与目标频率的差值；T_i为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离；

为各视图投影下弹性轴与扭矩轴的夹角；Fre_li、Fre_ui分别为各阶固有频率的下限和上限；L_ui、θ_ui分别为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离上限值和夹角上限；ω₁、ω₂、ω₃分别为总的频率权系数、位置权系数和角度权系数；δ_i、ε_i、μ_i分别为各阶的固有频率权系数、各视图方向的位置权系数和角度权系数；X为各悬置的刚度和安装位置组成的设计变量，此设计变量{X}为：{X}＝{X₁，…X_i}＝{ku₁，kv₁，kw₁，x₁，y₁，z₁，α₁，β₁，γ₁，…ku_i，kv_i，kw_i，x_i，y_i，z_i，α_i，β_i，γ_i}(i≥3)；

其中，ku_i，kv_i，kw_i为悬置在悬置坐标系下的各项刚度、x_i，y_i，z_i为悬置弹性中心点的坐标、α_i，β_i，γ_i为悬置坐标系与整车坐标系的夹角。

2.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统的优化方法，其特征在于，所述微分方程为：

其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，x为广义坐标向量。

3.根据权利要求2所述的动力总成悬置系统的优化方法，其特征在于，所述根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置包括：

采用以下公式分别计算弹性轴位置X_EA(ω)及扭矩轴位置X_TRA(ω)：

X_EA(ω)＝[K]^-1f_TA；

其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，f_TA＝[0，0，0，0，1，0]^T为沿曲轴方向的单位扭矩激励向量，ω为动力总成的激励频率。

4.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统的优化方法，其特征在于，所述多目标优化函数还包括有约束条件，所述约束条件包括以下至少一者：

使动力总成垂向模态频率避开人体对座椅Z向敏感的频率范围，同时避开悬架传递过来的车轮跳动和车轮晃动；

使动力总成各方向模态频率落在隔振区内；以及

使动力总成各方向模态频率大于预设值。

5.一种动力总成悬置系统的优化装置，其特征在于，所述动力总成悬置系统的优化装置包括：

振动模型建立单元，用于建立动力总成悬置系统的空间六自由度振动模型的微分方程；

能量解耦分析单元，用于根据所述微分方程对动力总成悬置系统进行能量解耦分析，获得固有频率、固有振型及六个自由度之间的振动耦合能量；

轴位置计算单元，用于根据所述微分方程计算动力总成悬置系统的弹性轴位置和扭矩轴位置，并调整动力总成悬置系统的悬置刚度，使所述弹性轴位置和所述扭矩轴位置在三维空间上重合；

目标函数建立单元，用于根据所述固有频率、所述固有振型、所述振动耦合能量、所述弹性轴位置及所述扭矩轴位置建立动力总成悬置系统的多目标优化函数；以及

优化执行单元，用于采用优化算法执行所述多目标优化函数以对动力总成悬置系统进行优化设计；

其中，建立所述多目标优化函数如下：

其中，

其中，Fre_i(i＝1，2，…6)为悬置系统各阶固有频率；L_i(i＝1，…，3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的距离；θ_i(i＝1，…，3)为悬置系统弹性轴与扭矩轴在主视图、俯视图与侧视图方向上投影的夹角；S_i为各阶固有频率与目标频率的差值；T_i为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离；

为各视图投影下弹性轴与扭矩轴的夹角；Fre_li、Fre_ui分别为各阶固有频率的下限和上限；L_ui、θ_ui分别为各视图投影下，弹性轴与扭矩轴的距离上限值和夹角上限；ω₁、ω₂、ω₃分别为总的频率权系数、位置权系数和角度权系数；δ_i、ε_i、μ_i分别为各阶的固有频率权系数、各视图方向的位置权系数和角度权系数；X为各悬置的刚度和安装位置组成的设计变量，此设计变量{X}为：{X}＝{X₁，…X_i}＝{ku₁，kv₁，kw₁，x₁，y₁，z₁，α₁，β₁，γ₁，…ku_i，kv_i，kw_i，x_i，y_i，z_i，α_i，β_i，γ_i}(i≥3)；其中，ku_i，kv_i，kw_i为悬置在悬置坐标系下的各项刚度、x_i，y_i，z_i为悬置弹性中心点的坐标、α_i，β_i，γ_i为悬置坐标系与整车坐标系的夹角。

6.根据权利要求5所述的动力总成悬置系统的优化装置，其特征在于，所述微分方程为：

其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，x为广义坐标向量。

7.根据权利要求6所述的动力总成悬置系统的优化装置，其特征在于，所述轴位置计算单元包括：

弹性轴位置计算模块，用于采用公式X_EA(ω)＝[K]^-1f_TA弹性轴位置X_EA(ω)；以及

扭矩轴位置计算模块，用于采用公式

计算扭矩轴位置X_TRA(ω)；

其中，M为动力总成悬置系统的质量矩阵，K为动力总成悬置系统的刚度矩阵，f_TA＝[0，0，0，0，1，0]^T为沿曲轴方向的单位扭矩激励向量，ω为动力总成的激励频率。

8.根据权利要求5所述的动力总成悬置系统的优化装置，其特征在于，所述多目标优化函数还包括有约束条件，所述约束条件包括以下至少一者：

使动力总成垂向模态频率避开人体对座椅Z向敏感的频率范围，同时避开悬架传递过来的车轮跳动和车轮晃动；

使动力总成各方向模态频率落在隔振区内；以及

使动力总成各方向模态频率大于预设值。

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