CN110851910B - 一种发动机动力总成悬置系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发动机动力总成悬置系统优化方法。所述方法包括：建立发动机动力总成、悬置和车身耦合动力学模型；通过实验测量悬置点的导纳函数；计算所述振动微分方程中的质量矩阵和刚度矩阵；通过整车运行工况实验计算动力总成质心处的等效激励力；在频域求解所述振动微分方程得到稳态振动响应，进而推导动力总成悬置系统向车身传递功率的表达式；以所述功率最小为优化目标，以刚度为优化变量，以刚度限制和频率限制为约束条件对刚度进行优化。采用本发明所述优化方法可以使动力总成悬置系统向车身的传递功率在每个频率都有所下降。本发明与现有的解耦优化技术相比，考虑了车身弹性，解决了车身与动力总成的耦合振动问题。

Description

一种发动机动力总成悬置系统优化方法

技术领域

本发明属于汽车制造技术领域，具体涉及一种发动机动力总成悬置系统优化方法。

背景技术

随着汽车技术朝着轻量化方向发展，车身的刚度也在逐渐降低。中高档以下发动机多采用前置的四缸四冲程发动机，由于缸数少，发动机在运行过程中会产生较大的不平衡力和力矩，引发车身和发动机之间的耦合振动。悬置作为连接车身和发动机的重要部件，对于降低发动机到车身的振动传递起着重要的作用。

目前，在悬置优化的研究中，主要集中在基于系统解耦优化的研究和基于传递路径分析方法的研究。解耦优化方法能使系统在各个自由度方向解耦，理论上一个自由度上的激励只会在该自由度方向上产生响应，这对于控制振动噪声非常有利。但是，在解耦优化方法中，大部分情况下是基于动力总成系统六自由度刚体模型，车身被视为无限大刚体，忽略了车身与动力总成的耦合振动。然而，随着汽车向着轻量化的不断发展，车身的弹性更加不可忽视。另一方面，虽有部分研究逐渐考虑到车身弹性对其进行解耦优化，但是始终针对的是系统的固有特性，无法针对特定的激励力进行定量的优化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种三悬置发动机动力总成悬置系统优化方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种发动机动力总成悬置系统优化方法，包括：

步骤1，建立发动机动力总成、悬置和车身耦合动力学模型；

步骤2，通过实验测量悬置点的导纳函数，所述导纳函数为悬置点之间的作用力到悬置点的加速度的传递函数；

步骤3，基于所述动力学模型建立发动机动力总成悬置系统振动微分方程，并根据悬置点的导纳函数计算所述振动微分方程中的质量矩阵和刚度矩阵；

步骤4，通过整车运行工况实验计算动力总成质心处的等效激励力；

步骤5，基于质量矩阵、刚度矩阵和等效激励力，在频域求解所述振动微分方程得到稳态振动响应，进而推导动力总成悬置系统向车身传递功率的表达式；

步骤6，以动力总成悬置系统向车身传递功率最小为优化目标，以刚度为优化变量，以刚度限制和频率限制为约束条件，采用粒子群优化算法对刚度进行优化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过建立发动机动力总成、悬置和车身耦合动力学模型，由实验测量悬置点导纳函数，建立发动机动力总成悬置系统振动微分方程并计算所述振动微分方程中的质量矩阵和刚度矩阵，通过整车运行工况实验计算动力总成质心处的等效激励力，在频域求解所述振动微分方程得到稳态振动响应，进而推导动力总成悬置系统向车身传递功率的表达式，传递功率最小为优化目标，以刚度为优化变量，以刚度限制和频率限制为约束条件，对刚度进行优化，实现了发动机动力总成悬置系统的优化。本发明与现有的解耦优化技术相比，考虑了车身弹性，解决了车身与动力总成的耦合振动问题；本发明通过实验测量车身悬置点导纳函数，通过实验方法求解动力总成等效激励力，以动力总成悬置系统向车身传递的功率流最小为优化目标进行优化，可以使每个频率的传递功率都有所下降。

附图说明

图1为本发明实施例建立的发动机动力总成、悬置和车身耦合动力学模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例一种发动机动力总成悬置系统优化方法，包括以下步骤：

S101、建立发动机动力总成、悬置和车身耦合动力学模型；

S102、通过实验测量悬置点的导纳函数，所述导纳函数为悬置点之间的作用力到悬置点的加速度的传递函数；

S103、基于所述动力学模型建立发动机动力总成悬置系统振动微分方程，并根据悬置点的导纳函数计算所述振动微分方程中的质量矩阵和刚度矩阵；

S104、通过整车运行工况实验计算动力总成质心处的等效激励力；

S105、基于质量矩阵、刚度矩阵和等效激励力，在频域求解所述振动微分方程得到稳态振动响应，进而推导动力总成悬置系统向车身传递功率的表达式；

S106、以动力总成悬置系统向车身传递功率最小为优化目标，以刚度为优化变量，以刚度限制和频率限制为约束条件，采用粒子群优化算法对刚度进行优化。

在本实施例中，发动机动力总成悬置系统包括三部分：发动机(包括变速箱)动力总成部分，悬置部分，车身部分。在简化模型中，发动机动力总成被视为刚体；悬置包含3个悬置(左悬置、右悬置和后悬置)，在车身上的3个悬置点视为弹性点。本实施例通过建立发动机动力总成、悬置和车身耦合动力学模型，由实验测量悬置点导纳函数，建立并求解发动机动力总成悬置系统振动微分方程，得到了动力总成悬置系统向车身传递功率，最后以传递功率最小为优化目标，以刚度为优化变量，以刚度限制和频率限制为约束条件，采用粒子群优化算法对刚度进行优化，实现了发动机动力总成悬置系统的优化。本发明与现有的解耦优化技术相比，考虑了车身弹性，解决了车身与动力总成的耦合振动问题；本发明与通过实验测量车身悬置点导纳函数，通过实验方法求解动力总成等效激励力，以动力总成悬置系统向车身传递的功率流最小为优化目标进行优化，可以使每个频率的传递功率都有所下降。

作为一种可选实施例，所述S101具体包括：

建立发动机动力总成、悬置和车身耦合15个自由度动力学模型，包括：动力总成刚体的3个平动自由度和3个转动自由度，车身的3个弹性悬置点的3×3＝9个平动自由度。

作为一种可选实施例，所述S102具体包括：

拆除动力总成，在3个悬置点车身侧布置3个方向的加速度传感器，分别在每个悬置点3个方向施加激励力扫频信号，测量9个加速度信号，用测得的加速度信号除以激励力信号得到悬置点的导纳函数。

更进一步地，所述步骤3具体包括：

根据拉格朗日方法建立发动机动力总成悬置系统振动微分方程：

Mq″+Kq′＝F

其中，M为质量矩阵；K为刚度矩阵；

为位移矩阵，q₀＝(x₀,y₀,z₀,α₀,β₀,γ₀)^T，表示动力总成质心在整车坐标系O-xyz下6个自由度方向上的位移，q₁＝(u₁,v₁,w₁,u₂,v₂,w₂,u₃,v₃,w₃)^T，表示动力总成在车身上的3个悬置点在各自的局部坐标系O_i-u_iv_iw_i下9个自由度方向上的位移，i＝1,2,3，分别对应左悬置点、右悬置点和后悬置点；/>

为激励力矩阵，F₀为作用在动力总成质心上在整车坐标系O-xyz下的6自由度等效激励力矩阵，F₁为作用在3个悬置点上在各自的局部坐标系下的9自由度激励力矩阵。

通过计算动力总成动能得到质量矩阵M，通过计算车身部分的势能得到刚度矩阵K。

质量矩阵M为：

其中，m为动力总成质量，J为动力总成转动惯量，O_9×9为9×9阶0矩阵，对应3个悬置9个自由度的质量矩阵。

刚度矩阵K为：

其中，ω为固有角频率，H为导纳函数，T_i为第i个悬置的方向余弦矩阵，其表达式为：

/>

其中，α_1i、α_2i、α_3i分别为u_i轴正向与x轴、y轴、z轴正向的夹角，β_1i、β_2i、β_3i分别为v_i轴正向与x轴、y轴、z轴正向的夹角，γ_1i、γ_2i、γ_3i分别为w_i轴正向与x轴、y轴、z轴正向的夹角。

K_i为第i个悬置在O_i-u_iv_iw_i坐标系下的刚度系数矩阵，其表达式为：

其中，η为阻尼损失系数。

E_i为从O_i-u_iv_iw_i坐标系到O-xyz坐标系的位置变换矩阵，其表达式为：

作为一种可选实施例，所述S104具体包括：

将车身视为刚体，动力总成质心处的激励力为角频率为ω的正弦函数，发动机动力总成悬置系统简化为6个自由度，振动微分方程简化为：

M₀q″₀+Kq₀′＝F₀e^jωt

根据下式求动力总成质心处的位移Q₀(ω)：

U(ω)＝E_aQ₀(ω)

其中，U为3个悬置点在质心坐标系下的位移向量，U(ω)＝-A/ω²，A为悬置点的加速度，通过整车运行工况实验测量；E_a＝[E₁,E₂,E₃]^T，E_a不是方阵，采用它的最小二乘逆计算Q₀(ω)：

动力总成质心处的等效激励力F₀(ω)为：

作为一种可选实施例，所述S105具体包括：

在频域求解振动微分方程，得到稳态振动响应Q(ω)为：

3个悬置点的激励力F₁(ω)＝0，根据上式求出3个悬置点的稳态振动响应Q₁(ω)，进而求出3个悬置点的稳态速度响应V₁(ω)和悬置点处支反力的稳态响应F_1-1(ω)：

V₁(ω)＝jωQ₁(ω)

F_1-1(ω)＝-ω²H^-1Q₁(ω)

动力总成悬置系统向车身传递的功率P(ω)为：

其中，“*”表示求共轭。作为一种可选实施例，

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种发动机动力总成悬置系统优化方法，其特征在于，包括：

步骤1，建立发动机动力总成、悬置和车身耦合动力学模型；

步骤2，通过实验测量悬置点的导纳函数，所述导纳函数为悬置点之间的作用力到悬置点的加速度的传递函数；

步骤3，基于所述动力学模型建立发动机动力总成悬置系统振动微分方程，并根据悬置点的导纳函数计算所述振动微分方程中的质量矩阵和刚度矩阵；

步骤4，通过整车运行工况实验计算动力总成质心处的等效激励力；

步骤5，基于质量矩阵、刚度矩阵和等效激励力，在频域求解所述振动微分方程得到稳态振动响应，进而推导动力总成悬置系统向车身传递功率的表达式；

步骤6，以动力总成悬置系统向车身传递功率最小为优化目标，以刚度为优化变量，以刚度限制和频率限制为约束条件，采用粒子群优化算法对刚度进行优化；

所述步骤1具体包括：

建立发动机动力总成、悬置和车身耦合15个自由度动力学模型，包括：动力总成刚体的3个平动自由度和3个转动自由度，车身的3个弹性悬置点的3×3＝9个平动自由度；

所述步骤2具体包括：

拆除动力总成，在3个悬置点车身侧布置3个方向的加速度传感器，分别在每个悬置点3个方向施加激励力扫频信号，测量9个加速度信号，用测得的加速度信号除以激励力信号得到悬置点的导纳函数；

所述步骤3具体包括：

根据拉格朗日方法建立发动机动力总成悬置系统振动微分方程：

Mq″+Kq′＝F

其中，M为质量矩阵；K为刚度矩阵；

为位移矩阵，q₀＝(x₀,y₀,z₀,α₀,β₀,γ₀)^T，表示动力总成质心在整车坐标系O-xyz下6个自由度方向上的位移，q₁＝(u₁,v₁,w₁,u₂,v₂,w₂,u₃,v₃,w₃)^T，表示动力总成在车身上的3个悬置点在各自的局部坐标系O_i-u_iv_iw_i下9个自由度方向上的位移，i＝1,2,3，分别对应左悬置点、右悬置点和后悬置点；/>

为激励力矩阵，F₀为作用在动力总成质心上在整车坐标系O-xyz下的6自由度等效激励力矩阵，F₁为作用在3个悬置点上在各自的局部坐标系下的9自由度激励力矩阵；

通过计算动力总成动能得到质量矩阵M，通过计算车身部分的势能得到刚度矩阵K；

质量矩阵M为：

/>

其中，m为动力总成质量，J为动力总成转动惯量，O_9×9为9×9阶0矩阵，对应3个悬置9个自由度的质量矩阵；

刚度矩阵K为：

其中，ω为角频率，H为导纳函数，T_i为第i个悬置的方向余弦矩阵，其表达式为：

其中，α_1i、α_2i、α_3i分别为u_i轴正向与x轴、y轴、z轴正向的夹角，β_1i、β_2i、β_3i分别为v_i轴正向与x轴、y轴、z轴正向的夹角，γ_1i、γ_2i、γ_3i分别为w_i轴正向与x轴、y轴、z轴正向的夹角；

K_i为第i个悬置在O_i-u_iv_iw_i坐标系下的刚度系数矩阵，其表达式为：

其中，η为阻尼损失系数；

E_i为从O_i-u_iv_iw_i坐标系到O-xyz坐标系的位置变换矩阵，其表达式为：

2.根据权利要求1所述的发动机动力总成悬置系统优化方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

将车身视为刚体，动力总成质心处的激励力为角频率为ω的正弦函数，发动机动力总成悬置系统简化为6个自由度，振动微分方程简化为：

M₀q″₀+Kq′₀＝F₀e^jωt

根据下式求动力总成质心处的位移Q₀(ω)：

U(ω)＝E_aQ₀(ω)

其中，U为3个悬置点在质心坐标系下的位移向量，U(ω)＝-A/ω²，A为悬置点的加速度，通过整车运行工况实验测量；E_a＝[E₁,E₂,E₃]^T，E_a不是方阵，采用它的最小二乘逆计算Q₀(ω)：

/>

动力总成质心处的等效激励力F₀(ω)为：

3.根据权利要求2所述的发动机动力总成悬置系统优化方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

在频域求解振动微分方程，得到稳态振动响应Q(ω)为：

3个悬置点的激励力F₁(ω)＝0，根据上式求出3个悬置点的稳态振动响应Q₁(ω)，进而求出3个悬置点的稳态速度响应V₁(ω)和悬置点处支反力的稳态响应F_1-1(ω)：

V₁(ω)＝jωQ₁(ω)

F_1-1(ω)＝-ω²H^-1Q₁(ω)

动力总成悬置系统向车身传递的功率P(ω)为：

其中，“*”表示求共轭。

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