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1、燃机研究所硕士研究生学位论文动力总成悬置系统振动灵敏度分析与优化设计作者：夏永文指导老师：袁卫平 叶怀汉专 业：动力机械及工程选题时间：2011年4月燃机研究所研究生学位论文原创性声明本人重声明：本论文是在导师的指导下独立进行的研究工作所取得的成果。除文中已注明的引用的容外，不包括任何未加注明的个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：燃机研究所 学位论文使用授权书本人完全了解燃机研究所关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意按照要求提交学位论文的印刷本和电子版
2、，研究所有权保存学位论文印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；研究所有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的借阅服务；研究所有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 ，在 年解密后适时用于授权书。本学位论文属于 不 。（请在以上方框打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期：摘 要随着汽车技术的发展，发动机引起的振动问题日益突出，人们对悬置的设计与优化越来越重视。悬置设计的优劣将直接影响到动力总成系统的振动特性，影响相关零部件的使用寿命。通过悬置设计优化提高隔振性能及稳健性已越来越受重视。本文通过阅读大量的文献，介绍了国外
3、悬置系统的研究概况，分析了悬置元件与悬置系统设计的一些基本设计要求和设计准则。建立动力总成悬置系统的六自由度动力学模型，运用MATLAB对某客车悬置系统进行模态计算分析。并运用直接求导法与正交试验法计算悬置系统解耦率对刚度及位置的灵敏度，分析各悬置的刚度误差对系统的实际解耦率的影响，指出现有系统解耦率较低的原因并为优化指明方向。在解耦率对刚度的灵敏度分析的基础上，选择合适的变量，以悬置系统的解耦率为目标函数，运用罚函数对目标函数关于刚度的灵敏度进行约束，综合考虑频率的合理分布，通过遗传算法对动力总成系统悬置刚度进行优化计算。关键词：动力总成，悬置，解耦率，灵敏度，遗传算法ABSTRACTWit
4、h the developing of science and technology, people begin to pay more attention to the design and optimize of mount system for the vibration problem rising by engine. The quantity of the design will affect the vibration of the mount system and the life of the relative parts. Improving the vibration i
5、solation and robustness through optimization has been focused by people.Through extensive reading of literatures，this paper gives a summary of the researches of mount system in and abroad，analyzes the basic design requirement and the design criteria of mount system. The dynamics model of engine-moun
6、t system has been established and analyzed, which has been analyzed by using Matlab. The reasons of bad decoupling rate and the ways to optimization are illustrated in this paper due to the following two processes. The first is to calculate the sensitivity of stiffness and position of mounts on the
7、decoupling rate of engine-mount system in derivation method and orthogonal test method. The second is to analyze the decoupling rate of engine-mount system affected by the deviation of stiffness, find the factor which impacting decoupling rate of engine-mount system.Based on the analyses of the sens
8、itivity of decoupling rate on mounts stiffness, penalty function is used to restrain the sensitivity of target function on mounts stiffness by considering the decoupling rate of mounts as target function and choosing an appropriate variable. Then taking an appropriate frequency distribution into acc
9、ount, the stiffness of power train engine-mount system is optimized in Multi-Island Genetic Algorithm method.KEYWORD：power train，mount，decoupling rate，sensitivity，Genetic Algorithms目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 动力总成悬置系统国外研究进展11.2.1 悬置元件的发展状况11.2.2 悬置系统优化设计理论发展状况41.3 课题来源及研究容51.4 本章小结6第二章 动力总成悬置系统模型建立72.1
10、发动机激励分析72.1.1 单缸发动机的激励力分析72.1.2 单缸发动机的气体压力分析82.1.3 六缸机激励分析92.1.4 动力总成激励频率分析102.2动力总成悬置系统模型的建立112.2.1 悬置系统建模理论112.2.1 动力总成悬置系统的动能132.2.2 动力总成悬置系统的势能152.2.3 动力总成悬置系统的耗散能分析172.2.4 动力总成悬置系统数学模型172.3 本章小结18第三章 动力总成悬置系统固有特性计算193.1动力总成悬置系统参数193.1.1 动力总成质量参数193.1.2 悬置参数203.2发动机总成悬置系统固有特性计算213.2.1 发动机总成悬置系统的
11、固有频率计算213.2.2 发动机总成悬置系统的能量解耦223.2.3 现有动力总成悬置系统的固有特性计算243.3本章小结26第四章 动力总成悬置系统灵敏度分析274.1 灵敏度分析的理论基础274.1.1 解耦率一阶灵敏度计算274.1.2 基于正交实验灵敏度计算304.2 现有悬置系统参数一阶灵敏度分析304.2.1 解耦率一阶灵敏度计算流程304.2.2 现有悬置系统解耦率一阶灵敏度分析334.3 基于正交试验的灵敏度分析374.4 试验分析394.4.1测点布置及试验工况394.4.2隔振率测试与分析41第五章 动力总成悬置系统优化435.1 优化设计变量435.2 优化设计目标函数
12、435.2.1 能量解耦率目标函数445.3 优化设计约束条件455.3.1 频率约束455.3.2对刚度灵敏度约束465.4 GA优化及求解47第六章 总结与展望546.1 总结546.2 展望54参考文献56致 59第一章 绪 论1.1 研究背景在世博和世博运营期间，对混合动力客车悬置系统进行测试，发现不同客车的悬置安装位置、刚度及悬置的变形量存在着一定的差异性。初步判断悬置的刚度、位置对动力总成悬置系统特性影响较大。故本文仅从悬置系统出发，对动力总成悬置系统特性对悬置刚度、位置的灵敏度进行分析研究。汽车悬置元件作为发动机与车身底盘弹性连接的重要部件，对动力总成系统的振动特性有着很大的影响
13、。然而由于制造、安装及运行过程中其他一些因素造成悬置刚度及位置偏差是不可避免的。故人们在提高解耦率、减小动反力的同时，应重视悬置系统振动性能对刚度、位置等因素的灵敏度问题，一方面有助确定悬置刚度的变化围和位置安装的误差限，另一方面有助于确定优化方向并避免由于悬置刚度、位置误差导致实际系统特性与期望值差异较大。1.2 动力总成悬置系统国外研究进展1.2.1 悬置元件的发展状况在汽车发展的早期，发动机是直接通过螺栓连接到车架上去的。所以没有动力总成悬置元件这个概念。因此，发动机的振动直接传到车架上，车架的变形和振动也直接传回发动机上，从而常常导致曲轴箱和支架的损坏。人们开始采用皮革、布垫来连接动力
14、总成与车架。二十世纪二十年代，橡胶开始成为悬置元件的主要材料，但当时其主要目的是为了防止曲轴箱的损坏，而不是隔离发动机振动向车架的传递。随着四缸发动机的广泛应用，其强烈的二阶不平衡惯性力加剧了动力总成的振动水平，这对整车乘坐舒适性的影响日益突出。世界各大汽车制造厂家开始关注动力总成的减振降噪问题。上世纪三十年代，人们开始使用橡胶作为动力总成和车架的连接件，由于橡胶有一定的弹性和阻尼，所以是一种很好的隔振材料。目前使用的橡胶悬置大多是把橡胶硫化到金属骨架上，使悬置元件结合了金属和橡胶各自的优点。下面是一种比较典型的橡胶悬置及简图，如图1-1所示。 （a）橡胶悬置 （b）简单橡胶悬置弹簧-阻尼模型 图1-1 橡胶悬置及简图 Fig.1-1 Rubber mount and Schematic Diagram橡胶悬置由于工艺简单、性能可靠、使用和维修方便等优点，现在大部分汽车上仍然使用橡胶悬置。理想的发动机悬置元件应满足多方面的要求。不仅要使发动机的振动尽可能少的向车体传递，还必须对汽车在道路行驶中产生的扰动有很好的响应特性。例如，在汽车遇到加减速、制动、转向等非稳态干扰时，对悬置要求有较大的动刚度和阻尼；在发动机高转速运行时，又需要悬置具有较低的动刚度。而普通的橡胶悬置元件的振动阻尼偏小，不
