某叉车动力总成悬置系统优化设计

周峻

文章中的某叉车动力总成悬置系统配备的是一款三缸发动机，因发动机振动激励主要为1阶不平衡往复惯性力矩和1.5阶燃烧激励，以致发动机怠速激励频率较低，另因初始设计动力总成悬置系统设计不合理，导致整车在怠速工况振动异常剧烈。现动力总成减振垫选型已经确定，悬置刚度不能作为优化变量，只能通过优化悬置安装位置和角度，使得悬置系统的刚体模态频率分布合理，并且绕发动机曲轴方向模态能量解耦率提高到90%以上。本文采用遗传算法得到优化结果，经仿真验证悬置系统绕发动机曲轴方向振动传递率降低明显，此优化可作为设计方案实施。

国内自主品牌小吨位叉车动力总成采用软连接设计方案的不多，通常采用的是动力总成与前桥刚性连接，这样会导致发动机振动直接由前桥传递到车身，使得整车振动较大，在怠速工况附近尤其剧烈。安徽合力股份有限公司推出的G2系列软连接叉车，采用全悬浮的动力总成悬置系统，使得整车振动得到根本性改善，减振效果不逊色于国外进口品牌叉车。随着发动机排放标准升级，动力总成选配三缸发动机成为热门课题，然而通常情况下三缸发动机振动比较剧烈，若仅将原先动力总成悬置系统的四缸发动机切换成三缸发动机，而悬置系统参数（悬置位置、角度和刚度）没有变化，可能会导致整车振动变大，因此优化设计三缸发动机的动力总成悬置系统成为设计难点。文中设计的某叉车动力总成悬置系统为三缸发动机匹配液力软连接变速箱的四点悬置，悬置包括发动机左右减振垫、变速箱左右减振垫，因减振垫是借用先前设计，其刚度不能作为优化设计变量，优化变量只能是悬置安装位置和角度，针对三缸发动机振动特点，优化目标选为绕发动机曲轴方向的模态能量解耦率，同时选取六个方向刚体模态频率合理分布区间为约束条件。

本文首先介绍动力总成悬置系统的理论模型和能量法解耦原理，然后利用MATLAB软件编制程序求解悬置系统六个刚体模态和六个方向模态能量分布，再通过Altair HylmrStudy软件集成MATLAB来优化设计悬置位置和安装角度，最后通过模态叠加法仿真对比悬置系统优化前后在上下方向和绕曲轴转动方向的振动传递率，仿真结果可证明优化设计方案有效、可靠。

一、动力总成悬N系统理论模型

动力总成悬置系统的力学模型可以简化为：发动机和变速箱总成通过具有空间三维方向的弹性橡胶悬置支撑在车架上，且具有六个方向的自由度。系统的曲轴坐标系可定义为：动力总成的坐标原点选在总成质心处，X轴为曲轴的轴线并指向发动机前端，Z轴与气缸轴线平行并向上为正，指向发动机缸盖，Y轴方向按右手定则确定。对于动力总成悬置系统力学模型可建立无阻尼自由振动方程：

三、动力总成悬置系统优化模型

文中优化算法选择HyperStudy软件中的遗传算法，可在整个设计空间内进行全局探索和优化，优化设计变量为发动机减振垫和变速箱减振垫安装位置，以及发动机减振垫采用V型支撑的倾斜角度，优化目标函数为绕X方向（发动机曲轴方向）能量百分比最大，表1给出动力总成悬置系统刚体模态频率设计区间以及能量百分比的设计要求，作为优化模型的约束条件。

四、优化结果

初始设计时发动机支脚和变速箱支脚均采用水平支撑方式，悬置系统为四点悬置，发动机左右支脚基本对称布置在发动机曲轴两侧，变速箱左右支脚未按曲轴方向对称布置，动力总成悬置系统三维布置如图1所示。在以动力总成質心为原点的曲轴坐标系下，动力总成的惯性参数、悬置位置参数和刚度参数分别为表2～4所示。

由公式1～3可以得出的初始设计悬置系统6个刚体模态频率和能量分布如表5所示。

就模态能量解耦而言，发动机的激励主要来源于Z方向和绕X方向，应使这两方向耦合尽可能少，在原始设计的悬置系统中，Z方向的能量百分比为97.4%，解耦程度比较高，而绕X方向的能量百分比仅为73.7%，与沿Y方向和绕Z方向耦合比较严重，需要优化提高到90%以上。

因此本文通过遗传算法对悬置系统进行优化，优化目标为绕X方向的能量百分比提高到90%以上，同时降低Z方向和绕X方向的模态频率，提高Y方向的模态频率，使得模态频率和能量分布遵循表1设计要求。优化设计变量为四个悬置减振垫安装位置，考虑到变速箱支脚由平支撑改为V型支撑难度比较大，故仅将发动机支脚设计成V型支撑，优化后悬置系统模态频率和能量分布如表6所示。

由表6知，优化后Z方向和绕X方向的模态频率均有所降低，有利于动力总成系统隔振，Y方向模态频率提高到8.5Hz，有利于控制发动机刚启动时抖动，同时绕X方向与其他方向的耦合程度明显降低，模态能量分布提高到91.6%，此外其他方向模态能量均有所提高，均满足表1中的设计要求。优化后发动机V型支撑的倾斜角度为30°，悬置新位置参数如表7所示。

五、优化前后振动传递率仿真

本文取6阶刚体模态阻尼比均为0.2，分别通过模态叠加法计算动力总成悬置系统优化前后绕X方向的振动传递率和Z方向的振动传递率如图2～3所示。endprint