基于NSGA-II的纯电动汽车悬置系统隔振率优化

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.11.015

摘要/Abstract

摘要：

纯电动汽车的振动特性与传统内燃机汽车存在较大差异，本文针对纯电动汽车悬置隔振率不足的问题，提出了一种适用于悬置系统隔振率优化的研究方法。分析悬置系统各方向隔振率以及影响悬置隔振率的主要因素，确定了后悬置隔振率作为优化对象，提出通过优化悬置被动侧支架安装点动刚度来提升隔振率。采用第二代非劣排序遗传多目标寻优算法，以隔振率最优、质量比变化最小为寻优目标，对支架安装点动刚度目标值进行寻优，根据寻优结果对被动侧支架结构进行调整。试验结果表明，优化后的后悬置Y向隔振率从5.61提升至18.13 dB，驾驶员右耳旁噪声在24、48阶次下降9.76和5.03 dB（A），驾驶舒适性有明显改善。

关键词: 纯电动汽车, 悬置系统, 隔振率, 多目标寻优

Abstract:

The vibration characteristics of pure electric vehicles differ significantly from traditional internal combustion engine vehicles. In this paper， a research method suitable for optimizing the vibration isolation rate of mounting systems is proposed to address the insufficient vibration isolation rate of pure electric vehicle suspension. The vibration isolation rate in all directions of the engine mounting system and main factors affecting the vibration isolation rate of the engine suspension are analyzed. The vibration isolation rate of the rear suspension is defined as the optimization object， and the method of optimizing the jog stiffness of the passive side bracket installation of the suspension is proposed to improve the vibration isolation rate. Taking the optimal isolation rate and minimum mass ratio change as the optimization objectives， and using the NSGA-II multi-objective optimization algorithm， the target value of the jog stiffness of the passive side bracket installation is optimized， and the passive side bracket structure is adjusted according to the optimization results. The test results show that the optimized rear suspension Y-direction vibration isolation rate increase from 5.61 to 18.13 dB， and the driver's right side-ear noise decreases by 9.76 and 5.03 dB（A） in the 24th and 48th orders， indicating a significant improvement in driving comfort.

Key words: pure electric vehicle, powertrain mounting system, vibration isolation rate, multi-objective optimization

查云飞,郑利渊,邱胤原,陈越. 基于NSGA-II的纯电动汽车悬置系统隔振率优化[J]. 汽车工程, 2024, 46(11): 2091-2099.

Yunfei Zha,Liyuan Zheng,Yinyuan Qiu,Yue Chen. Optimization of Vibration Isolation Rate of Pure Electric Vehicle Mounting System Based on NSGA-II[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(11): 2091-2099.

图/表 18

表1

表2

表3

图1

图2

图3

图4

图5

表4

图6

表5

图7

图8

图9

表6

表7

图10

图11

参考文献 29

1	王东亮，杜遥，孙玉华，等. 轻型商用车动力总成悬置系统隔振优化研究［J］. 噪声与振动控制， 2022， 42（4）： 208-213.
	WANG D L， DU Y， SUN Y H， et al. Vibration isolation optimization of light commercial vehicle powertrain mounting system［J］. Nosie and Vibration Control， 2022， 42（4）： 208-213.
2	刘春梅，黄德惠，郑成，等. 动力总成悬置系统的可靠设计［J］. 中国机械工程， 2020， 31（21）： 2529-2534.
	LIU C M， HUANG D H， ZHENG C， et al. Reliable design of PMSs［J］. China Mechanical Engineering， 2020， 31（21）： 2529-2534.
3	NITHIN S K， HEMANTH K， SHAMANTH V. A review on combustion and vibration condition monitoring of IC engine［J］. Materials Today： Proceedings， 2020， 45： 65-70.
4	ZHOU H， LIU H， PU G， et al. Optimization design and performance analysis of vehicle powertrain mounting system［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2018， 31： 1-13.
5	潘公宇，付博文，王功强，等. 基于TPA和遗传算法的动力总成悬置系统优化设计［J］. 振动与冲击， 2021， 40（14）： 279-286.
	PAN G Y， FU B W， WANG G Q， et al. Optimization design of a powertrain mount-system based on the TPA and genetic algorithm［J］. Journal of Vibration and Shock， 2021， 40（14）： 279-286.
6	胡金芳，高东阳，朱冬东. 非线性影响下悬置系统模态分析及解耦度计算方法研究［J］. 汽车工程， 2019， 41（5）： 556-563.
	HU J F， GAO D Y， ZHU D D. A research on modal analysis and decoupling-degree calculation methodsof mounting system under the influence of nonlinearity［J］. Automotive Engineering， 2019， 41（5）： 556-563.
7	VOPAŘIL J， PROKOP A， ŘEHÁK K. Influence of a powertrain mounting method on powertrain vibration［C］. 2020 19th International Conference on Mechatronics-Mechatronika （ME）. IEEE， 2020： 1-7.
8	CAI B H， SHANGGUAN W B， LYU H. An efficient analysis and optimization method for the powertrain mounting system with hybrid random and interval uncertainties［J］. Engineering Optimization， 2020， 52（9）：1522-1541.
9	HAZRA S， REDDY J K. A review paper on recent research of noise and vibration in electric vehicle powertrain mounting system［J］. SAE International Journal of Vehicle Dynamics， Stability， and NVH， 2021， 6（10-06-01-0001）： 3-22.
10	HAZRA S， REDDY J K. Design optimization of engine mounting system for a modular electric vehicle platform with different powertrain characteristics［C］. Journal of Physics： Conference Series. IOP Publishing， 2022， 2198（1）： 012014.
11	TSONGAS K， TZETZIS D， MANSOUR G. Mechanical and vibration isolation behaviour of acrylonitrile-butadiene rubber/multi-walled carbon nanotube composite machine mounts［J］. Plastics， Rubber and Composites， 2017， 46（10）： 458-468.
12	SHANGGUAN W B， LIU X A， LV Z P， et al. Design method of automotive powertrain mounting system based on vibration and noise limitations of vehicle level［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2016， 76： 677-695.
13	HAZRA S. Engine mounting system design approach for electric vehicles［C］. SAE Paper 2019-26-0116.
14	ZHANG J Q， LIU X A. Research on high-frequency dynamic models of rubber mounts with second-stage isolation［C］. SAE Paper 2022-01-0617.
15	郭一鸣，吴钟恺，上官文斌. 衬套型橡胶悬置结构形状的优化方法［J］. 振动与冲击， 2022， 41（5）： 55-59，82.
	GUO Y M， WU Z K， SHANGGUAN W B. Optimization method of structure shape of bushing rubber mount［J］. Journal of Vibration and Shock， 2022， 41（5）： 55-59，82.
16	吕辉，赵嘉伟，毛海宽，等. 考虑概率参数相关性的电动车悬置系统分析［J］. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2022， 50（3）： 65-72.
	LYU H， ZHAO J W， MAO H K， et al. Analysis of the powertrain mount system of electric vehicles by considering the correlation of probabilistic parameters［J］. Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）， 2022， 50（3）： 65-72.
17	李胜，胡金蕊，王建鑫，等. 动力总成悬置系统全局稳健设计方法［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2020， 50（6）： 1967-1973.
	LI S， HU J R， WANG J X， et al. Global robust design method of powertrain mounting system［J］. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2020， 50（6）： 1967-1973.
18	范让林，徐春野，吴列，等. 电动汽车橡胶悬置高频动特性试验［J］. 振动. 测试与诊断， 2023， 43（1）： 126-131，202.
	FAN R L， XU C Y， WU L， et al. High⁃frequency dynamics experiment of rubber mount for electric vehicles［J］. Journal of Vibration， Measurement & Diagnosis， 2023， 43（1）： 126-131，202.
19	HANG W， LING Z， LI Y N. Optimization design and analysis of automobile powertrain mount system［C］. SAE Paper 2020-01-0407.
20	CAI B H， SHANGGUAN W B， LYU H. An efficient analysis and optimization method for powertrain mounting systems involving interval uncertainty［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2020， 234（5）： 1318-1329.
21	LYU H， YANG K， HUANG X T， et al. Uncertainty and correlation propagation analysis of powertrain mounting systems based on multi-ellipsoid convex model［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2022， 173： 109058.
22	周子琨，夏二立，陈梓铭，等. 考虑被动侧动刚度的动力总成悬置传递率优化［J］. 噪声与振动控制， 2020， 40（1）： 74-79.
	ZHOU Z K， XIA E L， CHEN Z M， et al. Vibration transmissibility optimization of powertrain mounts considering passive-side dynamic stiffness［J］. Nosie and Vibration Control， 2020， 40（1）： 74-79.
23	李汶哲，毛海宽，吕辉. 电动车动力总成悬置系统的可靠性分析方法［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2023， 50（4）： 55-64.
	LI W Z， MAO H K， LYU H. A reliability analysis method for powertrain mounting systems of electric vehicles［J］. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2023， 50（4）： 55-64.
24	庞剑. 汽车车身噪声与振动控制［M］. 北京：机械工业出版社，2015.
	PANG J. NVH control of automobile body［M］. Beijing： China Machine Press， 2015.
25	张赣波，赵耀. 反共振双层隔振系统分析［J］. 振动与冲击， 2022， 41（15）： 29-35，70.
	ZHANG G B， ZHAO Y. Analysis of anti-resonant two-stage isolation system［J］. Journal of Vibration and Shock， 2022， 41（15）： 29-35，70.
26	TRUONG N H， DAO D N. New hybrid approach HNSGA-III&SPEA/R： application to optimization of powertrain mount system stiffness parameters［J］. Journal of Low Frequency Noise， Vibration and Active Control， 2021， 40（4）： 1976-1992.
27	YAO J C， FARD M， DAVY J L， et al. The prediction of vehicle vibration transmitted to the occupant using a modular transfer matrix［J］. Journal of Vibration and Control， 2022， 28（13-14）： 1698-1711.
28	ŠVEC J G， GRANQVIST S. Tutorial and guidelines on measurement of sound pressure level in voice and speech［J］. Journal of Speech， Language， and Hearing Research， 2018， 61（3）： 441-461.
29	兰华. 永磁同步电机的电磁力波与电磁振动研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

参数		数值
质量/kg		87
质心坐标/mm		2 877.18，-2.426，37.963
软垫弹性中心坐标/mm	左	2 728.68，-330，63.857
	右	2 728.68，330，63.857
	后	3 171，-30.926，-95
极/槽数		4极/48槽
转动惯量/（kg·m²）		I_xx	I_yy	I_zz	I_xy	I_yz	I_zx
转动惯量/（kg·m²）		2.04	1.32	2.41	0.2	-0.3	-0.05

项目	X	Y	Z	R_xx	R_yy	R_zz
刚体模态/Hz	15.00	11.44	28.25	55.84	49.03	32.23
X	99.73	0.02	0.02	0.00	0.00	0.23
Y	0.02	99.84	0.00	0.01	0.00	0.12
Z	0.00	0.00	93.69	0.91	2.79	2.60
R_xx	0.00	0.01	1.61	95.92	2.45	0.00
R_yy	0.03	0.00	3.07	3.23	90.98	2.69
R_zz	0.22	0.12	1.61	-0.07	3.77	94.36

序号	隔振率差值/dB	质量比差值	被动侧动刚度/（N·mm^-1）	隔振率/dB
1	0.01	0.46	12 192	18.99
2	0.03	0.39	12 027	18.87
3	0.03	0.41	12 166	18.97
4	0.41	0.32	11 515	18.49
5	2.25	0.15	9 418.75	16.75

项目	X	Y	Z	R_xx	R_yy	R_zz
刚体模态/Hz	15.94	14.77	28.01	57.68	50.11	33.04
X	99.21	0.00	0.65	0.02	0.06	0.07
Y	0.00	99.90	0.00	0.03	0.00	0.13
Z	0.68	0.00	98.44	0.59	0.29	0.00
R_xx	0.00	0.03	0.35	93.75	5.82	0.05
R_yy	0.04	0.00	0.57	5.55	93.84	0.00
R_zz	0.07	0.08	0.00	0.06	-0.01	99.81

方向	优化前加速度		优化后加速度
方向	主动侧	被动侧	主动侧	被动侧
X	2.12	0.29	2.12	0.29
Y	2.50	1.34	2.50	0.31
Z	2.00	0.16	2.00	0.16