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汽车动力总成悬置系统性能研究综述

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 164次



摘要:汽车动力总成悬置系统设计的优劣程度与整车的振动水平密切相关,其作为整车研发的关键技术之一而被国内外汽车工业相关的研究机构所重视。最大限度地隔离发动机振动已成为当前汽车设计的重要课题。该综述讨论了目前汽车动力总成悬置系统的相关理论和相应研究方法,并提出研究中尚存的问题及展望。

关键词:动力总成;NVH;隔振;悬置系统

 

The summary of study on the performance of powertrain mounting system for Automobile

Hu Changzheng, Zhao Zhendong

(Nanjing Institute of Technology, School of Automobileand rail transit,Nanjing 211167)

Abstract: The design of automotive powertrain mounting system is closely related to the vibration level of the whole vehicle,which is one of the key technologies of vehicle research and development, and has been attached great importance by the major domestic and international automobile factories and related research institutions.The maximum separation of engine vibration has become an important issue in the current automotive design.This Summary discusses the current research situation of the vehicle powertrain mounting system performance and the theoretical and experimental research methods, and puts forward some problems in the research and the direction of future research.

Keywords:Power assembly; NVH; vibration isolation; rubber mounting system

 

1、引言

汽车动力总成悬置系统是指动力总成与车架/底盘之间的弹性连接系统,动力总成悬置系统作为汽车动力系统的一个重要子系统,它的研究涉及到发动机、离合器以及变速箱等[1]。其振动特性与整车的乘坐舒适性—NVH( Noise—噪声、Vibration—振动以及 Harshness—声振粗糙度) 特性密切相关[2]。早在二十世纪二十年代便开始了关于动力总成悬置系统的研究,随着工程技术的不断发展涌现出了多种研究方法,尤其是电子计算机及相应软件的出现更为这方面的研究提供了快捷的手段[3]

从整车系统的角度分析,激起汽车振动的振源主要是汽车行驶时的路面引起的随机激励和发动机工作时引起的振动激励。这两个振源产生的振动激励力通过悬置元件向车身(车架)传递。目前由路面引起的影响随着道路条件的改善和轿车悬架系统设计的完善而逐步减弱;

而发动机的质量却因为愈发强调的轻量化设计在整车中比重难以下降,导致其在整车振动中

的作用更加显著。发动机输出转矩的周期性波动和不平衡惯性力以及发动机工作时激起的动力总成本身的刚性和弹性振动,相互叠加后又会激起汽车动力传动系统和整车的各种复杂的振动[45]。这些混杂振动最终会引起车厢内的空气共振而产生的噪音,严重影响着整车NVH性能和及整车所含结构疲劳强度等问题。因此,最大限度的隔离动力总成工作时所产生的振动和噪是当前汽车减振降噪研究的重要议题之一。

2、动力总成悬置系统的理论基础

整车系统是由众多振动系统组成的具有质量、弹性和阻尼的复杂振动系统,每个子系统都有其各自的固有频率和振动特性[6]。汽车在行驶过程中,不可避免的会受到来自路面不平、车速变化、汽车转向、发动机振动、传动系统不平衡等外部和内部的振动激励,这些激励造成整车和局部的剧烈振动而影响汽车操纵稳定性和平顺性,严重时会损坏汽车零部件而降低汽车使用寿命。

2.1 发动机隔振设计要求

目前的汽车产品的设计正朝着高速、轻量的趋势发展,以此对发动机隔振性能提出更为严格的要求,在理想条件下,动力总成悬置系统应符合以下要求:固定发动机的安装位置,承受发动机的质量以及其工作时产生的惯性力及力矩;当动力总成在行驶时受到各种力的作用下(如加速、制动、转弯、减速等时产生的动载荷)的干扰时,总成的最大位移能够有效地通过悬置系统得到限制,保证发动机限定在一定的范围内运动以免产生较大的静态位移而影响发动机工作时的良好状态;隔离由发动机振动激励向车身传递,通过隔离此振动向车架的传递来提高整车的NVH性能,隔离由路面的不平顺产生由车架传递至发动机的振动来提高发动机的总体性能。

一般来说,动力总成在具有6 自由度的悬置系统空间内是耦合的,其任一方向上的激励通常都会引起多个其他总成方向上的振动耦合,因而使整个动力总成系统的共振频宽扩大。因此,要求选用的悬置元件刚度较小以达到更好的减振降噪效果,与此同时该方法又会使系统产生较大位移而发生运动干涉。因此,在进行悬置系统设计时,需要对各种因素及其影响进行详细分析来确定系统参数[7]

2.2动力总成悬置的隔振原理[8]

6自由度动力总成悬置系统是一个复杂的振动系统,动力总成通过悬置系统与副车架相连,副车架与汽车大梁直接刚性相连。现视发动机悬置系统为简单的单自由度振系,设发动机垂向激振力方程为,用表示为在激励力的作用下动力总成产生的垂向位移,则系统的动力微分方程:

     (1

发动机的垂向位移幅值

2      

传递力与激振力的振幅比为传递率,用表示,即:

   (3

式中:--弹簧刚度,--激振频率,--系统固有频率,--集中质量,--阻尼比,--粘性阻尼系数,--临界粘性阻尼系数,--频率比,

由上式推导可知,发动机隔振性能主要与的关系,因此在优化计算的过程中需选取合理的频率参数。

3、动力总成悬置系统的研究方法

3.1 解耦优化研究方法

一般设计与优化设计发动机总成悬置系统从以下几方面考虑:发动机总成悬置系统的解耦;发动机总成悬置系统固有频率的匹配;发动机总成悬置系统的振动力传递率或支承处的动反力最小。

3.1.1发动机总成悬置系统六自由度解耦或部分解耦[9-12]

1)撞击中心理论:若在车辆行驶时垂直激励不通过发动机中心,则将引起发动机垂直与俯仰振动,以及发动机垂直与倾覆振动耦合。当发动机刚体受到激励作用时,在发动机的阵型曲线上存在某一振动位移为零的点,称其撞击中心。应用撞击中心理论可将发动机的前悬置布置在激振作用平面内,后悬置布置在撞击中心处,可使前悬置受到干扰和冲击时,后悬置的位移为零。

2)弹性中心法:弹性中心取决于悬置元件的刚度及其几何设计位置,与动力总成的质量无关。弹性中心法正是通过发动机悬置系统主惯性轴为坐标系并巧妙的设计弹性中心位置,以达到系统的惯性解耦;通过悬置系统的弹性中心与发动机总成质心相重合来达到弹性解耦。消除系统的惯性与弹性的耦合可使得发动机的六个刚体模态的完全解耦。理论上,该方法是可行的,但实际的汽车产品研发过程中,发动机工作时主要激振力主要是垂直和扭转,并受到安装及工艺的约束很难做到悬置系统的弹性中心与动力总成系统的刚体质心重合。同时,也没用必要对动力总成系统的六个自由度完全解耦,只需在几个主要方向上的振动近似解耦就可以了。

3)刚度矩阵解耦法:动力总成悬置系统的刚体模态取决于动力总成悬置系统的质量矩阵M及其刚度矩阵K,其与动力总成悬置系统的解耦程度密切相关。以动力总成的主惯性轴作为坐标系,可知动力总成的的质量矩阵M是解耦的,若要消除动力总成悬置系统在主惯性轴坐标系中的六个刚体模态振动耦合,需满足动力总成悬置系统的刚度矩阵K也是对角矩阵。该方法基于振动学角度出发来分析消除动力总成悬置系统的振动耦合,针对性较强。总的来说。动力总成悬置系统的刚度矩阵可以通过对悬置元件的刚度参数、安装位置及安装角度进行优化设计尽可能的来消除动力总成悬置系统的振动耦合。

4)能量解耦法理论:对于形状不规则的动力总成,比较上述3种方法能量法则显示了其优越性。能量解耦即模态解耦,从能量角度来分析,若系统作用在坐标轴的任一方向上的激振力所做的功全部转化成系统在该方向上能量,则称系统在该坐标轴方向解耦。一般用解耦率来表示系统的解耦程度,在某阶频率下的模态能量占总能量的90%以上就表明该频率下的这个模态占主导地位,其解耦程度非常高。若各阶模态的解耦率均为100%,表明它们彼此独立,这样就可以将各阶模态当作单自由度系统来进行分析。

运用能量解耦法是在得到动力总成悬置系统的六个固有模态后,利用振型来得到悬置系统的能量分布,根据能量分布来判断汽车动力总成悬置系统是否解耦或解耦率,基本脱离了发动机类型及布置形式等具体特点的束缚且适用于复杂形状刚体,因具有普遍实用性而成为解耦设计的一种主要方法。

3.1.2系统固有频率的合理匹配[13]

当激励力频率与动力总成振动系统的固有频率相一致时,就会引发系统共振而使其振动更加剧烈,严重影响整车NVH性能。由于发动机的工作转速范围很宽,但可按发动机的工作特点将其工作转速范围由低到高大致分为几个区段:启动过程区、加速过渡区和常用工作转速区。在全部转速范围内车辆动力总成悬置系统不出现共振是不可能的。因此一般都尽可能地把动力总成悬置系统的六个固有频率安排在启动过程区间及常用工作转速区段。即便如此,也要合理配置各模态间的频率以避免产生不良后果。

固有频率的匹配研究方法的目的正是合理配置发动机总成悬置系统的固有频率,优化设计悬置的参数。该方法不涉及任何的响应计算,但要求合理安排系统的固有频率和保证系统的各振动模态尽量不耦合,从而使的系统容易避免产生共振。一般目标函数定义为:

 (4

式中:--目标函数;--性能变量的加权因子;--系统第固有频率;--设定的第个最优频率值

3.1.3系统振动力传递率或支撑动反力最小[14]

以系统的振动传递率或支承处的动反力最小为优化目标函数的方法是应用系统隔振性能计算的一种方法。而以系统的固有频率匹配为目标函数的方法,是针对系统频率的错开为目的一种方法。这两种方法最大差别在于引入了系统的隔振特性的计算。在发动机悬置系统设计中,必须做到最大限度降低振动的传递率来隔离发动机总成工作时产生的振动。由于振动传递率的大小是反映整个系统的隔振水平,因此对于发动机的整个工作频率范围,其振动传递率都应保持在一个很低的水平。同时作用在悬置元件上的力直接影响悬置元件的使用寿命,因此减小悬置处的动反力的大小尤为重要。

3.2传递路径分析方法[15]

对于复杂系统受到的多种振动源与噪声源的激励而言,每种激励均可以通过不同的路径,经过衰减后传递到不同响应点。为了有效到达减振降噪,通常采用一个或多个激励源的振动噪声能量通过T矢量叠加方法来对各传递路径进行预测和分析,因此传递路径分析方法(TPA—Transfer Path Analysis)也称叫矢量叠加法。

激励力如果直接作用在车身,再到车内声场的传递函数。传递路劲分析中首先需要明确激励点,这根据不同性质的问题而定。例如,车身问题只需要考虑底盘与车身耦合处的力激励;整车问题就需要考虑车轴处、发动机悬置减振器处、空气压缩机悬置减振器处、甚至活塞和气缸缸壁之间的力激励。明确所需分析系统的耦合点后,下面就需要估计耦合激励力和各种传递函数。

3.3实验研究方法[16]

在对动力总成悬置系统优化改进后,为验证理论分析的研究结果和评价隔振效果,需要进一步对汽车动力总成悬置系统进行实验研究,来验证所设计的正确性。

模态试验方法分为两种,主要是传统模态分析及运行模态分析,前者是建立在系统的输入与输出的数据均已知的基础上, 利用激励和响应的完整信息进行对参数的识别。后者是从振动响应信号中提取模态参数的一种技术,应用该方法,可在无法测量激励的情况下进行模态测试研究。

传递路径分析方法的相关内容在上节中已经有了介绍,而在此基础上的振动传递特性实验是为了验证动力总成悬置系统隔振性能优劣程度的实验。该方法通过测试悬置处的振动加速度以及对振动信号的频谱、相干性和传递特性的分析,研究影响该车动力总成振动传递特性的主要因素,并结合振动烈度试验了解动力总成在不同的悬置支撑下的振动特性和振动烈度等级,评价动力总成悬置系统性能的优劣,为后续的优化设计奠定基础。

4、问题与展望

汽车动力总成悬置系统是整车中复杂的子系统之一,国内外工程师对此进行了大量研究,很多研究成果都已很好应用在汽车产品开发中了,但还是要对几个方面的研究进行强调以便更好的致力于汽车工业的发展。

综合考虑汽车动力总成悬置系统可能受到的影响因素,如动力总成悬置系统自身工作时产生的激励、行驶时路面传来的激励以及各种激励的产生耦合问题;在分析汽车动力总成悬置系统时,还需放入整车模型中进行研究以便更加准确地评价所建立的模型的正确性;在对动力总成悬置系统进行理论分析时,尤其对于形状不规则的动力总成,尽量采用能量解耦法来进行分析,以发挥其优越性;在对汽车动力总成悬置系统进行实验研究时,需采用运行模态分析来研究激励耦合复杂工况以便获取相对准确的模态参数[17]

近年来,随着国内汽车产业的飞速发展,汽车已经不断普及到全国各个地区,众多汽车消费者已不仅仅只关注车辆的经济性和动力性,对于车座舒适性同样有着越来越高的要求,因此,对于整车舒适性有重要影响的动力总成悬置系统,关于它的研究早已被汽车工程师所关注,尤其对于目前国内从事悬置方面研究较少的形状,为提高国产汽车的竞争力,应进一步研究动力总成悬置技术,为国产车的发展提高技术支撑。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

 

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[16]曹数谦,张文德,萧龙翔.振动结构模态分析--理论、实验与应用[M].天津大学出版社.2014.

[17]李莹,王天利,孙晓帮.汽车动力总成橡胶悬置系统性能研究综述[J].农业装备与车辆工程, 2010NO.6:3-5.

 

第一作者:胡长征(1992.10-),男,江苏沭阳人,南京工程学院,在读硕士研究生,研究方向:车辆机械技术状况智能检测,

第二作者:赵振东(1974.12-),男,江苏靖江人,南京工程学院,教授,博士,研究方向:机械振动测试、信号处理、CAE仿真,

 

 

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