123 基于Virtual.lab的动力总成悬置系统建模研究(1)

基于基于 V Virtual labirtual lab 的的动力总成动力总成悬置悬置系统系统建建 模模研究研究 李林 史利芳 朱明超 欧阳旭 隆鑫通用动力股份有限公司 重庆 400052 摘要摘要 针对工程中某三轮车动力总成悬置系统建模的问题 采用 VIRTUAL LAB 软件的 motion 模块对该 悬置系统进行六自由度 十五自由度两种不同的模型建模方式 计算其模态频率和解耦率 然后在实车状 态下进行整车和进排气 传动轴与动力总成断开两种情况的悬置系统刚体模态试验 得到的试验模态与仿 真进行对比 仿真与试验结果表明 在整车与动力总成质量相差十倍以上时 六自由度模型与十五自由度 模型的差异不明显 本文为悬置系统的建模方式提供了一种研究方法 关键词关键词 动力总成 悬置系统 六自由度 十五自由度 VIRTUAL LAB Modeling Research of Powertrain Mounting System Based on Virtual lab Software Li Lin Shi Lifang Zhu Mingchao Ouyang Xu Loncin MotorCo Ltd Chongqing China Abstract For a modeling problem of one tricycle PT mount system building two kind of model for the mount system that one contains 6DoFs and another contains 15DoFs then compute the modal frequency of the two models And do rigid modal experiments in whole vehicle and PT disconnected with Intakes exhaust and driveline conditions to get experimental modal frequency of the mount system Use Virtual lab to build models and compute their modal frequency The simulation and experiment results show that 6DoFs model is similar with 15DoFs model when the mass of vehicle is 10 or more times of powertrain s this paper provide a research method for modeling of mount system Keywords powertrain mount system 6DoFs 15DoFs VIRTUAL LAB 1 1 引言引言 三轮车构造简单 价格低廉 操作简便 停放时占地面积小 能够载人载货 对于农民 和城乡用户是一种经济方便的运输工具 发动机是三轮车的动力来源 也是最主要的振动和噪声源 其激振力包括燃烧冲击力和 曲柄连杆机构的不平衡力 发动机与变速箱连在一起 安装在动力总成托架上 组成了动力 总成 所以隔振和防冲击不仅仅是发动机的问题 而是整个动力总成的问题 将动力总成与 车架刚性连接 发动机的振动将会完全传递到车架上 对于用户的驾乘体验以及整车上各关 键连接处的疲劳 耐久都有不良的影响 因此 通常情况下 动力总成通过悬置系统与车架 进行连接 在保证悬置寿命的情况下 尽可能减小从发动机传递到车架上的振动激励 要得 到良好的减振效果 需要悬置具有 低频大刚度大阻尼 高频小刚度小阻尼 的特性 但在 实际工程应用中 基于经济因素 制造工艺的考量 多采用橡胶材质的悬置 2 2 动力动力总成托架总成托架结构结构 动力总成主要由发动机 变速箱 动力总成托架组成 发动机采用纵置安装 动力总成 的结构和坐标系如图 1 所示 标有坐标轴的为发动机 通过万向节与发动机连接的为变速 箱 黑色的框架为动力总成托架 托架四个角为悬置安装位置 图 1 动力总成结构图 3 3 动力动力总成建模总成建模 针对悬置系统 运用牛顿第二定律建立运动微分方程并求解可以得到悬置在各个方向的 解耦率以及模态频率 选择悬置质心的移动坐标为 和 转动坐标为 和 为 Fore Aft 的位移 为 lateral 的位移 为 bounce 的位移 为 roll 的转角 为 pitch 的转角 为 yaw 的转角 悬置系统的运动微分方程为 1 2 3 4 5 xz c yz c zz c z 6 式中 动力总成的质量 是系统的转动惯量 和 表示 和 y和 z分别是 作用在质心x y和z方向的总力 x y和 z分别是作用在质心x y和z方向的力矩之 和 方程 1 3 可以写成矩阵的形式为 7 式中 M和K分别是系统的质量矩阵和刚度矩阵 是刚度的坐标矢量 是力的矩 阵 将上式转换到频域内 并且不考虑外力作用 2 0 8 式 8 将用作模态分析 得到系统各个模态下的频率和振型 这也将是模态解耦和优 化设计的基础 1 根据动力总成的结构以及其布置在整车上的形式 建立六自由度 十五自由度两种模型 两个模型使用相同的输入参数 包括动力总成的质心位置 转动惯量 质量以及悬置的安装 位置等 悬置的刚度曲线由悬置实物测试得出 阻尼值由经验数据设置为 3 2 10 ks为悬置三向静刚度值 3 3 1 1 六自由度六自由度模型模型 六自由度模型可以看作动力总成通过悬置连接在大地上 可以等价为四个弹簧 阻尼系 统并联在一起 进一步简化为单个弹簧 阻尼系统 等效刚度为四个弹簧并联 等效阻尼等 于四个阻尼并联 等效模型如图 2 所示 图 2 六自由度模型等效模型 故在 Virtual lab 中 需要在 PT 和 Ground 两个 body 之间建立 bushing 连接 该模型 的自由度为动力总成 Fore Aft Lateral Bounce Roll Pitch Yaw 六个自由度 动力 总成质量为 70kg 六自由度 motion 模型如图 3 所示 图 3 六自由度 motion 模型 3 3 2 2 十五十五自由度模型自由度模型 十五自由度模型为动力总成通过悬置与车架连接 车架通过悬挂与车轮连接 车轮直接 与大地相连 整个模型相当于三个弹簧 阻尼系统串联 其等效模型如图 4 所示 图 4 十五自由度等效模型 上图 m1 m2 m3 分别为动力总成 车架 轮胎的质量 k1 c1 为悬置系统的等效刚度 和阻尼 k2 c2 为悬架的等效刚度和阻尼 k3 c3 为轮胎的等效刚度和阻尼 十五自由度 模型的自由度包括 动力总成六个自由度 车身六个自由度和每个车轮一个 z 向自由度 前 轮的前倾角为 20 车架质量取为 800kg 十五自由度 motion 模型如图 5 所示 图 5 十五自由度 motion 模型 3 33 3 模态模态分析分析 通过 Virtual lab 软件中的线性化工具计算两种模型悬置系统的模态频率和各向解耦 率 动力总成六自由度模型的模态分析结果分别如表 1 所示 表 1 动力总成 6DoFs 模型分析结果 Freq Hz X Y Z Roll Pitch Yaw 9 5 90 6 0 7 2 0 0 2 2 18 2 8 7 0 2 80 3 0 10 8 0 12 8 0 2 69 6 0 15 4 1 7 3 1 26 2 0 1 10 1 9 8 14 2 65 8 0 20 6 0 16 5 3 0 5 5 1 9 73 1 47 7 0 2 7 0 15 0 0 3 82 6DoFs 15DoFs 模型分析结果对比如表 2 所示 表 2 6DoFs 15DoFs 模型分析结果对比 MODE SHAPE 6DoFs 15DoFs Difference X 9 5 10 2 6 9 Y 18 2 18 5 1 6 Z 12 8 13 4 4 5 ROLL 26 2 26 6 1 5 PITCH 20 6 21 1 2 4 YAW 47 7 47 7 0 0 由上表可知 六自由度和十五自由度模型的 CAE 分析结果差异不大 频率差 10 因 为动力总成和整车的质量相差在 1 个数量级 且轮胎的刚度相对悬置较大 车身可看作与大 地固连 车架可视为与六自由度模型中的大地作用相当 3 4 4 4 动力动力总成刚体模态试验总成刚体模态试验 4 4 1 1 模态试验模态试验 使用 LMS Test Lab 对动力总成在整车状态下进行刚体模态试验 得到的测试结果可 用于 motion 模型的标定 动力总成刚体模态试验测点如图 6 所示 图 6 动力总成刚体模态试验测点 使用 LMS Test Lab 对测试得到的数据进行处理 可以得到动力总成的刚体模态试验 结果 测试结果如表 3 所示 表 3 动力总成刚体模态测试结果 PT RB Mode Whole vehicle Hz PT disconnected with Intakes exhaust and driveline Hz Difference Hz X 11 17 21 03 9 86 Y 17 47 17 77 0 3 Z 20 93 19 34 1 59 RX 38 51 35 41 3 1 RY 27 23 28 31 1 08 RZ 46 63 47 06 0 43 4 24 2 结果分析结果分析 悬置系统的动力学模型可简化为 m c k 模型 如图 7 所示 图 7 动力总成悬置简化模型 M m 为车架 动力总成的质量 k2 k1 为悬架 悬置的刚度 c2 c1 为悬架 悬置的 阻尼 有阻尼固有频率 d 0 2 2 o k m c 2m 得系统微分方程 0 0 1 2 1 2 0 0 解得特征值向量为 k 特征值取决于k 和 的比值 因为在十五自由度模型中 从悬置来看 悬架与悬置可看 作并联 其刚度主要受悬置刚度的影响 当整车与动力总成质量相差在 10 倍以上时 悬置 的模态频率不会受到较大的影响 4 5 5 结论结论 本文利用仿真与试验相结合的方法 建立悬置系统六自由度和十五自由度两种模型 分 析两种建模方式的差异 然后用模态试验的方法对仿真模型进行验证 本文指出在工程中悬 置系统的建模过程中 当车架质量在动力总成质量 10 倍以上时 悬置六自由度模型与十五 自由度模型无明显差别 均可正常使用 具有