汽车动力总成的设计与试验

汽车动力总成隔振设计与试验评价 翁建生 南京航空航天大学, 车辆工程系 摘要：汽车动力总成的隔振设计是提高汽车 能的重要方面。本文系统地论述了汽车动力总成隔振设计方法、试验与评价方法。这些方法对汽车动力总成隔振设计有参考价值。 关键词：动力总成悬置 ，优化设计，鲁棒性、转动惯量 汽车动力总成隔振（悬置）系统通常由发动机与变速箱和几个用来联接到车架或车身的悬置构成，它的作用一方面支撑动力总成质量，另一方面是降低动力总成和车架之间振动的双向传递，起到隔振减振的效果。 近年来，随着汽车工业的飞速发展，汽车设计有两个趋势，一是向经济化，轻型化方向发展，汽车的整体质量减轻，发动机总成质量占汽车整天质量比重越来越大；二是使用大功率发动机，使得发动机不平衡力矩变大，传递到车架和车身上的振动也就变大，两点因素导致车内振动噪声状况恶化。通过改善和优化发动机悬置性能能够经济有效的解决上面所遇到的问题，所以动力总成悬置系统的设计是汽车 计中一个重要组成部分。 1、汽车动力总成隔振系统的力学模型 统的固有频率，解耦度，动反力 当不考虑阻尼和外力作用时,可得动力总成悬置系统六自由度固有特性分析方程： 0q+=&1 2 上述方程可得动力总成悬置系统的固有频率主振型 k 阶固有频率振动时，第 i 个广义坐标分配到的能量占系统总能量的百分比（解耦度）为： 616611()()( , ) 100%()()ij k i k k i k k =系统第 i 个悬置动反力随频率的响应： ( ) ( ) ( ) 汽车动力总成隔振系统的设计方法 汽车发动机作为振源，主要有不平衡惯性力和力矩。汽车动力总成隔振系统的目的是将发动机的不平衡惯性力和力矩通过悬置隔振使其作用在车身或车架上的动反力最小。因此，常用的方法有打击中心法、主惯性轴法与优化方法。这些方法的基本思想是解耦设计。由于动力总成有六个刚体运动自由度，解耦设计的第一步是通过悬置点的刚度和位置（角度变化，将六个自由度之间耦合尽可能小，特别是 Z 方向与曲轴轴线的滚动模态解耦。通过解耦设计可达到在发动机不平衡惯性力和力矩作用下，只有主振源振动下的振动。每二步是设计优化刚度，使传递到车架工车身的动态力尽可能小。 由于 优化方法运用，优化方法作为一种工具，是完全可以用于动力总成的优化。对于优化，从不同的角度提出了不同的优化目标函数和约束，建立不同的优化数学模型。常见的目标函数有：发动机动力总成系统固有频率的合理匹配；六自由度振动能量解耦和部分解耦；振动传递率最小或者支撑的动反力最小等等。 例：以振动能量解耦为优化目标的优化模型 第 j 阶模态振动，分配到第 k 个广义坐标的能量占整个系统总能量的比 100，说明第 k 个广义坐标上，这就意味着系统从能量角度实现了解耦。即提高动力总成悬置系统在 6 个自由度广义坐标向量的解耦度，就是要使 的值接近于 1，写成目标函数的形式如下 ： ),( ( ) 1 (1, ) ) 1 (2, ) ) 1 (3, ) ) 1 (4, ) ) 1 (5, ) ) 1 (6, )=由于四缸发动机的激励源主要是 Z 方向和绕 X 方向的，所以主要考虑这两个方向能量解耦度。 约束条件 在目标函数的求优过程中，也要对刚度变量进行一点的约束，来限制它的变化范围，以保证优化结果在我们所期望的范围内。通常的刚度约束有： 加工制造约束 zi xi zi yi 同时，我们还要对固有频率做一定的约束，使其在一个合理的频率段内固有频率约束： 其中，j1,2,6，代表 6 个自由度方向。 下表是某三点悬置汽车动力总成的隔振优化结果： N/ N/ N/ 前左悬置 200 00 前右悬置 200 00 后悬置 有频率（ 0 合特性 表可以看出，在 Z 方向和向解耦度也达到了 80%以上，达到预期要求。 2 动力总成悬置系统的鲁棒性分析 在许多实际问题中，希望的不仅是悬置系统性能满足要求，而且要其性能在一定的条件下保持性能稳定，也就是说悬置的某些参数变化，系统的性能指标隔振性能不应发生很大的波动，能保持较好的隔振性能，这意味系统的鲁棒性能好，是稳健设计。 21 鲁棒性衡量指标及信噪比 理论分析中，用平均损失的概念来衡量系统的鲁棒性。平均损失 () (,)R 参数组合 L某参数组合下引起的损失 当实验具有目标值为 t 时，常用二次损失函数来计算，此时平均损失为 2() (,) ( )= 若令 () () = ， ，则 2() ()=22() ( ) () () )= + 2 在实际应用中，日本学者田口玄一建议用称之为信噪比的统计量来代替上述的平均损失进行评价，则信噪比统计量定义为： 221010() () = 当参数设计为静态特性的参数设计时，信噪比又可以定义为： 101()10 信噪比统计量与平均损失函数有一定的联系。在某模型假使之下，二者的优化问题是等价的，由于信噪比的使用较为普及，并取得好的使用效果，这里采用信噪比来衡量论棒性好坏。若信噪比比值越大，则说明产品在该实验条件下性能指标的鲁棒性越好。 2 2 鲁棒性分析结果 利用信噪比统计的方法来分析不同方案的最优点的鲁棒性。即如表所示： ） ） ） ） ） ） 方案一 00 700 200 案二 案三 200 00 以六个方向上的解耦度之和为统计量，即 123456(1, ) (1, ) (1, ) (1, ) (1, ) (1, )J j j j j j j=+ 每组试验参数在其 10范围内随机变换，次数为 100 次，则每组可以得到 100 个总解耦度数据，根据这些数据计算其信噪比大小，信噪比大，则其鲁棒性越好。 方案一 方案二 方案三 表可以清楚看出第二方案的信噪比最高，即其鲁棒性最好。 3确定分析参数的试验 在动力总成隔振设计过程中，精确的刚度参数和惯性参数对于动力总成的设计非常重要。 对于刚度参数，可通过对悬置的静刚度试验得出三向刚度。同时可通过有限元方法进行计算。在应用有限元方法进行计算刚度时，必须用试验方法测定橡胶的本构特性，才能准确得出刚度值。同时，应用有限元法方法可以设计合理的形状，满足刚度的三向要求。 对于动力总成的转动惯量测定，目前主要试验方法是三线摆法和应用试验测量动力总成传递函数，并采用 动惯量分析软件方法得出转动惯量的方法。这两种方法精度大约在 8%。另外，运用 法进行计算，计算的精取决于零部件建模精度。 4、动力总成隔振系统的模态试验和隔振试验 为了在设计阶段和试验样车阶段验证设计的正确性，通常在标杆样车和试验车辆进行动力总成的模态试验。试验方法是在整车状态下 进行激振试验，测量传递函 数，运用模态参数识别方法（行试验。试验过程中，应不少于两点三方向同时激振。 为了验证动力总成隔振性能，通常的试验方法是在整车状态下进行怠速试验，测量悬置上下振动