動力總成懸置支架振動噪聲設計

2016-11-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

動力總成懸置支架振動噪聲設計

NVH Design of Powertrain Mount Bracket

辛雨火進梁耕龍

(北京汽車新能源汽車有限公司北京 102606)

摘要:動力總成懸置支架振動噪聲設計關系到整車振動噪聲,它是動力總成懸置系統設計的必要部分。本文介紹了懸置支架振動噪聲設計方法,包括結構設計,模態設計,靜剛度與動剛度設計等。通過案例,分析了懸置支架結構與懸置布置、懸置解耦結果的關系;懸置支架的模態分析、設計要求;懸置支架的靜剛度設計方法及要求;懸置支架的動剛度設計及判斷依據等。在懸置支架模態計算、靜剛度和動剛度計算中,使用 HyperMesh 軟件進行幾何處理,網格劃分,使用 HyperView 或 HyperGraph 進行結果顯示,可以大大提高懸置支架振動噪聲設計的效率。

關鍵詞:模態靜剛度動剛度 HyperWorks

Abstract: NVH design of powertrain mount bracket is very important, and it is a necessary part of powertrain mount system design. It consists of structure design, modal design, stiffness design, point mobility design, etc. Structure design relates to mount arrangement and optimization of mount decoupling ratio. Modal of mount bracket is designed to prevent resonance. Stiffness is designed for vibration isolation efficiency of the mount system. Point mobility is essential for isolation of vibration of every frequency. When we calculate the modal, stiffness, point mobility of the mount bracket, HyperMesh software can help us in the geometry cleaning and the meshing, HyperView and HyperGraph software can help us display the result. Using HyperWorks software can greatly improve the design efficiency.

Key words: modal, stiffness, point mobility, HyperWorks

1 引言

懸置系統是指動力總成(包括發動機、離合器及變速器等)與車架或車身之間的彈性連接系統, 該系統的好壞直接關系到發動機與車體之間的振動傳遞,影響整車的振動噪聲性能。在懸置系統中,懸置起到支承發動機,衰減和隔離發動機振動的重要作用,對整車的振動噪聲水平起到重要影響。而懸置支架起到連接懸置與發動機、車架或車身的重要作用,懸置支架的設計成功與否, 對懸置系統本身的性能起到很大影響。

自從汽車振動噪聲性能引起國內汽車公司重視以來,對動力總成懸置支架的優化設計就引起了振動噪聲工程師的一致重視,出現了一系列針對動力總成懸置支架進行優化的案例[1-4]。隨著國內振動噪聲研究水平的不斷提高,振動噪聲工程師的工作已經從單純的出現振動噪聲問題后進行優化,逐步轉移到進行合理的正向振動噪聲設計,并在樣車設計的前期解決振動噪聲問題的思路上來[5]。

2 支架結構形式

動力總成懸置支架結構與發動機的布置,車架或車身上各零部件的結構布置相關。同時,動力總成懸置支架結構應滿足動力總成懸置解耦優化設計中提出的懸置布置角度和位置要求。圖 1為懸置解耦優化計算示例圖,一般要求懸置解耦率在 85%以上,各懸置頻率分隔 1Hz 以上。

動力總成懸置布置形式多樣,簡單的按照懸置個數可以分為二點懸置、三點懸置、四點懸置、以及常用于大功率發動機的五點和六點懸置等。由于與動力總成懸置的布置有關,懸置支架的結構形式比較多,支架個數與懸置個數相關。總體來說,動力總成懸置支架分為主動側懸置支架(動力總成側)和被動側懸置支架(車架或車身側),結構如如圖 2 所示。

3 支架模態設計

針對不同的發動機,對動力總成懸置支架的模態頻率要求是不同的。動力總成懸置支架受發動機振動影響較大,為了與發動機振動隔離,動力總成懸置支架頻率應設置在怠速頻率以下或額定轉速頻率以上。低于發動機怠速頻率的區域一般用于布置動力總成懸置系統的固有頻率,同時動力總成懸置支架的頻率一般較高,設計在該段頻率困難較大,因此動力總成懸置支架固有頻率一般布置在額定轉速頻率以上區域。

在進行動力總成懸置設計時,一般要求外部激勵頻率與系統固有頻率之比至少達到 1.414 倍時才能起到隔振作用。相對于該懸置設計規則,經驗上一般以不低于發動機額定頻率 2-3 倍的頻率為懸置支架頻率設計值。一般也要求動力總成懸置支架的一階模態頻率在 500Hz 以上。

圖 3 為對圖 2 中動力總成懸置支架的模態計算結果。該懸置支架模態分析使用 HyperMesh進行網格劃分,從而導出有限元模型進行模態計算,最后使用 HyperView 軟件進行結果顯示。計算結果為:發動機側支架一階頻率為 637.7Hz,二階頻率為 992.3Hz;車身側支架一階頻率為504.1Hz,二階頻率為 685.2Hz。該懸置對應的發動機額定轉速為 3600rpm,按 3 倍的發動機額定轉速對應頻率計算,要求動力總成懸置支架一階頻率在 360Hz 以上,示例中懸置支架滿足該要求,且一階頻率在 500Hz 以上,滿足振動噪聲設計要求。

4 支架靜剛度設計

動力總成懸置系統的隔振效果不僅取決于橡膠件的剛度,還與懸置支架的剛度有關。支架-隔振橡膠件-支架共同組成動力總成懸置系統,從而起到在發動機和車架或車身之間隔振與支承的作用。懸置系統的總剛度可用下式表示:

式中,K 為懸置系統總剛度,KE 為發動機側支架剛度,KI 為隔振橡膠件剛度,KV 為車架或車身側支架剛度。

根據上式懸置支架的剛度應盡量大,這樣懸置系統的剛度就近似于隔振橡膠件的剛度,從而使懸置系統達到好的隔振效果。一般來說,支架剛度應為隔振橡膠剛度的 6-10 倍。如圖 4 所示為某樣車動力總成后懸置支架設計改進的實例。改進方案 1 相比原始方案加寬并加肋板,改進方案2 相比方案 1 降低了懸置高度。本靜剛度優化實例中采用 HyperMesh 進行網格劃分,然后導出有限元模型進行計算,采用文本文檔從結果文件中讀取結果。

在三個方案中,經過分析,其靜剛度計算如下表。在加肋板及加寬后,后懸置的 Z 向靜剛度達到了要求,但 X 向和 Y 向剛度仍然不足;經過與設計部門協調相關布置,在改變懸置支架的高度后,動力總成懸置支架三個方向的靜剛度都滿足了要求。

5 支架點動剛度設計

動力總成懸置系統的隔振效果不僅僅與靜剛度有關,還與動剛度有關。動剛度是指單位位移作用下,作用點沿位移作用方向的力隨位移作用頻率的變化。對于橡膠等粘彈性體減振元件,其動剛度是描述減振性能的關鍵指標。對動力總成懸置支架來說,與支架動剛度密切相關的一個概念是 Mobility [6],它指在單位力作用下作用點沿力作用方向的速度隨力作用頻率的變化,反映零部件的局部動態剛度特性;mobility 和動剛度之間的關系為:

式中,ME 為發動機側支架的 moblity,MI 為隔振橡膠件的 moblity,MV 為車架或車身側支架的 moblity。

由上式可知,當動力總成懸置支架的點動剛度遠大于懸置的動剛度時,可有效隔離發動機的振動。由于動剛度(Mobility)會隨著頻率而變化,所以需要在整個工作頻率下對其進行考核。

一般要求動力總成懸置系統具有 20dB 以上的力傳遞損失,這相當于力傳遞率是 0.1, 振動的能量能量損失 99%。如果車架和動力總成的動剛度相同,并且其是懸置動剛度的 18 倍以上,則可達到 20dB 的力傳遞損失。在圖 4 的動力總成懸置支架優化實例中,各支架的 X 向點動剛度如圖 5 所示,經過計算其等效動剛度如表 2 所示。在完成計算后采用 HyperGraph 讀取結果曲線。由分析結果可知,改進方案 2 達到設計的動剛度目標值,可以作為實際設計方案。

6 總結

動力總成懸置支架設計是否合理影響整個懸置系統的性能;動力總成懸置支架 NVH 設計應包括從懸置解耦來設計支架結構,懸置支架的模態設計,靜剛度設計和動剛度設計等內容。

動力總成懸置解耦率一般要求在 85%以上,各懸置頻率分隔 1Hz 以上;動力總成懸置支架的頻率要求在發動機額定或最高轉速頻率的 2-3 倍,一般要求第一階模態頻率在 500Hz 以上;動力總成懸置支架靜剛度要求為懸置靜剛度的 6-10 倍;動力總成懸置支架動剛度要求在懸置動剛度的18 倍以上。

在懸置支架模態計算、靜剛度和動剛度計算中,使用 HyperMesh 軟件進行幾何處理和網格劃分,使用 HyperView 和 HyperGraph 進行結果顯示和曲線處理,可以大大提高懸置支架振動噪聲設計的效率。

7 參考文獻

【1】陳繼紅.沈密群.發動機懸置系統的一些設計問題.噪聲與振動, 1999(1)
【2】吳紅.錢道新.發動機右懸置支架的優化.科技信息,2008 年第 25 期
【3】林濤.閆建濤.呂兆平.基于 CAE 分析變速器后懸置支架優化設計.裝備制造技術,2010 年 10月
【4】廖抒華.成傳盛.基于 ABAQUS 的某商務車發動機前懸置支架的創新設計.機械設計與制造,2012 年 6 月
【5】龐劍.諶剛.何華.汽車噪音與振動:理論與應用.北京理工大學出版社,2006.6
【6】孫學軍.張靜宜.基于 nastran 的車架 mobility 分析研究.2010 年 mscsoftware 中國用戶論文集,2010 年