LMS汽車整車狀態(tài)下動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn)研究

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關(guān)鍵字:動(dòng)力總成剛體模態(tài) 模態(tài)試驗(yàn) 模態(tài)識別

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常用往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),它是由周期爆發(fā)的燃?xì)鈮毫Ξa(chǎn)生的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),對外輸出功。由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸做功的不連續(xù)性,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的不平衡慣性力對發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體具有強(qiáng)烈的沖擊和寬頻帶激勵(lì)作用。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)在工作工程中,由于實(shí)際工況和負(fù)荷的不斷變化,反扭矩也在不斷變化,從而對發(fā)動(dòng)機(jī)造成一個(gè)扭矩激勵(lì)作用。在以上兩種激勵(lì)作用下,發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)速變化的振動(dòng)。這種寬頻帶的振動(dòng)與沖擊無論對發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性,還是對汽車的可靠性及乘坐舒適性都將造成極為不利的影響。

目前,隨著汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)朝著高速、輕量化、大功率方向發(fā)展,其振動(dòng)噪聲問題日趨嚴(yán)重。為了克服振動(dòng)造成的各方面負(fù)面影響,人們采取了各種方法和途徑來降低發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的振動(dòng)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作中產(chǎn)生的不平衡力、力矩及路面不平度是引起汽車振動(dòng)的激振的主要激振源。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)(動(dòng)力總成)對整車振動(dòng)和噪聲的影響,一般是通過動(dòng)力總成懸置連接在車架上的產(chǎn)生隔振效果。理想的動(dòng)力總成懸置元件應(yīng)滿足多方面的要求。不但應(yīng)該將發(fā)動(dòng)機(jī)自身產(chǎn)生的振動(dòng)與車架結(jié)構(gòu)隔離,而且還必須對汽車在道路行駛中產(chǎn)生的擾動(dòng)有滿意的響應(yīng)特性。它必須在汽車突然加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等非穩(wěn)態(tài)干擾時(shí)激發(fā)的低頻擾動(dòng)范圍內(nèi)有較大的動(dòng)剛度和阻尼,以便限制動(dòng)力總成的過分彈跳和過大的位移。簡單的說,理想的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置元件應(yīng)該在低頻范圍有較大的動(dòng)剛度和阻尼,而在高頻范圍有較低的動(dòng)剛度。對懸置系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和分析來控制動(dòng)力總成激勵(lì)力對整車的影響是整車NVH系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。本文針對動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn)與分析過程的一些工程實(shí)際問題進(jìn)行討論和分析。

2 動(dòng)力總成的動(dòng)力學(xué)模型

為了進(jìn)行動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析,首先需要建立動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率一般在5—30Hz之間,這一頻率遠(yuǎn)低于動(dòng)力總成的一階彈性模態(tài)。因而在以懸置系統(tǒng)低頻隔振分析為主要目標(biāo)的處理過程中,可以將動(dòng)力總成視為剛體,橡膠懸置元件簡化為三向正交的彈性阻尼元件,建立系統(tǒng)6自由度的自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)微分方程組。

圖1 汽車動(dòng)力總成剛體動(dòng)力學(xué)模型

圖1表示動(dòng)力總成處于靜平衡位置。以動(dòng)力總成質(zhì)心G0為坐標(biāo)原點(diǎn),設(shè)定沿動(dòng)力總成曲軸方向并指向前方為X軸正方向,按照右手法則建立直角坐標(biāo)系G0-xyz,如圖所示。動(dòng)力總成的振動(dòng)可分解為隨同它的質(zhì)心G0點(diǎn)沿x、y、z的三個(gè)平動(dòng),和繞質(zhì)心G0點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在微振動(dòng)條件下,其角位移可用繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)角θ_x、θ_y、θ_z表示。

對動(dòng)力總成液壓懸置系統(tǒng)力學(xué)模型,設(shè)懸置系統(tǒng)受到的外力為Q(t),根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理可建立動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)六自由度動(dòng)力分析方程為

式中:為六自由度坐標(biāo)

為質(zhì)量矩陣,為剛度矩陣,

為阻尼矩陣。

其中剛度和阻尼矩陣中的各元素是懸置三向剛度、阻尼和安裝位置和安裝角度的函數(shù)。

通過對動(dòng)力學(xué)方程(1)振動(dòng)分析可知,懸置系統(tǒng)有六個(gè)固有頻率和相應(yīng)的振型。理論分析表明,對于設(shè)計(jì)的懸置剛度和安裝參數(shù),動(dòng)力總成各階振型之間存在能量耦合。

3 動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果和評價(jià)隔振效果,必須進(jìn)行動(dòng)力總成的剛體振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn),以驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性。本文應(yīng)用LMS SC310動(dòng)態(tài)測試硬件系統(tǒng)和TEST.LAB測試分析軟件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)參數(shù)識別。模態(tài)測試系統(tǒng)由三部分組成:電磁激振系統(tǒng)、傳感器,LMS SC310數(shù)據(jù)采集和信號分析系統(tǒng)。

激勵(lì)系統(tǒng)主要包括信號源,功率放大器和激振器。其中信號源由LMS SC310源控制模塊和軟件產(chǎn)生。本試驗(yàn)采用猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)信號。

傳感器主要用于拾取激勵(lì)力傳感器和振動(dòng)加速度傳感器。力傳感器和振動(dòng)加速度傳感器是ICP型,由LMS SC310信號適調(diào)模塊進(jìn)行信號調(diào)理和放大。

LMS SC310數(shù)據(jù)采集和信號分析系統(tǒng)。力和加速度信號經(jīng)LMS SC310數(shù)據(jù)采集模塊和采集軟件控制、分析獲得各測點(diǎn)FRF頻響函數(shù)和相干函數(shù)。為模態(tài)分析提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn)過程主要包括以下幾個(gè)方面:

(1)幾何建模:對于動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn),理論上至少要求八個(gè)測點(diǎn)組成一個(gè)長方體即可。在本次剛體模態(tài)試驗(yàn)上在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱上布置20個(gè)測點(diǎn)。應(yīng)用比利時(shí)LMS國際公司TEST.LAB軟件中的GEOMETRY模塊進(jìn)行建模。

(2)激勵(lì)點(diǎn)和激勵(lì)方式:整車狀態(tài)下動(dòng)力總成和動(dòng)力傳動(dòng)系模態(tài)試驗(yàn)激振點(diǎn)選取發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋右前上角斜向和變速箱與傳動(dòng)軸連接處斜向2點(diǎn)激振。對于以動(dòng)力總成能量解耦設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)設(shè)計(jì)方案,在Z向和繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)等方向可能與其它方向解耦,如單方向激勵(lì),在其它方向可能產(chǎn)生的響應(yīng)非常小,因此,對于動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn)必需要多方向同時(shí)激振才能將六個(gè)剛體模態(tài)全部激發(fā)出來。同時(shí)激勵(lì)點(diǎn)的選取應(yīng)使激振力矩增大。在試驗(yàn)過程中,要選取多個(gè)激振點(diǎn)進(jìn)行比較。

(3)試驗(yàn)的支承方式:整車狀態(tài)下動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn)車輛放置在水平地面上,保持在水平面內(nèi)。為了消除車架和懸架的模態(tài)影響,車輛用四個(gè)支點(diǎn)頂起。

(4)測點(diǎn):本試驗(yàn)共使用了兩個(gè)力傳感器和十個(gè)三向加速度傳感器。力傳感器測量激勵(lì)信號;加速度傳感器測量測點(diǎn)響應(yīng)信號。由于測點(diǎn)較多,傳感器數(shù)量有限,所以采取分組多次采集、最后集中處理的測量手段。激振器與力傳感器之間用較細(xì)的柔性桿連接,以保證激振力產(chǎn)生引激勵(lì)方向作用力。

(5)動(dòng)力總成剛體模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)置:采樣頻率有效帶寬: 64Hz,譜線數(shù):512,頻率分辨率為0.125Hz。力信號和響應(yīng)窗函數(shù)為HANNING窗以減少泄漏誤差。力信號源為BIRST 隨機(jī),激振頻率2-64Hz。為了減少測量隨機(jī)誤差,提高測試精度,對每次測量采樣進(jìn)行16次重復(fù)平均。

(6)頻響函數(shù)FRF的測量:為了獲取全部模態(tài)參數(shù)及模態(tài)振型的信息,需要測量足夠數(shù)量和精度的頻響函數(shù)(FRF)。在測量二輸入多輸出頻響函數(shù)時(shí),采用自功率譜和互功率譜計(jì)算頻響函數(shù),根據(jù)16次平均次數(shù),用H1估計(jì)法求得頻響函數(shù)的最小二乘近似值。在試驗(yàn)過程中,確保相干函數(shù)接近1。本試驗(yàn)中由LMS國際公司 SPECTRAL ACQUISITION采集軟件測試各測點(diǎn)頻響函數(shù)。通過移動(dòng)加速度傳感器,測量全部測點(diǎn)的頻響函數(shù)。監(jiān)測各測點(diǎn)相干函數(shù)和頻響函數(shù)。

(7)模態(tài)參數(shù)識別:模態(tài)參數(shù)估計(jì)方法是采用比利時(shí)LMS 公司MODEL ANSLYSIS 分析軟件中對于大阻尼系統(tǒng)識別精度高的POLYMAX 分析軟件。通過比較LMS國際公司MODEL ANALYSIS和POLYMAX模態(tài)分析軟件,POLYMAX模態(tài)分析軟件更適用于動(dòng)力總成剛體模態(tài)大阻尼結(jié)構(gòu)參數(shù)識別。參數(shù)估計(jì)的頻帶選取是所選頻帶不含有過多的系統(tǒng)極點(diǎn)。在系統(tǒng)頻響函數(shù)之和中所選取的頻帶的中起始點(diǎn)及終止點(diǎn)的值是極小值,以減小帶外效應(yīng)的影響。估計(jì)系統(tǒng)的極點(diǎn)數(shù)目時(shí),將全部實(shí)際測得的選取的各測點(diǎn)頻響函數(shù)按幅值求和,使峰值信息整個(gè)地集中在一條系統(tǒng)綜合頻響函數(shù)之和中。在選取極點(diǎn)時(shí),根據(jù)一階和二階模態(tài)指示函數(shù)(MIF)在所有共振頻率處的局部最小值和整體參數(shù)穩(wěn)態(tài)圖“穩(wěn)定極點(diǎn)”初步選擇極點(diǎn)。在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)圖計(jì)算時(shí)的假定極點(diǎn)數(shù)將根據(jù)所選頻帶寬度確定為32至64之間。根據(jù)選定的“穩(wěn)態(tài)極點(diǎn)”進(jìn)行模態(tài)向量估計(jì)。模態(tài)向量計(jì)算容差為2%,固有頻率計(jì)算容差為1%,模態(tài)阻尼計(jì)算容差為5%。

(8)模態(tài)模型驗(yàn)證:模態(tài)模型驗(yàn)證方法首先對測試設(shè)置中的激振器固定、各傳感器校準(zhǔn)和信號質(zhì)量進(jìn)行正確性驗(yàn)證,在每次測量得到的頻響函數(shù)都必須通過相干函數(shù)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,第一步是由比利時(shí)LMS公司的MODEL ANALYSIS 軟件中的MODEL SYNTHESIS軟件直接比較原始測量的頻響函數(shù)和由模態(tài)參數(shù)估計(jì)重新構(gòu)造出來的綜合頻響函數(shù)。在比較時(shí),綜合頻響函數(shù)考慮上、下剩余項(xiàng)。第二步是根據(jù)比利時(shí)LMS公司的MODEL ANALYSIS 軟件中的MODEL VALIDATION模態(tài)判別準(zhǔn)則(MAC)確定同一組中各估計(jì)的正確性。根據(jù)模態(tài)參預(yù)(MP)分析給定頻段上各模態(tài)的相對重要性和所選擇的輸入自由度的有效性。同時(shí)參照模態(tài)超復(fù)雜性(MOV)和模態(tài)相位共線(MPC)分析模態(tài)復(fù)雜性。由以上分析和通過觀察振型最終確定有效模態(tài)模型。

4 試驗(yàn)結(jié)果

表1 整車狀態(tài)下動(dòng)力總成剛體模態(tài)頻率與阻尼比

圖2 某動(dòng)力總成剛體模態(tài)Z向模態(tài)振型

表1為某整車狀態(tài)下動(dòng)力總成剛體模態(tài)的固有頻率、阻尼比與振型說明。圖2為動(dòng)力總成剛體模態(tài)Z向模態(tài)振型。

5 結(jié)論

通過建立動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛體動(dòng)力學(xué)模型和整車狀態(tài)下模態(tài)試驗(yàn)得出了動(dòng)力總成懸置隔振系統(tǒng)的六階固有頻率、模態(tài)阻尼和模態(tài)振型。在應(yīng)用比利時(shí)LMS國際公司模態(tài)測試系和分析軟件基礎(chǔ)上,探討了整車狀態(tài)下的動(dòng)力總成模態(tài)試驗(yàn)方法和大阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和模態(tài)參數(shù)辨識方法。試驗(yàn)結(jié)果表明現(xiàn)代測試手段和模態(tài)分析技術(shù)相結(jié)合,LMS國際公司POLYMAX模態(tài)分析軟件更適用于動(dòng)力總成剛體模態(tài)大阻尼結(jié)構(gòu)參數(shù)識別。試驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步的理論分析及改進(jìn)動(dòng)力總成懸置隔振設(shè)計(jì)和減小汽車振動(dòng)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

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