動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用

2017-02-23 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)關(guān)系到整車(chē)振動(dòng)噪聲,它是動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要部分。

本文將介紹懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)方法,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),模態(tài)設(shè)計(jì),靜剛度與動(dòng)剛度設(shè)計(jì)等。通過(guò)案例分析懸置支架結(jié)構(gòu)與懸置布置、懸置解耦結(jié)果的關(guān)系;懸置支架的模態(tài)分析、設(shè)計(jì)要求;懸置支架的靜剛度設(shè)計(jì)方法及要求;懸置支架的動(dòng)剛度設(shè)計(jì)及判斷依據(jù)等。

在懸置支架模態(tài)計(jì)算、靜剛度和動(dòng)剛度計(jì)算中,使用HyperMesh軟件進(jìn)行幾何處理,網(wǎng)格劃分,使用HyperView或HyperGraph進(jìn)行結(jié)果顯示,可以大大提高懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)的效率。

1、引言

懸置系統(tǒng)是指動(dòng)力總成(包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器及變速器等)與車(chē)架或車(chē)身之間的彈性連接系統(tǒng),該系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)體之間的振動(dòng)傳遞,影響整車(chē)的振動(dòng)噪聲性能。在懸置系統(tǒng)中,懸置起到支承發(fā)動(dòng)機(jī),衰減和隔離發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的重要作用,對(duì)整車(chē)的振動(dòng)噪聲水平起到重要影響。而懸置支架起到連接懸置與發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)架或車(chē)身的重要作用,懸置支架的設(shè)計(jì)成功與否,對(duì)懸置系統(tǒng)本身的性能起到很大影響。

自從汽車(chē)振動(dòng)噪聲性能引起國(guó)內(nèi)汽車(chē)公司重視以來(lái),對(duì)動(dòng)力總成懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)就引起了振動(dòng)噪聲工程師的一致重視,出現(xiàn)了一系列針對(duì)動(dòng)力總成懸置支架進(jìn)行優(yōu)化的案例[1-4]。隨著國(guó)內(nèi)振動(dòng)噪聲研究水平的不斷提高,振動(dòng)噪聲工程師的工作已經(jīng)從單純的出現(xiàn)振動(dòng)噪聲問(wèn)題后進(jìn)行優(yōu)化,逐步轉(zhuǎn)移到進(jìn)行合理的正向振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì),并在樣車(chē)設(shè)計(jì)的前期解決振動(dòng)噪聲問(wèn)題的思路上來(lái)。

2、支架結(jié)構(gòu)形式

動(dòng)力總成懸置支架結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)的布置,車(chē)架或車(chē)身上各零部件的結(jié)構(gòu)布置相關(guān)。同時(shí),動(dòng)力總成懸置支架結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足動(dòng)力總成懸置解耦優(yōu)化設(shè)計(jì)中提出的懸置布置角度和位置要求。圖1為懸置解耦優(yōu)化計(jì)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(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片1

圖1 懸置解耦優(yōu)化計(jì)算示例

動(dòng)力總成懸置布置形式多樣,簡(jiǎn)單的按照懸置個(gè)數(shù)可以分為二點(diǎn)懸置、三點(diǎn)懸置、四點(diǎn)懸置、以及常用于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的五點(diǎn)和六點(diǎn)懸置等。由于與動(dòng)力總成懸置的布置有關(guān),懸置支架的結(jié)構(gòu)形式比較多,支架個(gè)數(shù)與懸置個(gè)數(shù)相關(guān)?？傮w來(lái)說(shuō),動(dòng)力總成懸置支架分為主動(dòng)側(cè)懸置支架(動(dòng)力總成側(cè))和被動(dòng)側(cè)懸置支架(車(chē)架或車(chē)身側(cè)),結(jié)構(gòu)如如圖2所示。

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片2

圖2 懸置支架結(jié)構(gòu)圖示例

3、支架模態(tài)設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)動(dòng)力總成懸置支架的模態(tài)頻率要求是不同的。動(dòng)力總成懸置支架受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)影響較大,為了與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)隔離,動(dòng)力總成懸置支架頻率應(yīng)設(shè)置在怠速頻率以下或額定轉(zhuǎn)速頻率以上。低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率的區(qū)域一般用于布置動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率,同時(shí)動(dòng)力總成懸置支架的頻率一般較高,設(shè)計(jì)在該段頻率困難較大,因此動(dòng)力總成懸置支架固有頻率一般布置在額定轉(zhuǎn)速頻率以上區(qū)域。

在進(jìn)行動(dòng)力總成懸置設(shè)計(jì)時(shí),一般要求外部激勵(lì)頻率與系統(tǒng)固有頻率之比至少達(dá)到1.414倍時(shí)才能起到隔振作用。相對(duì)于該懸置設(shè)計(jì)規(guī)則,經(jīng)驗(yàn)上一般以不低于發(fā)動(dòng)機(jī)額定頻率2-3倍的頻率為懸置支架頻率設(shè)計(jì)值。一般也要求動(dòng)力總成懸置支架的一階模態(tài)頻率在500Hz以上。

圖3為對(duì)圖2中動(dòng)力總成懸置支架的模態(tài)計(jì)算結(jié)果。該懸置支架模態(tài)分析使用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分,從而導(dǎo)出有限元模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算,最后使用HyperView軟件進(jìn)行結(jié)果顯示。計(jì)算結(jié)果為:發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)支架一階頻率為637.7Hz,二階頻率為992.3Hz;車(chē)身側(cè)支架一階頻率為504.1Hz,二階頻率為685.2Hz。該懸置對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3600rpm,按3倍的發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率計(jì)算,要求動(dòng)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(dòng)噪聲設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh分析案例圖片3

圖3動(dòng)力總成懸置支架模態(tài)設(shè)計(jì)示例

4、支架靜剛度設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)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(guān)。支架-隔振橡膠件-支架共同組成動(dòng)力總成懸置系統(tǒng),從而起到在發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)架或車(chē)身之間隔振與支承的作用。懸置系統(tǒng)的總剛度可用下式表示:

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh分析案例圖片4

根據(jù)上式懸置支架的剛度應(yīng)盡量大,這樣懸置系統(tǒng)的剛度就近似于隔振橡膠件的剛度,從而使懸置系統(tǒng)達(dá)到好的隔振效果。一般來(lái)說(shuō),支架剛度應(yīng)為隔振橡膠剛度的6-10倍。如圖4所示為某樣車(chē)動(dòng)力總成后懸置支架設(shè)計(jì)改進(jìn)的實(shí)例。改進(jìn)方案1相比原始方案加寬并加肋板,改進(jìn)方案2相比方案1降低了懸置高度。本靜剛度優(yōu)化實(shí)例中采用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后導(dǎo)出有限元模型進(jìn)行計(jì)算,采用文本文檔從結(jié)果文件中讀取結(jié)果。

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh分析案例圖片5

圖4動(dòng)力總成懸置支架靜剛度設(shè)計(jì)示例

在三個(gè)方案中,經(jīng)過(guò)分析,其靜剛度計(jì)算如下表。在加肋板及加寬后,后懸置的Z向靜剛度達(dá)到了要求,但X向和Y向剛度仍然不足;經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)部門(mén)協(xié)調(diào)相關(guān)布置,在改變懸置支架的高度后,動(dòng)力總成懸置支架三個(gè)方向的靜剛度都滿足了要求。

表1 后懸置靜剛度結(jié)果對(duì)比表

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh分析案例圖片6

5、支架點(diǎn)動(dòng)剛度設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振效果不僅僅與靜剛度有關(guān),還與動(dòng)剛度有關(guān)。動(dòng)剛度是指單位位移作用下,作用點(diǎn)沿位移作用方向的力隨位移作用頻率的變化。對(duì)于橡膠等粘彈性體減振元件,其動(dòng)剛度是描述減振性能的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)動(dòng)力總成懸置支架來(lái)說(shuō),與支架動(dòng)剛度密切相關(guān)的一個(gè)概念是Mobility,它指在單位力作用下作用點(diǎn)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(dòng)態(tài)剛度特性;mobility和動(dòng)剛度之間的關(guān)系為:

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hyperworks仿真分析圖片7

由上式可知,當(dāng)動(dòng)力總成懸置支架的點(diǎn)動(dòng)剛度遠(yuǎn)大于懸置的動(dòng)剛度時(shí),可有效隔離發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。由于動(dòng)剛度(Mobility)會(huì)隨著頻率而變化,所以需要在整個(gè)工作頻率下對(duì)其進(jìn)行考核。

一般要求動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)具有20dB以上的力傳遞損失,這相當(dāng)于力傳遞率是0.1,振動(dòng)的能量能量損失99%。如果車(chē)架和動(dòng)力總成的動(dòng)剛度相同,并且其是懸置動(dòng)剛度的18倍以上,則可達(dá)到20dB的力傳遞損失。在圖4的動(dòng)力總成懸置支架優(yōu)化實(shí)例中,各支架的X向點(diǎn)動(dòng)剛度如圖5所示,經(jīng)過(guò)計(jì)算其等效動(dòng)剛度如表2所示。在完成計(jì)算后采用HyperGraph讀取結(jié)果曲線。由分析結(jié)果可知,改進(jìn)方案2達(dá)到設(shè)計(jì)的動(dòng)剛度目標(biāo)值,可以作為實(shí)際設(shè)計(jì)方案。

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圖5 動(dòng)力總成懸置支架點(diǎn)動(dòng)剛度設(shè)計(jì)

表2動(dòng)力總成懸置支架10-150Hz等效動(dòng)剛度表

動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)中的CAE仿真應(yīng)用hyperworks仿真分析圖片9

6、總結(jié)

動(dòng)力總成懸置支架設(shè)計(jì)是否合理影響整個(gè)懸置系統(tǒng)的性能;動(dòng)力總成懸置支架NVH設(shè)計(jì)應(yīng)包括從懸置解耦來(lái)設(shè)計(jì)支架結(jié)構(gòu),懸置支架的模態(tài)設(shè)計(jì),靜剛度設(shè)計(jì)和動(dòng)剛度設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

動(dòng)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(dòng)力總成懸置支架的頻率要求在發(fā)動(dòng)機(jī)額定或最高轉(zhuǎn)速頻率的2-3倍,一般要求第一階模態(tài)頻率在500Hz以上;動(dòng)力總成懸置支架靜剛度要求為懸置靜剛度的6-10倍;動(dòng)力總成懸置支架動(dòng)剛度要求在懸置動(dòng)剛度的18倍以上。

在懸置支架模態(tài)計(jì)算、靜剛度和動(dòng)剛度計(jì)算中,使用HyperMesh軟件進(jìn)行幾何處理和網(wǎng)格劃分,使用HyperView和HyperGraph進(jìn)行結(jié)果顯示和曲線處理,可以大大提高懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)的效率。

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