動力總成懸置支架振動噪聲設(shè)計中的CAE仿真應(yīng)用

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

動力總成懸置支架振動噪聲設(shè)計關(guān)系到整車振動噪聲,它是動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計的必要部分。

本文將介紹懸置支架振動噪聲設(shè)計方法,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計,模態(tài)設(shè)計,靜剛度與動剛度設(shè)計等。通過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)計要求;懸置支架的靜剛度設(shè)計方法及要求;懸置支架的動剛度設(shè)計及判斷依據(jù)等。

在懸置支架模態(tài)計算、靜剛度和動剛度計算中,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噪聲設(shè)計的效率。

1、引言

懸置系統(tǒng)是指動力總成(包括發(fā)動機(jī)、離合器及變速器等)與車架或車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)動機(jī)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(tǒng)中,懸置起到支承發(fā)動機(jī),衰減和隔離發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)、車架或車身的重要作用,懸置支架的設(shè)計成功與否,對懸置系統(tǒng)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(nèi)汽車公司重視以來,對動力總成懸置支架的優(yōu)化設(shè)計就引起了振動噪聲工程師的一致重視,出現(xiàn)了一系列針對動力總成懸置支架進(jìn)行優(yōu)化的案例[1-4]。隨著國內(nèi)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(jīng)從單純的出現(xiàn)振動噪聲問題后進(jìn)行優(yōu)化,逐步轉(zhuǎn)移到進(jìn)行合理的正向振動噪聲設(shè)計,并在樣車設(shè)計的前期解決振動噪聲問題的思路上來。

2、支架結(jié)構(gòu)形式

動力總成懸置支架結(jié)構(gòu)與發(fā)動機(jī)的布置,車架或車身上各零部件的結(jié)構(gòu)布置相關(guān)。同時,動力總成懸置支架結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足動力總成懸置解耦優(yōu)化設(shè)計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。

動力總成懸置支架振動噪聲設(shè)計中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片1

圖1 懸置解耦優(yōu)化計算示例

動力總成懸置布置形式多樣,簡單的按照懸置個數(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)動機(jī)的五點(diǎn)和六點(diǎn)懸置等。由于與動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,支架個數(shù)與懸置個數(shù)相關(guān)。總體來說,動力總成懸置支架分為主動側(cè)懸置支架(動力總成側(cè))和被動側(cè)懸置支架(車架或車身側(cè)),結(jié)構(gòu)如如圖2所示。

動力總成懸置支架振動噪聲設(shè)計中的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

針對不同的發(fā)動機(jī),對動力總成懸置支架的模態(tài)頻率要求是不同的。動力總成懸置支架受發(fā)動機(jī)振動影響較大,為了與發(fā)動機(jī)振動隔離,動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)動機(jī)怠速頻率的區(qū)域一般用于布置動力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率,同時動力總成懸置支架的頻率一般較高,設(shè)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(zhuǎn)速頻率以上區(qū)域。

在進(jìn)行動力總成懸置設(shè)計時,一般要求外部激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率之比至少達(dá)到1.414倍時才能起到隔振作用。相對于該懸置設(shè)計規(guī)則,經(jīng)驗上一般以不低于發(fā)動機(jī)額定頻率2-3倍的頻率為懸置支架頻率設(shè)計值。一般也要求動力總成懸置支架的一階模態(tài)頻率在500Hz以上。

圖3為對圖2中動力總成懸置支架的模態(tài)計算結(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)計算,最后使用HyperView軟件進(jìn)行結(jié)果顯示。計算結(jié)果為:發(fā)動機(jī)側(cè)支架一階頻率為637.7Hz,二階頻率為992.3Hz;車身側(cè)支架一階頻率為504.1Hz,二階頻率為685.2Hz。該懸置對應(yīng)的發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3600rpm,按3倍的發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)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(shè)計要求。

動力總成懸置支架振動噪聲設(shè)計中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh分析案例圖片3

圖3動力總成懸置支架模態(tài)設(shè)計示例

4、支架靜剛度設(shè)計

動力總成懸置系統(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-支架共同組成動力總成懸置系統(tǒng),從而起到在發(fā)動機(jī)和車架或車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:

動力總成懸置支架振動噪聲設(shè)計中的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。一般來說,支架剛度應(yīng)為隔振橡膠剛度的6-10倍。如圖4所示為某樣車動力總成后懸置支架設(shè)計改進(jìn)的實例。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)行計算,采用文本文檔從結(jié)果文件中讀取結(jié)果。

動力總成懸置支架振動噪聲設(shè)計中的CAE仿真應(yīng)用hypermesh分析案例圖片5

圖4動力總成懸置支架靜剛度設(shè)計示例

在三個方案中,經(jīng)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(dá)到了要求,但X向和Y向剛度仍然不足;經(jīng)過與設(shè)計部門協(xié)調(diào)相關(guān)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。

表1 后懸置靜剛度結(jié)果對比表

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5、支架點(diǎn)動剛度設(shè)計

動力總成懸置系統(tǒng)的隔振效果不僅僅與靜剛度有關(guān),還與動剛度有關(guān)。動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(guān)鍵指標(biāo)。對動力總成懸置支架來說,與支架動剛度密切相關(guān)的一個概念是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態(tài)剛度特性;mobility和動剛度之間的關(guān)系為:

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由上式可知,當(dāng)動力總成懸置支架的點(diǎn)動剛度遠(yuǎn)大于懸置的動剛度時,可有效隔離發(fā)動機(jī)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(jìn)行考核。

一般要求動力總成懸置系統(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(dá)到20dB的力傳遞損失。在圖4的動力總成懸置支架優(yōu)化實例中,各支架的X向點(diǎn)動剛度如圖5所示,經(jīng)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(jié)果曲線。由分析結(jié)果可知,改進(jìn)方案2達(dá)到設(shè)計的動剛度目標(biāo)值,可以作為實際設(shè)計方案。

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圖5 動力總成懸置支架點(diǎn)動剛度設(shè)計

表2動力總成懸置支架10-150Hz等效動剛度表

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6、總結(jié)

動力總成懸置支架設(shè)計是否合理影響整個懸置系統(tǒng)的性能;動力總成懸置支架NVH設(shè)計應(yīng)包括從懸置解耦來設(shè)計支架結(jié)構(gòu),懸置支架的模態(tài)設(shè)計,靜剛度設(shè)計和動剛度設(shè)計等內(nèi)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(fā)動機(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(tài)計算、靜剛度和動剛度計算中,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噪聲設(shè)計的效率。

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