如何通过悬置点预测动力总成在运行工况下的振动水平

摘要

近年来，由于动力总成的振动特性是影响其振动噪声和各部件耐久性的重要指标，采用有限元法进行特征值分析和频响分析是常用的方法。然而，特征值分析和频率响应分析不能考虑曲柄传动系统的动态特性和非线性特性。本文提出了一种新的方法，该方法考虑了曲轴的动态特性，进而考虑了主轴承油膜和发动机悬置的非线性特性，可以准确地预测发动机悬置点在运行工况下的振动水平。将该方法应用于直列四缸发动机，预测的振动水平与实验结果具有较好的可比性。

前言

近年来，由于环境因素以及消费者对噪声和振动偏好的变化，必须降低影响车辆外部和内部噪声的动力总成振动。而更可靠的开发和更快的响应市场趋势，对于缩短开发周期的前期设计来说，更精确的分析预测技术是必不可少的。在目前动力系统基本结构评估的设计阶段，采用有限元模型进行特征值分析和频率响应分析是最常用的方法。用这种方法可以预测出准确的共振频率。然而，在振动水平分析方面却鲜有成果。本文提出了一种预测运行工况下振动水平的方法。此外，该方法还应用于横向安装直列四缸发动机的前轮驱动布局。

方法描述

在本研究中，根据图1所示的基本概念预测了发动机悬置点的振动。首先，在运行条件下，必须通过实验或分析来估计由曲柄传动系统引起的激振力。其次，用有限元法求出动力总成的传递函数。最后，为了估计发动机悬置点处的振动，将由曲柄传动系统引起的激振力乘以动力传动系统的传递函数。

图1基本概念

验证

曲轴系有限元模型的验证

曲柄传动系统的动态特性强烈影响所产生的激振力。因此，为了考虑曲柄系的动态特性，在有限元模型中使用了包括曲轴、皮带轮、飞轮和离合器盖在内的实体元件，如图2所示。

图2曲柄传动系统的有限元模型

预测和测量的FRF（频率响应函数）数据之间的比较如图3所示。

图3曲柄传动系统RFR验证结果

当第一次基本预测精度较低或预测结果不符合标准时，对有限元模型进行更新或修正，用修正后的模型重复计算。因此，有必要根据第一次预测的结果来判断是否以及如何改进有限元模型。如果有限元模型的重复更新仍然提供较低的预测精度，则可以通过改变动力总成和发动机悬置的频率特性来提高预测精度。在这种情况下，根据发动机悬置支架的局部模态特征值和测量对应的频率响应函数水平，对有限元模型进行了改进。对于螺栓区域，考虑了三个方向，即沿X、Y和Z轴的方向来生成模型、发动机缸体和发动机悬置的接合区域支架。和通过使用先前开发的识别方法（如图4所示），识别它们之间的连接特性，以优化动力系统模型。

图4连接特性识别

悬置模型修改

发动机悬置特性对悬置点的振动水平有很大影响。发动机悬置一般为橡胶或密封橡胶/液体型，各悬置类型的非线性特性不同。特别是，刚度的差别很大，这取决于频率和位移。因此，在对发动机悬置进行建模时，独立识别非线性特性非常重要，因为这些特性通常由供应商测量。通常测量的参数如下：

1）静刚度

2）动刚度

3）绝对刚度

4）阻尼系数

频率范围内，识别最合适的参数是很重要的，以便尽可能地再现测量特性。此外，在目标频率范围内，实际特性和由所识别的参数合成的特性都不一定对应。将发动机悬置的非线性特性加入到有限元模型中，并最终集成到数值模型中。在发动机悬置模型的精细预测中，用小振子模型代替Kelvin-Voigt模型，建立了发动机悬置模型。

各发动机悬置模型如图5所示。

图5发动机悬置模型

发动机激振力的验证

作用在每个燃烧室内的气体力通过活塞和连杆传递到曲轴。此外，活塞和缸套之间产生的侧向力和作用在活塞上的惯性力也同样传递。这些激励力通过每个气缸中的连杆根据点火顺序施加到曲柄销上。

在有限元模型中，利用弹簧和阻尼元件考虑了轴承的非线性接触。然而，由于主轴承的非线性特性，即所谓的油膜特性，取决于许多不同的因素，一个是油温，另一个是曲轴轴颈与主轴承之间的间隙，因此很难估计这些因素。该方法采用弹簧和阻尼元件来表征油膜特性。

在1600转/分发动机转速和节气门全开的运行条件下，预测了曲柄传动系的激振力，如图6所示。图6所示的预测结果用图1所示的方法进行预测，测量结果是根据主轴承轴颈周围的应变计读数直接测量得到的。

图6发动机激振力验证结果

运行条件下安装点振动水平的验证

采用图1所示的方法对发动机悬置点处的振动水平进行了预测，预测结果如图7所示，并将预测结果与实测结果进行了比较。预测结果与实测结果相差在±5dB～1kHz范围内，表明该方法在该频率范围内具有较好的预测精度。

图7发动机悬置点振动水平验证结果

在发动机设计评价中的应用

在下面的段落中，将此方法应用于评估前轮驱动布局中直列四缸发动机的基本配置的示例。

减振效果评价

众所周知，动力总成发动机悬置点的振动水平是最重要的因素，因为它经常引起轰鸣噪声并降低发动机转速耐用性原型动力总成无法达到影响轰鸣噪声的目标振动水平，因此，在运行条件下，与目标振动水平的符合性是立即的关注。至在这种情况下，原型被用作新开发的方法。因为动力总成达不到目标，动力总成大幅度改进必要的。各种各样的进行了模拟为了提高发动机的刚度，使用如图8所示的角撑板刚度，等等采用新的方法对减振效果进行了预测。

图8角撑板的有限元模型

结果如图9所示。角撑板降低振动级的效果估计在3～5dB范围内，与实验结果具有较好的可比性。

图9减振应用效果

另一个重要的成就在于发动机悬置支架。改进后的发动机悬置支架如图10所示，结果如图11所示。通过提高发动机悬置支架的固有频率，估计减振效果在3～5dB范围内。

图10改进后发动机悬置支架的有限元模型

图11减振应用效果

减重评估

并将该方法应用于曲轴减重过程。为了提高燃油经济性，曾一度考虑使用各种类型的曲轴减轻重量。所有类型的曲轴的模拟都是基于这样一个概念，即在将振动水平保持在当前水平时，应确保减轻重量，以防止设计变化导致更严重的振动。

各种类型的曲轴如图12所示，结果如图13所示。在630~1kHz范围内，通过改变曲轴类型来降低振动水平的估计值为10dB。

图12各种类型的曲轴

图13减重应用结果

结论

1. 摘要提出了一种用于发动机悬置点动力系统振动评估的方法特点。这个该方法采用有限元建模，其中考虑了曲轴的动态特性、主轴承的非线性油膜特性和发动机悬置的非线性特性。

   
   

2. 将该方法应用于前轮驱动直列四缸动力总成，结果表明该方法具有较高的精度，可供实际应用。

REFERENCE

1. Y.Takahashi,T.Suzuki,M.Tsukahara,et al.,'A Method For Identification of Powerplant Joint Properties Using FRF Data and FEM Model' Proceedings of ASME, Design Engineering Technical Conferences,1997.

   
   

2. Heiner Storck,HartonoSumali,'Characterization of a Vibration Damping Mount' SAE Technical Paper 99012816.

   
   

3. S.Suzuki,Y.Takahashi,etal.,'How to Measure the Internal Forces of a Combustion Engine' NCA-VOL.26,Proceedings of the ASME, p61- 65,1999.

   
   

4. Y.Takeuchi,H.Tsukahara,etal.,'Prediction of Powerplant Vibration Using Test Based Modal Model' 15thIMAC pp.54-59,1997.

1. D.J.Mctavish,P.C Hughes,'Modeling of Linear viscoelastic space structures’,Journal of Vibration&Acoustics- Transactions of the ASME,pp103-110,v115 N 1,Jan,1993.
   

2. Jonathan Raub,JeffreyD.Jones'Analytical Investigation of Crankshaft Dynamics as a Virtual Engine Module'SAE Technical Paper 99011750.