使用多体动力学预测由动力总成引起的低频振动
2009-01-2193
Prediction of Low Frequency VibrationCaused by Power Train Using Multi-Body Dynamics
Hiroshi Sugimura, Yasushi Donoue, MasayukiTakei and Hiroo Yamaoka
Toyota Motor Corporation
为了准确预测由动力传动系统引起的低频振动，必须同时考虑发动机激振力的非稳态特性和传递系统各部件的频率和振幅相关的非线性特性，有限元法无法处理这些特性，因而其预测精度不够，本研究是基于一种能处理非稳态和非线性分析的多体动力学（MBD）模型，将缸内压力预测方法融入其中，开发出一种新的技术考虑到传输系统的非线性特性，因此能够对与到达车身的振动相关的所有系统进行高精度预测。基于经验公式的发动机缸内压力预测与包括发动机悬置在内的MBD模型，再结合驱动轴等速万向节和排气管球头，利用预测技术预测了由动力总成引起的低频振动，如曲轴振动、怠速振动等并对实际工况下的锁止振动和预测结果与实际车辆试验结果进行了对比，对曲轴振动和怠速振动进行了输入贡献分析，阐明了这些振动的工作机理。为了生产出具有竞争力的NV质量好的车辆，从开发的最初阶段开始，就大量使用有限元法进行噪声和振动性能预测，当传动系统的现象是瞬态的或包含频率或振幅相关的非线性时，由于传统的稳态线性模型的预测精度不高，因此无法对其进行充分的研究，为了克服这些困难，在过去的几年中几种基于多体动力学分析的仿真方法已经被提出了，（1）-（3）然而，这些方法的研究对象仅限于子装配，没有考虑从发动机输入到车身响应的所有车辆系统的低频振动预测技术，本研究是对这种预测技术的一种尝试，这种预测技术是利用多体动力分析，能够对所有车辆系统进行精确的机理分析，从发动机缸内压力到传递系统和车身振动的非线性特性，该技术用于预测动力传动系统引起的以下低频振动现象，如曲柄振动、怠速振动、锁止振动。图1显示了与动力传动系引起的低频振动现象相关的主要部件之间的振动力传递方向，并传递到车身。
在分析曲柄振动时，考虑发动机激振力的非稳态特性是很重要的，同时，为了保证足够的预测精度必须考虑由发动机支座、驱动轴等速万向节和排气管球头组成的传递系统的非线性特性，而对于怠速振动和锁止振动，则是待评估车辆稳态响应的典型特征，特别是驱动轴，它与悬架相互作用，影响悬架的振动特性，是在D档时传递驱动力和锁定振动的重要传递途径。建立了发动机激振力非稳态振动特性和发动机悬置、驱动轴等速万向节和排气管球头振动非线性特性的MBD模型，图2显示了带有直列4缸发动机的前轮驱动车辆的MBD模型的概要。3.1发动机激振力 -为了预测发动机的非稳态和瞬态输入力采用基于经验公式的缸内压力预测方法。（4）考虑变矩器特性和传动比，通过对活塞、曲轴旋转机构和传动部件等发动机部件的建模，可以计算出扭矩和往复惯性力此外，由于瞬态振动等非稳态状态在冲程循环过程中会引起发动机转速和负荷的较大变化，因此可以计算缸内压力与多体系统的相互作用。
3.2等速驱动轴万向节模型-由于内部摩擦随着发动机驱动扭矩的增加而增加，等速万向节零件可能导致振动传递特性的变化。为了评估这种影响对图3所示的驱动轴总成进行了台架试验，结果表明存在转矩依赖性、振幅依赖性、频率依赖性和转速依赖性。当驱动轴不旋转时（如车辆怠速时），扭矩依赖性特别高，如图4所示。当驱动轴旋转时（如锁定期间），频率依赖性特别高，如图5所示。
构建了具有所需传递特性的驱动轴MBD模型，其基本示意图如图6所示。
驱动轴模型包括内侧万向节用平移弹簧加阻尼在轴向方向和旋转弹簧加阻尼围绕径向方向，和外侧万向节与旋转弹簧加阻尼围绕径向方向。3.3发动机悬置模型-由于为本研究建模的发动机悬置包括振幅和频率相关的液压类型，因此使用了如图7所示的简单物理模型。在图中，k1和k2是与位移和位移立方成比例的非线性元件，c1是与位移立方成比例的非线性元件确定了速度和速度平方。参数来表示实际的动态刚度和阻尼特性，其结果如图8所示。结果与测量特性的振幅和频率相关性相匹配。
3.4排气管球头模型-用于连接排气管的排气管球头结构，如图9所示。排气管振动特性包括球头引起的振幅和频率依赖性考虑到这些因素，使用了图10所示的简单物理模型，该模型也表示了粘滑。与发动机悬置模型一样，识别了代表实际动态刚度和阻尼特性的参数其结果如图11所示。其结果与被测特性的振幅和频率相关性良好。
图9 球头结构
图10 球头模型
3.5悬架模型-为了考虑空转和锁定频率域中发生的弹性共振，将有限元计算结果中获得的固有模态和剩余刚度纳入悬架模型中。这不仅考虑了减振器油封的弹性特性和非线性悬架衬套的特性，以及锁止或空转过程中小振幅状态下球头摩擦引起的刚度变化。在悬架总成振动试验中评估了模型的精度。图12显示了MBD悬架模型的概述，图13显示了评估激励点处主轴惯性精度的试验结果。估计结果与实际车辆结果关联良好。
3.6其他模型-与悬架模型一样，为了考虑空转和锁定频率域中出现的弹性共振，使用从有限元计算结果中获得的自然模态和剩余刚度对车身进行建模。轮胎被建模为质量弹簧模型，其中包含从单个悬架获得的动态特性部分激振试验结果。变速器建模时考虑了齿轮比和惯性特性，传动轴建模时考虑了扭转刚度和惯性特性，最后转向系统稳定器和后差速器的建模主要考虑了刚性模型中的惯性特性4.1.1验证结果-使用上述MBD模型和缸内压力预测方法，对曲轴振动进行了预测。这些结果与使用V8发动机的后驱动车辆的试验结果进行了验证。由于曲轴振动是非稳态耦合MBD模型和缸内压力计算执行。图14显示了MBD模型。气缸内压力的预测结果和实验结果的比较如图15所示，对于图16中的动力装置Y向振动和图17中的地板Y向振动，从发动机起动到初始燃烧后，缸内压力和振动预测结果与实际车辆试验结果有很好的相关性，初始燃烧发生在0.7秒，振动水平为紧接着是最高的。
4.1.2机理分析-研究的重点是由于发动机初始燃烧事件引起的地板振动的最大峰值。为了了解地板振动峰值，研究了各构件对车身的输入贡献，近似地表示了刚体各点的振动输入与地板加速度评价点之间的关系。
式中，.fl：地板加速度，M：车身质量，Ixx和Izz：车身惯性矩，Fyi和Fzi：振动输入，Xi、Yi和Zi：车身重心和振动输入点之间的距离，L和H：车身重心和评估点之间的距离。利用这一关系式，可以确定车辆各部分的振动输入贡献。通过对初始燃烧时的振动分析结果表明，从发动机和前悬架输入的Y方向在初始燃烧后立即记录的输入峰值中起主导作用（图18）。动力总成在初始燃烧时的Roll振动产生一个左向力，其结果是，由悬架传递到车身的右向力峰值是由于车身YAW模态与动力总成Roll模态产生的右向力峰值相结合而产生的。
4.2.1验证结果-使用装有直列四缸发动机的前轮驱动车辆，验证了D档内的怠速振动预测结果。假设怠速振动处于稳态，并将预测的缸内压力激励输入到MBD模型中，进行计算。预测将图19中的缸内压力、图20中的动力总成Z向振动、图21中的前悬架（转向节）Z向振动和图22中的地板Z向振动的结果与试验结果进行了比较，预测结果与实际车辆结果吻合较好。
4.2.2 机理分析-与曲柄振动一样，研究的重点是地板振动的峰值，然后研究每个部件对车身和悬架的输入贡献。使用整车分析研究地板振动对每个部件传递力的敏感性。图23显示了由各部分传递的力引起的地板振动。传递的力分为从发动机悬置接收的力、驱动轴平动振动、驱动轴扭矩波动和排气管支架衬套。图24结果表明，驱动轴平动振动输入对地板振动的贡献最大。
这种力是由于发动机Roll振动激励驱动轴平动振动而产生的。这是因为由于发动机驱动扭矩导致等速万向节摩擦增加，振动传递力增加了更大的弹簧刚度。悬架和通过上支架转移到车体上。4.3.1验证结果-同样的方法用于验证在使用带直列四缸发动机的前轮驱动车辆锁定期间的振动预测。锁定振动是由动力传动系系统的扭转振动引起的由于发动机扭矩的波动。这种扭转振动随后传递到轮胎和悬架，从而对车辆施加振动。此外，动力总成接收到对曲柄系统的反作用扭矩，从而引起振动，然后通过发动机悬置，把振动传递到车辆的其余部分。由于锁止期间发动机转速的变化，有必要验证不同发动机转速下的振动。为了缩短计算时间，对不同发动机转速下的锁止振动进行了预测。与怠速振动条件一样，进行计算时假设锁止振动处于稳态，并预测输入到MBD模型的气缸内压力。图26比较了预测和测量的气缸内压力的单个示例。图27和28显示了与驱动轴扭矩波动和动力总成Z向振动有关的二阶发动机旋转预测和测量。预测结果与实际相符结果。
为了准确预测动力传动系统引起的非稳态和非线性振动的低频范围，建立了MBD模型该模型包括发动机悬置、驱动轴等速万向节、排气管球头等部件的缸内压力预测方法和非线性模型。该模型用于预测发动机的非稳态起动振动、稳态怠速振动和抱死振动在每种情况下，预测结果都与车辆试验结果有很好的相关性。通过分析振动输入对曲轴振动和怠速振动计算结果的贡献，对所涉及的机理有了清晰的认识。1. Matsumoto, Kazuyuki et al., ”IdleVibration Analysis Using Full Vehicle Simulation Model,” The Society ofAutomotive Engineers of Japan, 2003.2. Tsukada, Taiki et al., “Development ofthe Functional Digital Vehicle,” Nissan Technical Review No. 58, 2006.3. Kurisu, Toru et al., “Application ofADAMS to Powertrain Development,” Mazda Technical Review No. 22, 2004.4. Takei, Masayuki, “Simulation for EngineStart Vibration using In-cylinder Pressure PredictionMethod,” The Society of AutomotiveEngineers of Japan, 2007.5. Lee, Youngchan, “Study on TransientResponse Characteristics of Front Transverse Power Transverse Power train atthe Key On/Off,” SAE2007-01-2283, 2007.6. Akanda, Anab, Chandu Adulla, “EngineMount Tuning for Optimal Idle and Road Shake Response of Rear-Wheel-DriveVehicle,” SAE 2005-01-2528,2005.7. Hage, Anthony, Antoni Szatkowski,“Improving Low Frequency Torsional Vibration NVH Performance through Analysisand Test,” SAE 2007-01-2242, 2007.以上是本次的全部内容，后续更新时间待定，敬请期待。
