附加质量对动力总成悬置支架模态影响的研究！

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动力总成悬置用于有效隔离发动机振动向车架传递，其动态特性对整车振动与噪声有较大影响，如设计不合理,其悬置支架的1阶固有频率太低且处于发动机工作转速激励频率范围内，悬置支架将有产生共振的风险,从而放大振动及工作噪声，因此模态是悬置支架的重要设计指标之一。

支架共振对车内噪声的影响

图1显示了在满负荷准稳态转速扫描期间在发动机悬置主动侧进行的加速度扫略。图1的上部表示发动机缸体上靠近悬置支架连接点的加速度测量值。下部显示了支架（支架1）顶部的加速度测量值，发动机悬置连接到支架上。测量结果表明，在432赫HZ时存在第一个悬置支架共振。显然，支架共振会显著放大来自发动机的振动输入。

图1 支架共振测试（432HZ）

图2显示了在满负荷发动机转速扫描期间，在刚度相对高的支架（支架2）顶部进行的加速度测量。在这种情况下，742HZ的支架共振频率比第一种情况下高70%（图1）。悬置主动侧支架的共振会放大来自发动机的输入，因此需要发动机悬置隔离更高的能量。同样，被动侧支架的共振增加了被动侧点的迁移率，降低了悬置的隔离效果，因此，支架共振（主动和被动）会导致车内产生不必要的结构噪声问题。

图2支架共振测量（742HZ）

图3 测量的DOE声压级，包括432 Hz和742 Hz下的频率段

理想情况下，明显高于发动机点火阶次的发动机阶次不应影响车辆的内部噪音。为了显示支架共振对内部噪声水平的影响，将432HZ（图11）和742HZ（图12）附近的频率段与图3中的内部声散射带进行了比较。散射带包含某类车辆基准数据库中的总体内部噪声级。显然，较高的发动机阶次（如图13所示）会激发432HZ和742HZ的支架共振。为了使支架共振不影响车内声谱，可以合理地预期支架共振对应的频率段与总声级（由图13中的散射带表示）之间的差为10dB或更高。在所给出的示例中，当发动机转速高于2500转/分时，在432HZ（支架1）时，车辆将听到支架共振，而刚度较大的支架（支架2）预计不会在车辆中引起任何噪音问题。

支架共振频率目标设定

传递到车辆内部的结构传播的动力装置噪声主要是低频，通常低于500HZ[1]。然而，根据车辆的传输路径灵敏度，已知高达800 Hz的频率会引起结构噪声问题[2]。因此，作为指南，建议悬置支架的第一阶共振高于一定的截止频率，例如700HZ。该指南将有助于防止与悬置支架相关的不必要的高频结构噪声传播到车内的问题。目前我公司考虑到成本因素，商用车要求大于500HZ,乘用车要求不低于600HZ

不用说，支架的共振频率高度依赖于其边界条件。例如，自由支架与安装在悬置上的同一支架的共振频率不同。安装在车辆上的同一支架将有另一个共振频率。应为安装在车辆上的支架设置目标频率（比如700HZ）。然而，车辆通常在第一个开发阶段不可用。因此，可以使用CAE工具按照以下步骤模拟适当的边界条件。

悬置支架开发流程

除了支架的边界条件（附着点的刚度）外，支架的共振频率还受到动力装置悬置质量的影响。图4概述了悬置支架开发过程，其中考虑了支架的边界条件和支架的质量。该流程基于支架及其相邻结构的有限元模型（主动侧支架的动力总成连接点和被动侧支架的车身/车架连接点）。通过将支架与相邻结构连接，在模型中考虑了边界条件。

图4 悬置支架开发流程

可以通过在支架的安装位置上增加支架的质量份额来考虑动力装置悬置的质量影响。通常使用占整个悬置质量30%到50%的份额。使用此流程，工程师可以优化悬置在车辆上的支架，而无需提供硬件。但是，如果硬件可用，则验证应始终是设计过程的一部分。在这种情况下，支架的第一共振频率可以通过将支架安装在试验台上（设计验证a）来验证，并且有限元模型的边界条件与试验条件的边界条件相匹配。当车辆的第一个原型可用时，可以进行最终验证（设计验证B）。不过，这应该只是一个确认的衡量标准。

案例

以下用案例来说明支架的边界条件和支架质量的模态参与对支架第一共振频率的影响。相邻结构的刚度影响如图5中两种不同情况所示。安装在试验台上的支架的共振频率比安装在发动机缸体上的支架高35%。

图5 验证

发动机悬置质量影响的重要性如图5的底部两行所示。在支架上增加1kg的质量，共振频率下降51%。由于缺乏发动机悬置及其内部零件的详细三维模型，很难预测与主动和被动悬置支架的第一共振频率相关的发动机悬置的质量份额。因此，实现这一目的的一个好的方法是在发动机悬置支架上附加总质量的30%到50%的份额。按我们的经验在实际操作中是把橡胶主簧的一半质量再加上悬置铝芯及安装螺丝的质量作为附加质量（见图6）。

图6 模态分析中附加质量添加案例

同样，附加质量的影响可以用有限元模型可使用以下方程（1）进行研究：

（1）

式中：

f1=没有附加质量的支架共振频率

f2=附加质量后的支架共振频率

Δm =附加质量

m1=支架模态质量

质量m1可以通过使用有限元模型或通过在支架上添加一个小的附加质量（Δmtest）并使用以下方程式（2）来确定：

（2）

式中 ftest =附加试验质量的共振频率

图7显示了悬置质量对悬置支架的第一阶共振频率的影响，通过方程式（8）和有限元分析得出。假设发动机悬置的质量份额为30%到50%，在本例中，支架共振频率在502HZ和568HZ之间。发动机悬置质量的份额根据发动机悬置设计而变化。为了提高预测的准确性，有利于建立不同发动机悬置设计的数据库，包括支架一阶共振频率的附加质量份额。

图7 发动机悬置质量对支架共振频率的影响

参考文献：

1. N.W. Alt, N. Wiehagen, M.W. Schlitzer,“Interior Noise Simulation for Improved Vehicle Sound”, SAE Paper 2001-01-1539

2. J.S. Williams, G.C. Steyer, M. Strand,J. Ditman, “The Dynamics of Powertrain Mounts and Brackets and TheirContribution to High Frequency Powertrain Noise”, 14th International ModalAnalysis Conference 1996, Detroit, Michigan, USA, Volume 2, pp. 11171123

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