基于模態分離的動力總成模態優化方法

動力是影響汽車nvh性能的重要激勵因素。它的振動通過懸掛系統的懸掛點傳輸到車身，并在車內引起異常振動。尤其,當排氣系統模態頻率在怠速頻率范圍內,會產生嚴重的怠速共振。因此,控制排氣系統模態與怠速頻率頻率分離是一個重要的NVH指標。通過模態分離,可以有效的避免開發后期成品車的怠速共振問題,在某皮卡車開發過程中,嘗試應用下述方法優化該車的排氣系統模態。排氣系統模態優化的分析流程如下:2)確定排氣系統掛鉤位置;4)分析試驗結果確定最優參數。1質心定位原理及質心安裝排氣系統與發動機通過法蘭連接,通過吊掛裝置與車架連接;其一般由三元催化裝置、波紋管、消聲器及各部件之間的連接管道組成。排氣系統模型建立涉及到以上零部件:1)動力總成系統在其質心坐標位置應用集中質量單元模擬,并輸入其質量、轉動慣量等參數,這些參數可由動力總成轉動慣量試驗獲得;2)動力總成懸置在懸置的彈性中心處建立CBUSH單元,根據懸置的設計參數,輸入其主彈性軸剛度;3)波紋管和吊掛點處的橡膠吊耳以CBUSH單元模擬,其初始剛度值應用以往其它相似車型的設計值;4)排氣系統的大部分鈑金件用殼單元模擬,而法蘭與掛鉤等部分采用實體單元CHEXA/CPENTA模擬;5)焊接單元使用ACM單元模擬,螺栓使用RBE2單元模擬。應用以上原則,在ANSA中建立此模型,如圖1所示。2u3000解決方案排氣系統模態優化的基礎是確定排氣系統掛鉤的位置,吊鉤位置的合理布置是減振降噪的重要途徑,一般選擇排氣系統振動較小的位置作為掛鉤的吊掛點,對于排氣系統到車架的振動衰減、增加吊耳壽命等具有作用。本文按照參考文獻介紹的平均驅動自由度位移(ADDOFD)方法,在某頻率范圍內全部模態被激發的情況下,將所有模態位移加權處理,選取疊加位移最小點位置或附近位置作為掛鉤懸掛點。首先,明確激勵范圍的頻率,此款車使用4缸4沖程柴油發動機,發動機的額定工作轉速為3600rpm,發動機的二階激勵由公式,(式中,i為發動機的氣缸數,n為發動機轉速,m為發動機的沖程數)計算,對應于發動機額定轉速的激勵頻率為120Hz。利用MSC.NastranSOL103求解排氣系統0~120Hz范圍內的所有自由模態,并輸出Punch中性文件用于后處理。沿排氣管軸向從其熱端到冷端中心線頂部節點的X向坐標作為位移加權曲線圖的X軸,所有節點的加權位移值作為曲線圖的Y軸坐標,見圖2。從圖2可知,選取曲線的波谷處作為吊鉤懸掛點最為理想,由于排氣系統結構、其運動包絡空間及與車架連接位置等因素限制,并不能將所有掛鉤位置布置在曲線的波谷處,如圖2中紅色圓圈標出的掛鉤位置實際對應圖1中的掛鉤位置。3結果分析和討論排氣系統模態優化有不同方式,例如:可以改變其結構,修改管道的直徑和厚度,修改消聲器的位置等,這種方式的弊端是會造成排氣背壓、排氣噪聲等的變化。本文選用調整排氣系統軟連接部位的剛度,包括波紋管剛度和橡膠吊耳剛度參數,達到排氣系統模態優化目的。正交試驗設計是分析多因素試驗的科學有效的方法,其優點在于可以從很多試驗方案中挑選出代表性強的少數試驗方案,根據試驗結果分析,推斷出最優的方案,同時可以得到比試驗結果本身給出的有關因素的信息。本文采用2水平7因素的8次正交試驗設計L8(27),根據以往設計經驗選擇對模態影響較大的七個因素(用A,B,C,D,E,F,G表示),每個因素分別設置兩個不同的水平值,見表1。表中:Kx1,Ky1,Kz1波紋管線性剛度;Kxx1,Kyy1,Kzz1為波紋管扭轉剛度;Kx2,Ky2,Kz2為橡膠吊耳線性剛度。應用MSC.Nastransol103求解得到以下8組不同的計算結果,見表2。表中列出了主要關注的排氣系統模態:第1階橫向彎曲模態、第1階垂向彎曲模態,第2階橫向彎曲模態、第2階垂向彎曲模態。根據模態分離原則,上述4個頻率應該避開的一些頻率描述如下:1)第1階橫向、垂向彎曲模態應該低于發動機二階怠速頻率,否則會引起強烈的振動耦合。發動機怠速頻率在空調關閉、開啟情況下分別是750rpm,800rpm,轉速的波動范圍是30rpm;因此,發動機怠速激勵的二階頻率范圍是24Hz~27.7Hz。2)為了避免排氣系統自身模態耦合,其相鄰兩階模態頻率建議錯開2Hz以上。3)排氣系統的第一階彈性體模態應該大于動力總成系統的剛體模態,該款動力總成的剛體模態范圍在5.7~14.2Hz,建議第一階彈性體模態頻率在16Hz以上。4因素對模態分離的影響對以上正交試驗結果進行分析,分別計算7個因素對4個模態的極差,分析各因素對不同模態的影響,繪制各因素隨水平變化的因素指導圖,見圖3。圖中X軸分別是7個因素的不同水平值,Y軸是模態頻率值,4組變化的曲線是7個因素對模態變化的影響趨勢,曲線的斜率越大說明因素對模態影響越大。綜合來看,7個因素對模態第1階垂彎、橫彎影響較大,而對第2階垂彎、橫彎影響較小。其中因素G對第2階垂彎有顯著影響,因素F對前3階模態均有較大影響。分析正交試驗結果,發現所有結果均不滿足模態分離要求,從第2階橫彎、垂彎模態來看,第2,3,5,8組試驗模態錯開了2Hz以上;第8組的波紋管剛度較大,有主要提高疲勞壽命,因此在8組的基礎上進一步對參數進行調整。分析圖3,提高因素E,F的值,同時降低因素G的值,有助于將第1階橫彎、垂彎頻率降低。因此,因素E,F取值為10N/mm,因素G取值35N/mm。重新計算,得到4個模態頻率分別為16.3Hz,21.9Hz,33.8Hz,37.6Hz,該結果滿足模態分離要求。七個因素的最終優化參數為:5排氣系統約束模態優化設計在整車排氣系統開發過程中,應用CAE分析