动力系统悬置传递特性分析与应用

张袁元，辛江慧，周　祥，卢泽华（南京工程学院汽车与轨道交通学院，南京211167)



动力系统悬置传递特性分析与应用

张袁元，辛江慧，周祥，卢泽华
（南京工程学院汽车与轨道交通学院，南京211167)

摘要：车辆行驶时，各结构运动件的振动相互影响，合理判断结构彼此影响的关系，是分析悬置隔振特性的前提。分析和总结以加速度为激励计算的传递特性规律，推导车辆实际运行时悬置传递特性，结合试验设计悬置件隔振特性计算流程，以独立动力系统激励试验、独立路面激励试验、实际稳态车速试验获得振源间的干涉成分、共频成分和相应比例；最后，通过实车试验测试与数据处理，获得动力系统悬置时域隔振特性。提出的方法能够有效地提高悬置隔振率和传递特性的评价精度，具有一定工程应用价值。

关键词：振动与波；动力系统；隔振率；加速度传递特性

汽车振动是影响驾驶人员乘坐舒适性的重要指标，分析振动传递路径以及振源是解决该类问题的重要前提[1–3]。

汽车结构件的连接大多采用悬置件以隔绝或降低振动激励，合理判断悬置件所受激励输入的方向是分析该结构性能的关键。如在汽车行驶过程中，以采集得到的实车数据分析动力系统与车架之间连接悬置件，其中发动机本身作为振源影响车架，车架也受到路面和驱动桥的激励产生振动进而影响发动机，单纯的以动力系统作为振动激励输入，计算的隔振率明显偏高，影响振源的识别以及悬置件传递属性的分析。

文献[4]以偏相干的分析方法滤除响应点中其他振源的影响，只保留主振源造成的响应，但受限于各振源的排序关系；文献[5]将响应中具有相关性的振源进行集合平均，从某种程度上，解决了应用偏相干方法时的排序问题，但事实上，振源的影响不能简单的以某种方式平均，不同振源和相应成分的贡献程度是不一样的。

以传递函数为基础，总结以加速度为激励的响应点传递规律，推导悬置件上下加速度传递特性，设计多种试验方案获得干涉频率、共频成分及相应比例，最后，通过实车状态分析悬置的隔振特性，与用测试信号直接计算得到的隔振率比较，评价悬置隔振特性。

1　加速度传递特性的规律总结

传递特性的测量中，一般采用力锤或激振器输入力激励，其传递函数具有位置的互易性，在传感器安装位置或激励位置受限时具有较大的方便性，但静态工况下测试获得传递函数不足以完全表征结构工作时的传递规律，且在实车工作时候，更多采集运行状态时输入输出的加速度。

本节设计一种仿真模型，基于金属薄板数值仿真的瞬态计算，获得结构件的加速度值，总结加速度作为输入输出时的传递规律，为后续评价悬置件隔振与传递特性提供理论指导。仿真模型的示意图见图1，其中S1、S2为约束，E为激励位置，R1、R2为响应位置，实验时考虑如表1所示的边界状态，每种边界都包括了脉冲+随机噪声、正弦+随机噪声、随机信号三种激励类型，见图2。计算金属板的固有特性见表2。

图1　金属薄板的瞬态计算模型

图2　振源的不同激励形式

图3为不同状态时，三种设定激励下响应点的加速度传递特性，其表明，在激励点位置发生变化后，响应点的传递特性没有规律性，也无法体现金属板的固有频率；在同一激励点，激励形式发生变化时，以加速度作为输入输出计算的传递特性是一致的，即当响应测量点位置不变、工况不同时，任意状态下计算的加速度传递特性可以作为结构的传递规律应用于其他工况。

表1　边界约束与响应测点位置描述

图3　不同激励位置不同激励形式情况下加速度传递特性

图4为同一激励不同输入位置加速度传递特性，其表明，不论激励的输入顺序如何，响应点R1、R2在固有频率处的传递关系呈现倒数形式，而其他非特征频率处没有严格的传递关系，与激励位置、阻尼有关。

综上分析，以结构的前后加速度作为输入输出，研究其传递特性，可以得到各频率处的衰减规律；当输入输出的角色发生变换时，其传递特性在固有频率处为相互倒数关系。

2　悬置件隔振特性理论分析

2.1悬置件隔振特性理论分析

图4　同一激励不同输入位置情况下传递特性对比

图5　悬置件测量的干涉系统模型

式(1)中，h12、h21分别为动力系统至车架处、车架至动力系统处的悬置件加速度衰减特性，m、n分别为共频系数。

考虑车架和动力系统振源在部分频率的不相关性，利用实际测试加速度值获得的悬置件频域隔振率见式(2)

式(2)中，ω1、ω2分别为动力系统、车架的独立源频段，ω3为两者的共频段。其表明，当存在相互干涉和共频时，计算得到隔振率明显大于理论隔振特性H12。

2.2悬置件两端振源共频成分判断

假设动力系统和车架处的独立源形式如式(3)所示，展开Fourier级数形式为

式中ωi、ωk为两振源信号中的独立成分分量，ωp为源信号中的共频分量；ai、bk、mp、np为Fourier级数展开系数；Ui、Uk为振源中非共频数量；Vp为共频数量。

测试获得相互干涉信号的功率谱密度函数为

式中h1i、h1p、h2k、h2p为加速度衰减系数。

对于某个频率分量ωi、ωk、ωp，则得到在任意频率处的谱幅值比值为

3　悬置件性能测试的试验设计与计算

动力系统振源、车架振源、悬置相互影响的示意图见图6，标示F1、F2、F3处代表车架处振动测试位置，E1、E2、E3为悬置相应动力系统测点位置，实际测试场景见图7。设计三类试验获得第2节中的相关参数。试验与信号处理方法的流程见图8。

图6　动力系统与车架连接的示意图

图7　发动机左悬置的实际测试场景

图8　试验获得实际车速的隔振特性流程

试验1：高速时，关闭发动机后空挡滑行获得车架至动力系统的衰减系数H21，即可以获得式(4)中的h1i、h1p。F1、F2、F3测点信号包括路面引起车轮、桥壳、悬架、车架、包括车身等一切可强迫响应部件的振动信息，进而将振动通过悬置传递给动力系统，由于车架测点包括了车架本身的模态信息，以及路面通过不同路径传递至该处的振动，各测点处振动能量反映必然不一样，同时，动力系统及动力总成系统悬置传递的振动也会激起部分模态特征。

试验2：空挡发动机运行时获得动力系统至车架的衰减系数H12，即可以获得式(4)中的h2k、h2p。E1、E2、E3纯粹由发动机激励引起，包括发动机本身及动力系统的模态信息，其通过三个悬置传递给车架，车架处三个测点由于车架整体作用，测试获得信息包括车架影响，即表明三个测点振动能量也存在耦合。

以上试验中，悬置件受到结构约束的影响，其两端的振动信号都包括了约束结构的模态信息，通过计算获得的悬置特性是实车安装与运行状态下的综合影响，即以实车状态研究悬置件的动态特性，是悬置件改进较为合理的研究方向。

试验3：基于车辆行驶时实际运行的工况，根据式(4)获得共频比例，同时，从输出响应中减去干涉源的影响，进而获得实际悬置的时域隔振率。

3.1试验数据分析

(1)绘制空挡滑行的时域与频域拟合图。说明悬置件的车架至动力系统的传递规律。

图9为悬置件上下的加速度谱阵图，悬置下端(车架处)表现较为明显的阶次性，且左右车架测点的一致性较好。基于滑行中频率随车速下降呈线性关系，选择以图9中的阶次代替车速，从而将时间轴更换为频率轴。

图9　空挡滑行时动力系统左右悬置的谱阵图

以频率轴对多次滑行测量进行对齐和平均，避免多次滑行中时间轴的不一致性。经过对齐后的滑行数据见图10，多次测量数据具有较好的一致性。

图10　动力系统-发动机左悬置上振动信号

试验中，滑行车速稳定在140 km/h～60 km/h，图11表明，车架和动力总成处测得频率成分集中在前300 Hz，尤以变速箱上下振动强度大，路面造成车架处激励集中在80 Hz和150 Hz频段。动力总成处的响应相对车架要大，从常识来说，并不吻合车架作为激励，动力总成作为响应时的振动系统输出，可能的原因是：动力总成变速箱部分仍有传动轴等后桥传过来的激励，且悬置部分对部分激励有放大作用。事实上，在实际行驶中，路面造成的激励对车架与动力总成的影响沿用这种传递规律。

(2)动力系统空挡加速时的传递规律

图11(a)表明路面激励能量主要集中在100 Hz以前和200 Hz频段，图12(a)表明动力系统激励能量集中在100 Hz频段以及相应的倍频处，综合说明两者所产生的激励和响应频域有明显的重合段，即在实际运行中，高速时，动力总成激励与路面激励有共频成分。结合其绝对幅值的贡献来看，以动力系统的贡献占主要成分，这与在悬置件的传统计算思路中忽略路面贡献基本是一致的。

(3)车辆匀速行驶时的隔振率计算

以100 km/h匀速行驶作为试验、计算的评价工况，图13和图14分别为该状态下动力系统左悬置车架处响应功率谱密度曲线和左悬置三种试验状态传递特性比较。

图11　空挡高速滑行时悬置上下的频域贡献

图12　空挡加速时悬置上下的频域贡献

图13表明，车架处响应能量集中在低频、发动机运行的倍频处，即车架处贡献包括来源于路面和动力系统的激励频率。

图13　动力系统左悬置车架处响应功率谱密度曲线

结合图14表明，在低频处即50 Hz以前，以100 km/h匀速行驶工况的加速度传递特性基本与空挡滑行曲线一致，主要贡献的倍频除97 Hz外，也基本与空挡加速曲线一致。基于式(4)和图5所示的系统方法，求解得到在97 Hz两种状态的共频比例0.7:0.3，50 Hz路面能量贡献为4%，进而获得100 km/h的时域隔振率为4.28 %，相对于直接计算的5.62 %，其精度提高了23.8 %。其他悬置不同匀速工况下的隔振率比较见表3。

图14　左悬置三种试验状态传递特性比较

表3　带档匀速工况下动力系统悬置时域隔振率评价

表3表明，悬置件的隔振性能经过系统方法计算后的时域隔振率比原计算精度提高了10 %～40%，有利于悬置件的评价及对其进行进一步分析。

4　结语

以悬置件的隔振效率为研究目标，理论分析其传统思路计算的误差，通过设计多种试验方法，可以有效提高其评价精度。主要结论有：

(1)在无法获得实际传递函数时，提出以加速度传递特性作为计算基础，可以反映悬置件的隔振特性。

(2)理论分析传统隔振特性计算的误差，提出了以高速空挡滑行、定置空挡加速等试验获得悬置件的频域加速度隔振特性，有效修正时域隔振率计算。

试验效果表明，新方法可以有效提高动力系统悬置件隔振率的评价精度，为进一步改进提供可靠数据前提。

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Analysis and Application of Transfer Characteristics of Power System Mounts

ZHANG Yuan-yuan , XIN Jiang-hui , Zhou Xiang , LU Ze-hua
( Nanjing Instituteof Technology, School of Automobileandrail transit, Nanjing 211167, China)

Abstract:Thevibrationsof different kinematic componentsinteract mutually in car traveling. Reasonably judging the interaction among the components is a necessary preliminary work for analyzing the characteristics of the suspension isolation system. In thispaper, thevibration transfer characteristicswith theacceleration astheexcitation wereanalyzed and summarized. The mount transfer characteristic of the car in traveling was derived. Combining with experiment, the flow chart for themount isolation characteristic computation wasdesigned. Theexperiment schemeincluding independent power system excitation test, independent road excitation test, driving test at a constant speed was proposed to obtain the interference components, common frequency components and the corresponding proportions of the vibration sources. Finally, by the actual driving testing and data processing, the time-domain isolation characteristics of the power system mountswereobtained. Theproposed method can effectively improvetheevaluation precision of themount system isolation andthetransfer characteristics, andhasacertainengineeringapplicationvalue.

Key words:vibrationandwave; power system; isolationrate; accelerationtransfer characteristics

作者简介：张袁元(1982- )，男，湖北荆州人，讲师，工学博士，主要研究方向为机械振动测试与CAE仿真分析。E-mail:tangyuanyuan1214@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405221)；南京工程学院校级科研基金资助项目(YKJ201334；CKJB201408)

收稿日期：2015-09-10

文章编号：1006-1355(2016)02-0130-05+143

中图分类号：TH212；TH213.3

文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.029