某混合动力总成系统模态频率匹配分析

张远亮，张立民

(1.四川城市职业学院 汽车与信息工程学院，四川 成都 610110； 2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)



某混合动力总成系统模态频率匹配分析

张远亮1，张立民2

(1.四川城市职业学院 汽车与信息工程学院，四川 成都 610110； 2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

针对某混5408动力总成系统的双层隔振问题，利用ADAMS动力学仿真软件建立了柔性车架、刚性柴油发电机组的刚柔耦合模型.对该双层隔振系统进行了模态分析计算，得到了双层隔振系统的模态参数.对混合动力系统各主要部件、混合动力系统与车体、混合动力系统与柴油发电机组进行了模态频率匹配分析.结果表明：混合动力总成系统隔振器刚度设计满足各部件、车体及柴油发电机组之间不发生强烈耦合共振，模态匹配合理，隔振器刚度设计得当.

混合动力；双层隔振；刚柔耦合；模态频率匹配

0 引言

通过弹性元件将内燃机与基础连接构成的单层隔振系统，其振级落差一般可达20～25 dB，但对于振动、噪声指标要求高的设备，单层隔振系统已不能达到隔振要求[1].相关设计人员已经开展了双层隔振系统深入研究[2- 4]，以达到减振降噪的设计目标.

在设计应用中，由于隔振器安装位置的固定、隔振系统的质心及几何不对称等现实约束条件，这些导致系统的固有频率是耦合在一起的.这样，仅有合理调节隔振器各向刚度值，才能使系统各部件的固有频率相互隔离、系统的固有频率避开激振力(力矩)频率范围，实现双层隔振系统的固有频率与激振力频率的合理匹配[5- 6].

本文利用ADAMS动力学仿真软件建立了混合动力总成双层隔振系统的刚柔耦合模型，对双层隔振系统进行了模态分析计算，判断了双层隔振系统模态匹配的合理性.

1 混合动力总成系统简介

研究对象是电力与内燃混合动力动车组内燃动力包总成.动力总成通过隔振器吊装在动车组车体下方，如图1所示.动力总成是将包各部件(柴油发电机组2、散热器3、空滤器4、消音器5、液压泵6和静液压油箱7、水箱8以及各系统之间的连接管路)集成在一个框架上，如图2.

图1 动力总成悬挂示意图

图2 动力总成组成结构

该动力总成采用双层结构隔振系统，框架与底部连接的隔振器称为二级隔振器组，柴油发电机组与框架之间的隔振器称为一级隔振器组.

二级隔振器组由4个V型隔振器组成，编号为分别为2- 1～2- 4，如图3(a)所示；一级隔振器组由9个柱状隔振器组成，编号分别为1- 1～1- 9，如图3(b)所示.

(a)二级隔振器 (b)一级隔振器

图3 橡胶隔振器

动力总成柴油发电机组是动力总成中的主要激振源，通过5个橡胶隔振器安装在框架上；框架通过4个橡胶隔振器安装在动车车体下方，共同组成双层隔振的主隔振系统.此外散热器和静液压泵组通过4个橡胶隔振器安装于框架上构成双层隔振系统的两个子隔振系统.

图4 隔振器位置和编号

主要组成部分质量kg转动惯量/(kg·m-2)JxJyJz柴油发电机组1986132817950框架8304318851284液压泵500.140.660.67散热器50026169159

动力包隔振系统的各个隔振器的位置和编号如图4，各附属部件的结构参数和物理参数如表1.

2 混合动力总成系统模型的建立

将动力包简化为四个部件，分别为框架、柴油发电机组、散热器和静压泵.根据实际情况，将框架考虑为柔性体，柴油发电机组、散热器和静压泵简化为刚性体且通过隔振器悬挂在框架上，框架二级隔振器下端连接在框架，上端固定约束.橡胶隔振器简化为三向弹簧模型，采用ADAMS动力学仿真软件建立了双层隔振动力学模型.

动力包刚柔耦合模态计算简化模型如图5所示.

图5 混合动力总成系统模态计算简化模型

3 混合动力总成系统模态分析及模态匹配

模态分析的实质是一种坐标变换.其目的在于把原来在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述，这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量[7- 9].

3.1 混合动力系统各主要部件模态匹配分析

利用ADAMS动力学仿真软件，计算分析混合动力总成系统模态参数.实际中因液压泵质量较小，忽略该部件.

将框架的刚体和弹性模态，柴油发电机组刚性模态和散热器刚性模态归纳如表2.从表中可以看出：对框架和柴油机组的固有频率值在6个刚体自由度方向分别进行比较，即表2中每一行的数值，可知各个自由度对应的固有频率值均相差较大，不会发生耦合共振.

对框架和散热器的固有频率值在6个刚体自由度方向分别进行比较，即表2中每一行的数值，可知各个自由度对应的固有频率值均相差较大，不发生耦合共振.

框架弹性模态与柴油发电机组和散热器的刚体模态对应的频率值均相差较大，也不发生耦合共振.结果表明:动力包隔振器刚度设计满足动力包部件之间不发生耦合共振.

表2 动力总成系统各部件模态参数

3.2 混合动力系统与车体固有频率匹配分析

为了避免车体与动力包发生耦合共振，对车体、混合动力系统框架和柴油机组进行了模态匹配分析，车体的模态固有频率如表3.车体与框架的模态匹配如表4.

表3 车体模态参数

表4 车体与框架的模态匹配

3.3 混合动力系统与柴油发电机组激励频率匹配分析

柴油发电机组的激振力有往复惯性力(矩)、离心惯性力(矩)、倾倒力矩，其中往复惯性力(矩)和离心惯性力(矩)幅值很小，不会引起系统强烈共振；倾倒力矩以3谐次和6谐次为主，其频率与柴油机转速有关.不同转速的激励频率如表5所示.

表5 柴油发电机组的转速与激励频率关系

从表5可以看出：柴油发电机组的激励主要是绕x轴的扭矩，动力包框架，柴油发电机组和散热器的侧滚固有频率分别为29.05，13.04和5.61 Hz，能够避开柴油发电机组的主要激励频率，因此不会发生耦合共振.

4 结论

利用ADAMS动力学仿真软件对某型混合动力总成系统进行模态分析，然后对模态结果进行了简单的频率匹配分析，结果表明：混合动力总成系统隔振器刚度设计满足各部件、车体及柴油发电机组之间不发生强烈耦合共振，模态匹配合理，隔振器刚度设计得当.

[1]胡甫才,蔡勇,钟庆敏，等.柴油发电机组双层隔振的分析与试验研究[J].噪声与振动控制,2007(4):10- 13.

[2]葛剑民,毛东兴.水泵机组双层隔振降噪研究[J] .噪声与振动控制,2003(4):7- 10.

[3]皮连根,辛国喆.12000-DE柴油发电机积极隔振的试验研究[J].柴油机,2004(6):43- 45.

[4]段红杰,陶浩.汽车双层隔振系统的随机振动隔离及参数优化[J].噪声与振动控制,2007(3):79- 82.

[5]孙玉华.内燃动车动力包双层隔振设计方法研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[6]孙玉华,董大伟,闫兵，等.双层隔振系统模态匹配分析及其振动特[J].振动、测试与诊断,2014,34(4):727- 731.

[7]WARD HEYLEN,STEFAN LAMMENS,PAUL SAS.模态分析理论与试验[M].北京：北京理工大学出版社,2011.

[8]张远亮,张立民.车轮滚动及轨道板激励与车辆固有频率匹配分析[J].铁道机车车辆,2015,35(2):63- 65.

[9]张远亮,张立民,孙维光,等.基于ODS FRF某城际车工作状态下模态贡献分析[J].噪声与振动控制，2014,34(5):65- 69.

Modal Frequency Matching Analysis of A Hybrid Powertrain System

ZHANG Yuanliang1,ZHANG Limin2

(1.Automotive and Information Engineering,Sichuan Urban Voctional College,Chengdu 610110,China； 2.The State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

For a double-hybrid powertrain vibration isolation system,a rigid coupling model of flexible frame and rigidity of diesel generator sets is established according to ADAMS dynamic simulation software.The modal analysis and calculation are conducted,and the modal parameters are obtained.The modal frequency matching analysis is also carried out for the main components of hybrid system,the hybrid system and the vehicle-body,the hybrid system with diesel generator set.The results show that the stiffness isolator design of hybrid power train meets that strongly coupled resonance do not occur in the components,vehicle and diesel generator set with suitable modal match and proper isolator stiffness.

hybrid powertrain system;double isolation;rigid coupling;modal frequency matching analysis

1673- 9590(2016)03- 0023- 04

2015- 09- 20

张远亮(1988-),男，助教,硕士，主要从事车辆分析及隔振设计的研究E-mail:ylzhang@163.com.

A