AVL Excite在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063)

影響發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)隔振效果的因素很多，各影響因素之間的關(guān)系比較復(fù)雜，對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，必須反復(fù)地進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，要消耗大量的物力和時(shí)間。若能借助比較成熟的軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行仿真模擬，可以提高設(shè)計(jì)效率。AVL Excite是奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司開發(fā)的一款發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它綜合了有限元和多體動(dòng)力學(xué)的分析原理，并結(jié)合了李斯特公司在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。目前國內(nèi)還未見采用AVL Excite(以下簡(jiǎn)稱Excite)進(jìn)行懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，本文介紹利用Excite從多組發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊中選擇出最佳組合。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

研究對(duì)象選擇德國道依茨公司生產(chǎn)的BF6M1013ECP型柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

直列六缸機(jī)主要受氣缸內(nèi)氣體壓力和往復(fù)慣性質(zhì)量引起的傾覆力矩以及內(nèi)力矩的作用。BF6M1013ECP型柴油機(jī)受到的最低頻率的擾動(dòng)力為內(nèi)力矩，其頻率為10 Hz[1]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

建立如圖1所示的坐標(biāo)系。

坐標(biāo)系原點(diǎn)位于質(zhì)心處，x軸平行于曲軸指向自由端。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量慣量和質(zhì)心位置等基本參數(shù)與懸置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性關(guān)系密切。動(dòng)力總成總質(zhì)量1 113 kg(用磅秤測(cè)出)，質(zhì)心位置通過懸吊法測(cè)出，慣性參數(shù)通過扭擺法測(cè)出，分別見表2～4[2]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置四點(diǎn)支承系統(tǒng)

表2 動(dòng)力總成的質(zhì)心位置 mm

表3 動(dòng)力總成的慣性參數(shù) kg·m2

表4 懸置的布置位置 mm

3 懸置組合方案

有三種懸置元件的剛度組合方案可供選擇，見表5。

表5 組合剛度 N/mm

4 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)固有特性分析

利用上述各種參數(shù)可以得到質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，從而建立發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性方程，求解可以獲得懸置系統(tǒng)的固有頻率[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)可以看作一個(gè)空間六自由度剛體，因此懸置系統(tǒng)存在六個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)，分別是沿x軸、y軸、z軸的平移運(yùn)動(dòng)和繞x軸、繞y軸和繞z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)振動(dòng)模態(tài)之間不是相互獨(dú)立的，而是互相耦合的，這種耦合的存在會(huì)增大發(fā)生共振的可能性，惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀況，因此通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，盡量降低各個(gè)振動(dòng)模態(tài)之間的耦合程度是懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方向[4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)各個(gè)模態(tài)之間的耦合程度可用能量耦合因子ηi來衡量，其表達(dá)式如下：

i=x,y,z,θx,θy,θz(1)

式中，T——某階模態(tài)的總能量

Ti——該階模態(tài)下i方向的能量，

mkl——質(zhì)量矩陣第k行第l列元素;

Φj——階模態(tài)下對(duì)應(yīng)的振型向量；

(Φj)k、(Φj)l——Φj第k及第l個(gè)元素。

ηi越大表明i方向的運(yùn)動(dòng)與其它運(yùn)動(dòng)之間的解耦程度越高，一般將ηi大于0.9視為完全解耦。

表6～8列出了三種不同懸置系統(tǒng)的固有頻率和能量耦合狀況[2]。

表6 方案一的能量耦合矩陣

表7 方案二的能量耦合矩陣

表8 方案三的能量耦合矩陣

比較各方案的固有頻率可知，方案三對(duì)應(yīng)各階固有頻率比方案一和方案二對(duì)應(yīng)各階固有頻率都要小，固有頻率越小意味著離共振區(qū)越遠(yuǎn)，也更有利于減小發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。比較采用各方案后的能量耦合關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)方案三繞x軸旋轉(zhuǎn)方向的解耦程度最高，達(dá)到了91.8%；方案二其次，為61.9%；方案一最低，為58.8%。而繞x軸旋轉(zhuǎn)方向是直列式六缸機(jī)的主要受力方向，該方向的解耦程度越高對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)越有利。因此可以確定方案三為最佳方案，方案二其次。

5 Excite仿真

不考慮基礎(chǔ)的彈性效應(yīng)，設(shè)基礎(chǔ)為剛體。輸入的外界載荷參數(shù)為氣缸壓力曲線。在Excite中建立模型。

模型中，機(jī)體和曲軸采用剛體模塊，用質(zhì)心位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來表征發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特性。支承模塊采用非線性單元，用來表征剛度和阻尼隨位移非線性變化的關(guān)系。

(2)

式中：a(t)——懸置點(diǎn)處振動(dòng)加速度時(shí)間歷程，m/s2；

T——采樣時(shí)間，s；

仿真結(jié)果見圖2。

由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，缸內(nèi)氣體作用力和往復(fù)慣性力呈增大的趨勢(shì)，因此從整體上看，加速度均方根值曲線呈上揚(yáng)的趨勢(shì)。從仿真結(jié)果看，方案三對(duì)各懸置剛度配置最為合理，對(duì)改善整機(jī)振動(dòng)狀況效果最好，方案二其次。

b)

c)

d)圖2 仿真結(jié)果

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的上下支架均為彈性，因此采用加速度傳感器分別布置在前后四個(gè)懸置上、下八個(gè)測(cè)點(diǎn)處測(cè)取不同轉(zhuǎn)速工況下的z向加速度信號(hào)，見圖3。這里用振動(dòng)傳遞率L來表征發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)隔振效果的好壞。

(3)

L越小表明隔振效果越好[2]。

從整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)看出，方案三隔振效果最好，方案二其次，方案一效果最差。

a)

b)

c)

d)圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)束語

1) 通過仿真分析得到的結(jié)論與能量解耦理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果得出的結(jié)論是一致的，由此可以確信對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)置系統(tǒng)設(shè)計(jì)Excite是一個(gè)有力的工具。雖然主要將Excite用于懸置組合方案的選擇，實(shí)際上也可用于其它懸置設(shè)計(jì)的場(chǎng)合如懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，通過Excite仿真能夠方便進(jìn)行分析和模擬，起到部分代替實(shí)驗(yàn)的作用，從而降低實(shí)驗(yàn)成本，縮短研發(fā)周期。

2) 主要探討了Excite仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)，對(duì)結(jié)果的精度未予關(guān)注，只考慮了部分主要因素的影響，因此對(duì)Excite模型進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，如假設(shè)機(jī)體、曲軸和基礎(chǔ)為剛體，忽略了懸置剛度阻尼的頻變和幅變特性，沒有考慮氣體壓力以外其它的可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)有影響的作用力如配氣機(jī)構(gòu)的作用力，若要得到比較精確的結(jié)果，需建立發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和曲軸的有限元模型，并對(duì)懸置的特性進(jìn)行精確的測(cè)量。當(dāng)然，分析時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，所以必須綜合進(jìn)行權(quán)衡。

[1] 吳炎庭，袁衛(wèi)平.內(nèi)燃機(jī)噪聲振動(dòng)控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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[3] 方錫邦,汪 佳.轎車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)三維動(dòng)力學(xué)模型的建立及優(yōu)化[J].阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，21(2)：45-48，56.

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