動力系統(tǒng)懸置傳遞特性分析與應用

張袁元，辛江慧，周　祥，盧澤華（南京工程學院汽車與軌道交通學院，南京211167)

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動力系統(tǒng)懸置傳遞特性分析與應用

張袁元，辛江慧，周祥，盧澤華
（南京工程學院汽車與軌道交通學院，南京211167)

摘要：車輛行駛時，各結構運動件的振動相互影響，合理判斷結構彼此影響的關系，是分析懸置隔振特性的前提。分析和總結以加速度為激勵計算的傳遞特性規(guī)律，推導車輛實際運行時懸置傳遞特性，結合試驗設計懸置件隔振特性計算流程，以獨立動力系統(tǒng)激勵試驗、獨立路面激勵試驗、實際穩(wěn)態(tài)車速試驗獲得振源間的干涉成分、共頻成分和相應比例；最后，通過實車試驗測試與數(shù)據(jù)處理，獲得動力系統(tǒng)懸置時域隔振特性。提出的方法能夠有效地提高懸置隔振率和傳遞特性的評價精度，具有一定工程應用價值。

關鍵詞：振動與波；動力系統(tǒng)；隔振率；加速度傳遞特性

汽車振動是影響駕駛人員乘坐舒適性的重要指標，分析振動傳遞路徑以及振源是解決該類問題的重要前提[1–3]。

汽車結構件的連接大多采用懸置件以隔絕或降低振動激勵，合理判斷懸置件所受激勵輸入的方向是分析該結構性能的關鍵。如在汽車行駛過程中，以采集得到的實車數(shù)據(jù)分析動力系統(tǒng)與車架之間連接懸置件，其中發(fā)動機本身作為振源影響車架，車架也受到路面和驅動橋的激勵產生振動進而影響發(fā)動機，單純的以動力系統(tǒng)作為振動激勵輸入，計算的隔振率明顯偏高，影響振源的識別以及懸置件傳遞屬性的分析。

文獻[4]以偏相干的分析方法濾除響應點中其他振源的影響，只保留主振源造成的響應，但受限于各振源的排序關系；文獻[5]將響應中具有相關性的振源進行集合平均，從某種程度上，解決了應用偏相干方法時的排序問題，但事實上，振源的影響不能簡單的以某種方式平均，不同振源和相應成分的貢獻程度是不一樣的。

以傳遞函數(shù)為基礎，總結以加速度為激勵的響應點傳遞規(guī)律，推導懸置件上下加速度傳遞特性，設計多種試驗方案獲得干涉頻率、共頻成分及相應比例，最后，通過實車狀態(tài)分析懸置的隔振特性，與用測試信號直接計算得到的隔振率比較，評價懸置隔振特性。

1　加速度傳遞特性的規(guī)律總結

傳遞特性的測量中，一般采用力錘或激振器輸入力激勵，其傳遞函數(shù)具有位置的互易性，在傳感器安裝位置或激勵位置受限時具有較大的方便性，但靜態(tài)工況下測試獲得傳遞函數(shù)不足以完全表征結構工作時的傳遞規(guī)律，且在實車工作時候，更多采集運行狀態(tài)時輸入輸出的加速度。

本節(jié)設計一種仿真模型，基于金屬薄板數(shù)值仿真的瞬態(tài)計算，獲得結構件的加速度值，總結加速度作為輸入輸出時的傳遞規(guī)律，為后續(xù)評價懸置件隔振與傳遞特性提供理論指導。仿真模型的示意圖見圖1，其中S1、S2為約束，E為激勵位置，R1、R2為響應位置，實驗時考慮如表1所示的邊界狀態(tài)，每種邊界都包括了脈沖+隨機噪聲、正弦+隨機噪聲、隨機信號三種激勵類型，見圖2。計算金屬板的固有特性見表2。

圖1　金屬薄板的瞬態(tài)計算模型

圖2　振源的不同激勵形式

圖3為不同狀態(tài)時，三種設定激勵下響應點的加速度傳遞特性，其表明，在激勵點位置發(fā)生變化后，響應點的傳遞特性沒有規(guī)律性，也無法體現(xiàn)金屬板的固有頻率；在同一激勵點，激勵形式發(fā)生變化時，以加速度作為輸入輸出計算的傳遞特性是一致的，即當響應測量點位置不變、工況不同時，任意狀態(tài)下計算的加速度傳遞特性可以作為結構的傳遞規(guī)律應用于其他工況。

表1　邊界約束與響應測點位置描述

圖3　不同激勵位置不同激勵形式情況下加速度傳遞特性

圖4為同一激勵不同輸入位置加速度傳遞特性，其表明，不論激勵的輸入順序如何，響應點R1、R2在固有頻率處的傳遞關系呈現(xiàn)倒數(shù)形式，而其他非特征頻率處沒有嚴格的傳遞關系，與激勵位置、阻尼有關。

綜上分析，以結構的前后加速度作為輸入輸出，研究其傳遞特性，可以得到各頻率處的衰減規(guī)律；當輸入輸出的角色發(fā)生變換時，其傳遞特性在固有頻率處為相互倒數(shù)關系。

2　懸置件隔振特性理論分析

2.1懸置件隔振特性理論分析

圖4　同一激勵不同輸入位置情況下傳遞特性對比

圖5　懸置件測量的干涉系統(tǒng)模型

式(1)中，h12、h21分別為動力系統(tǒng)至車架處、車架至動力系統(tǒng)處的懸置件加速度衰減特性，m、n分別為共頻系數(shù)。

考慮車架和動力系統(tǒng)振源在部分頻率的不相關性，利用實際測試加速度值獲得的懸置件頻域隔振率見式(2)

式(2)中，ω1、ω2分別為動力系統(tǒng)、車架的獨立源頻段，ω3為兩者的共頻段。其表明，當存在相互干涉和共頻時，計算得到隔振率明顯大于理論隔振特性H12。

2.2懸置件兩端振源共頻成分判斷

假設動力系統(tǒng)和車架處的獨立源形式如式(3)所示，展開Fourier級數(shù)形式為

式中ωi、ωk為兩振源信號中的獨立成分分量，ωp為源信號中的共頻分量；ai、bk、mp、np為Fourier級數(shù)展開系數(shù)；Ui、Uk為振源中非共頻數(shù)量；Vp為共頻數(shù)量。

測試獲得相互干涉信號的功率譜密度函數(shù)為

式中h1i、h1p、h2k、h2p為加速度衰減系數(shù)。

對于某個頻率分量ωi、ωk、ωp，則得到在任意頻率處的譜幅值比值為

3　懸置件性能測試的試驗設計與計算

動力系統(tǒng)振源、車架振源、懸置相互影響的示意圖見圖6，標示F1、F2、F3處代表車架處振動測試位置，E1、E2、E3為懸置相應動力系統(tǒng)測點位置，實際測試場景見圖7。設計三類試驗獲得第2節(jié)中的相關參數(shù)。試驗與信號處理方法的流程見圖8。

圖6　動力系統(tǒng)與車架連接的示意圖

圖7　發(fā)動機左懸置的實際測試場景

圖8　試驗獲得實際車速的隔振特性流程

試驗1：高速時，關閉發(fā)動機后空擋滑行獲得車架至動力系統(tǒng)的衰減系數(shù)H21，即可以獲得式(4)中的h1i、h1p。F1、F2、F3測點信號包括路面引起車輪、橋殼、懸架、車架、包括車身等一切可強迫響應部件的振動信息，進而將振動通過懸置傳遞給動力系統(tǒng)，由于車架測點包括了車架本身的模態(tài)信息，以及路面通過不同路徑傳遞至該處的振動，各測點處振動能量反映必然不一樣，同時，動力系統(tǒng)及動力總成系統(tǒng)懸置傳遞的振動也會激起部分模態(tài)特征。

試驗2：空擋發(fā)動機運行時獲得動力系統(tǒng)至車架的衰減系數(shù)H12，即可以獲得式(4)中的h2k、h2p。E1、E2、E3純粹由發(fā)動機激勵引起，包括發(fā)動機本身及動力系統(tǒng)的模態(tài)信息，其通過三個懸置傳遞給車架，車架處三個測點由于車架整體作用，測試獲得信息包括車架影響，即表明三個測點振動能量也存在耦合。

以上試驗中，懸置件受到結構約束的影響，其兩端的振動信號都包括了約束結構的模態(tài)信息，通過計算獲得的懸置特性是實車安裝與運行狀態(tài)下的綜合影響，即以實車狀態(tài)研究懸置件的動態(tài)特性，是懸置件改進較為合理的研究方向。

試驗3：基于車輛行駛時實際運行的工況，根據(jù)式(4)獲得共頻比例，同時，從輸出響應中減去干涉源的影響，進而獲得實際懸置的時域隔振率。

3.1試驗數(shù)據(jù)分析

(1)繪制空擋滑行的時域與頻域擬合圖。說明懸置件的車架至動力系統(tǒng)的傳遞規(guī)律。

圖9為懸置件上下的加速度譜陣圖，懸置下端(車架處)表現(xiàn)較為明顯的階次性，且左右車架測點的一致性較好。基于滑行中頻率隨車速下降呈線性關系，選擇以圖9中的階次代替車速，從而將時間軸更換為頻率軸。

圖9　空擋滑行時動力系統(tǒng)左右懸置的譜陣圖

以頻率軸對多次滑行測量進行對齊和平均，避免多次滑行中時間軸的不一致性。經過對齊后的滑行數(shù)據(jù)見圖10，多次測量數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

圖10　動力系統(tǒng)-發(fā)動機左懸置上振動信號

試驗中，滑行車速穩(wěn)定在140 km/h～60 km/h，圖11表明，車架和動力總成處測得頻率成分集中在前300 Hz，尤以變速箱上下振動強度大，路面造成車架處激勵集中在80 Hz和150 Hz頻段。動力總成處的響應相對車架要大，從常識來說，并不吻合車架作為激勵，動力總成作為響應時的振動系統(tǒng)輸出，可能的原因是：動力總成變速箱部分仍有傳動軸等后橋傳過來的激勵，且懸置部分對部分激勵有放大作用。事實上，在實際行駛中，路面造成的激勵對車架與動力總成的影響沿用這種傳遞規(guī)律。

(2)動力系統(tǒng)空擋加速時的傳遞規(guī)律

圖11(a)表明路面激勵能量主要集中在100 Hz以前和200 Hz頻段，圖12(a)表明動力系統(tǒng)激勵能量集中在100 Hz頻段以及相應的倍頻處，綜合說明兩者所產生的激勵和響應頻域有明顯的重合段，即在實際運行中，高速時，動力總成激勵與路面激勵有共頻成分。結合其絕對幅值的貢獻來看，以動力系統(tǒng)的貢獻占主要成分，這與在懸置件的傳統(tǒng)計算思路中忽略路面貢獻基本是一致的。

(3)車輛勻速行駛時的隔振率計算

以100 km/h勻速行駛作為試驗、計算的評價工況，圖13和圖14分別為該狀態(tài)下動力系統(tǒng)左懸置車架處響應功率譜密度曲線和左懸置三種試驗狀態(tài)傳遞特性比較。

圖11　空擋高速滑行時懸置上下的頻域貢獻

圖12　空擋加速時懸置上下的頻域貢獻

圖13表明，車架處響應能量集中在低頻、發(fā)動機運行的倍頻處，即車架處貢獻包括來源于路面和動力系統(tǒng)的激勵頻率。

圖13　動力系統(tǒng)左懸置車架處響應功率譜密度曲線

結合圖14表明，在低頻處即50 Hz以前，以100 km/h勻速行駛工況的加速度傳遞特性基本與空擋滑行曲線一致，主要貢獻的倍頻除97 Hz外，也基本與空擋加速曲線一致?；谑?4)和圖5所示的系統(tǒng)方法，求解得到在97 Hz兩種狀態(tài)的共頻比例0.7:0.3，50 Hz路面能量貢獻為4%，進而獲得100 km/h的時域隔振率為4.28 %，相對于直接計算的5.62 %，其精度提高了23.8 %。其他懸置不同勻速工況下的隔振率比較見表3。

圖14　左懸置三種試驗狀態(tài)傳遞特性比較

表3　帶檔勻速工況下動力系統(tǒng)懸置時域隔振率評價

表3表明，懸置件的隔振性能經過系統(tǒng)方法計算后的時域隔振率比原計算精度提高了10 %～40%，有利于懸置件的評價及對其進行進一步分析。

4　結語

以懸置件的隔振效率為研究目標，理論分析其傳統(tǒng)思路計算的誤差，通過設計多種試驗方法，可以有效提高其評價精度。主要結論有：

(1)在無法獲得實際傳遞函數(shù)時，提出以加速度傳遞特性作為計算基礎，可以反映懸置件的隔振特性。

(2)理論分析傳統(tǒng)隔振特性計算的誤差，提出了以高速空擋滑行、定置空擋加速等試驗獲得懸置件的頻域加速度隔振特性，有效修正時域隔振率計算。

試驗效果表明，新方法可以有效提高動力系統(tǒng)懸置件隔振率的評價精度，為進一步改進提供可靠數(shù)據(jù)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

作者簡介：張袁元(1982- )，男，湖北荊州人，講師，工學博士，主要研究方向為機械振動測試與CAE仿真分析。E-mail:tangyuanyuan1214@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51405221)；南京工程學院校級科研基金資助項目(YKJ201334；CKJB201408)

收稿日期：2015-09-10

文章編號：1006-1355(2016)02-0130-05+143

中圖分類號：TH212；TH213.3

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.029