CN106568604B - 一种汽车动力总成悬置系统隔振率的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车动力总成悬置系统隔振率的计算方法，包括步骤：获取动力总成惯性参数；获取悬置系统刚度参数及悬置点位置信息；布置传感器；确定激励力主阶次；测试悬置动力总成侧和车身侧加速度；计算动力总成激励力；采用脉冲激励法测试悬置车身侧IPI；基于激励力的识别结果，采用迭代算法计算悬置动力总成侧和车身侧加速度；根据悬置动力总成侧和车身侧加速度计算悬置隔振率。本发明可预测该动力总成匹配不同悬置系统或者将其安装于不同车型时悬置系统的隔振性能，有效减少试验次数，并为悬置系统的优化设计提供参考依据；能够提取到较准确的发动机加速过程中的加速度阶次信号的幅值和相位；适用于悬置车身侧振动较剧烈的情况。
Description
技术领域
本发明涉及汽车动力总成悬置系统优化设计领域，特别涉及基于汽车动力总成激励力识别的悬置动力总成侧和车身侧的加速度以及悬置隔振率的理论计算方法。
背景技术
动力总成作为汽车主要激励源，其振动经悬置系统传递至车身，进而引起车身的振动。汽车动力总成悬置系统是影响汽车乘坐舒适性的主要因素之一，悬置系统的隔振率是其隔振性能的重要评价指标。在实际的工程应用中，常通过实验测试的悬置动力总成侧和车身侧的加速度，计算得到悬置在各个方向的隔振率，以隔振率的大小作为悬置性能的评价依据。
通过测试悬置动力总成侧和车身侧的加速度得悬置隔振率的方法需要将动力总成和悬置系统装在整车上进行试验，工作量大，测试成本高。因此，通过理论计算的方法得到悬置动力总成侧和车身侧的加速度具有重要意义。
要通过理论计算的方式得到悬置系统的隔振率，首先必须确定动力总成激励力。目前最为常见的直列四缸机发动机，其振动激励主要包括活塞组件与曲柄连杆机构产生的二阶往复惯性力，和气缸内气体燃烧爆发压力产生的绕曲轴方向的二阶倾覆力矩。影响激励力的因素很多，难以通过理论计算得到精确结果，也难于通过实验直接测定。在已发表的文献当中，通常将动力总成视为刚体、假定悬置连接在没有弹性的地基上，建立动力总成悬置系统的动力学模型，根据动力总成的惯性参数、悬置的刚度、安装位置等参数，结合离散频谱校正理论，对作用在动力总成质心的激励力进行识别。
发明内容
本发明考虑了悬置与车身连接处的弹性特性，建立了动力总成激励力识别的方法。根据实际测试的悬置与动力总成和与车身相连接处的加速度，和动力总成的惯性参数、悬置的刚度与安装位置等参数，给出了动力总成激励力的计算方法。根据识别的动力总成的激励力、测试得到的悬置车身侧IPI参数和动力总成的惯性参数、悬置的刚度与安装位置，建立了动力总成悬置系统隔振率的计算方法。根据动力总成的激励力和悬置车身侧IPI参数，可以计算动力总成安装在不同车型或者匹配不同悬置系统时，悬置动力总成侧和车身侧加速度及悬置的隔振率，为悬置系统的优化设计提供参考依据。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种汽车动力总成悬置系统隔振率的计算方法，包含以下步骤：
(1)建立坐标系与收集动力总成惯性参数；
(2)获取悬置复刚度矩阵、安装位置及安装角；
(3)布置传感器：在每个悬置的动力总成侧和车身侧分别安装一个三轴加速度传感器，传感器的局部坐标系坐标轴方向与固定坐标系坐标轴方向平行；加速度传感器和发动机曲轴转速计连接数据采集器，数据采集器连接计算机；
(4)确定动力总成激励力的计算阶次，即激励力的主阶次N；
(5)测试各悬置动力总成侧和车身侧加速度；
(6)计算固定坐标系下的动力总成激励力；
(7)采用脉冲激励法测试悬置车身侧IPI；
(8)采用迭代算法计算动力总成应用于不同车型或者匹配不同悬置系统时，悬置动力总成侧、车身侧的加速度；
(9)计算各悬置在各方向上的隔振率：悬置隔振率定义为T＝20·lg(ae/ac)，ae和ac分别为悬置在一个方向的悬置动力总成侧和车身侧加速度。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：
(11)利用动力总成惯性特性测试台架，测出动力总成质量m，动力总成质心位置O；以O为原点建立固定坐标系O-XYZ，Y轴平行于曲轴轴线、正向指向曲轴自由端，Z轴正向竖直向上，X轴以右手定则确定；
(12)利用动力总成惯性特性测试台架测出动力总成绕X轴的转动惯量Jxx、绕Y轴的转动惯量Jyy、绕Z轴的转动惯量Jzz、动力总成对X轴和Y轴的惯性积Jxy、对Y轴和Z轴的惯性积Jyz、对Z轴和X轴的惯性积Jzx，建立动力总成质量矩阵M。
进一步地，所述步骤(2)具体包括：
(21)动力总成悬置系统包含的悬置个数记为h，h＝3或h>3；在固定坐标系O-XYZ中，按照X方向从小到大的顺序对各悬置进行编号，记为悬置1、悬置2、…悬置h；
(22)利用弹性体测试系统测试悬置i(i＝1,2,…,h)在局部坐标系下三个轴向复刚度kiu、kiv、kiw，获得悬置i的复刚度矩阵Ki＝diag(kiu,kiv,kiw)；
(23)在固定坐标系下，获取悬置点i的坐标[xi yi zi]，获取悬置安装角，得到悬置i局部坐标系的三个坐标轴在固定坐标系中的方向余弦矩阵Ti。
进一步地，所述步骤(5)具体包括：
(51)在底盘测功机上，设定变速器挡位，启动发动机，待发动机稳定后，将油门踏板迅速踩至极限位置，通过计算机控制数据采集器，采集发动机加速过程中的转速和加速度数据；
(52)根据转速数据，对振动加速度数据进行阶次分析，得到升速过程中N阶加速度的幅值和相位随转速的变化；
(53)转速n对应悬置i动力总成侧的N阶加速度幅值和相位分别为和转速n对应悬置i车身侧的N阶加速度幅值和相位分别为和上标“T”表示矩阵转置，上标“e”表示悬置动力总成侧，上标“c”表示悬置车身侧。
进一步地，所述步骤(6)具体包括：
根据公式计算固定坐标系下的动力总成激励力，式中：F(f)＝[Fx(f) Fy(f) Fz(f) Mx(f) My(f) Mz(f)]T，F(f)指动力总成在发动机转速为n的N阶激励力，Fx(f)、Fy(f)、Fz(f)分别为动力总成在X、Y和Z轴正向的激励力，Mx(f)、My(f)、Mz(f)分别为动力总成绕X、Y和Z轴正向的激励力矩；频率f＝N·n/60，ω＝2πf，K为悬置系统复刚度矩阵；
进一步地，所述步骤(7)具体包括：
(71)断开动力总成或悬置与车身的连接，在悬置车身侧分别沿固定坐标系三个坐标轴方向进行力锤敲击，测试力激励信号与对应悬下点的加速度响应信号；
(72)数据采集系统对采集的力激励信号与加速度响应信号进行频谱分析，得到加速度与力的频响函数，即悬下点IPI；悬置i(i＝1,2,…,h)车身侧IPI测试结果表示为：
式中，Hijk(f)为悬置i的悬下点IPI，即在k(k＝x,y,z)方向激励下，j(j＝x,y,z)方向的加速度响应与激励力分别作傅里叶变换之后的比值。
进一步地，所述步骤(8)中所述迭代算法的迭代过程具体包括：
(81)令悬置车身侧加速度为零，令悬置车身侧加速度为零作为迭代计算的初始值；
(82)根据公式计算悬置动力总成侧加速度，式中下标i＝1,2,…,h，表示悬置编号；
(83)根据公式即根据悬置变形量和悬置复刚度矩阵计算悬置动反力；
(84)根据公式即根据悬置动反力及悬置车身侧IPI计算悬置车身侧加速度；
(85)若步骤(82)计算中采用的悬置车身侧加速度与步骤(84)计算得到的悬置车身侧加速度的相对误差在±1％以内，则停止计算，步骤(82)计算得到的动力总成侧加速度和步骤(84)计算得到的车身侧加速度即为所求的最终结果；否则，返回步骤(82)。
进一步地，所述步骤(2)悬置点定义为悬置各弹性主轴的交点。
进一步地，所述步骤(52)采用计算阶次追踪法得到悬置动力总成侧加速度主阶次的幅值和相位。
进一步地，所述步骤(6)计算固定坐标系下动力总成激励力过程中考虑悬置与车身连接处的弹性特性。
本发明有以下积极效果：
1)根据动力总成惯性参数、悬置系统刚度参数和动力总成激励力的识别结果，可预测该动力总成匹配不同悬置系统或者将其安装于不同车型时悬置系统的隔振性能，有效减少试验次数，为悬置系统的优化设计提供参考依据。
2)在动力总成激励力的识别计算中，计算阶次追踪法适用于转速波动较大的情况，能够提取得到较准确的发动机加速过程中的加速度阶次信号的幅值和相位。
3)在动力总成激励力的识别计算中，由于考虑到了悬置车身侧的振动，计算方法适用于悬置车身侧振动较剧烈的情况。
附图说明
图1是动力总成悬置系统模型简图；
图2(a)是悬置1动力总成侧振动加速度主阶次的幅值随转速的变化；
图2(b)是悬置1动力总成侧振动加速度主阶次的相位随转速的变化；
图2(c)是悬置1车身侧振动加速度主阶次的幅值随转速的变化；
图2(d)是悬置1车身侧振动加速度主阶次的相位随转速的变化；
图3(a)是计算识别得到的动力总成激励力主阶次的幅值；
图3(b)是计算识别得到的动力总成激励力主阶次的相位；
图3(c)是计算识别得到的动力总成激励力矩主阶次的幅值；
图3(d)是计算识别得到的动力总成激励力矩主阶次的相位；
图4(a)是测试得到的悬置车身侧IPI的幅值；
图4(b)是测试得到的悬置车身侧IPI的相位；
图5是悬置动力总成侧和车身侧加速度计算的迭代流程图；
图6(a)是悬置1在Z向的动力总成侧和车身侧加速度及悬置隔振率计算值；
图6(b)是悬置2在Z向的动力总成侧和车身侧加速度及悬置隔振率计算值；
图6(c)是悬置3在X向的动力总成侧和车身侧加速度及悬置隔振率计算值。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细描述。
一种汽车动力总成悬置系统隔振率的计算方法，包含以下步骤：
(1)建立坐标系与收集动力总成惯性参数：
利用三线摆式动力总成惯性特性测试台架，测出动力总成质量m，动力总成质心位置O，以O为原点建立固定坐标系O-XYZ，Y轴平行于曲轴轴线、正向指向曲轴自由端，Z轴正向竖直向上，X轴以右手定则确定；再测出动力总成绕X轴的转动惯量Jxx、绕Y轴的转动惯量Jyy、绕Z轴的转动惯量Jzz、动力总成对X轴和Y轴的惯性积Jxy、对Y轴和Z轴的惯性积Jyz、对Z轴和X轴的惯性积Jzx，建立动力总成质量矩阵M；
(2)获取悬置复刚度矩阵、安装位置及安装角：
动力总成悬置系统包含的悬置个数为h＝3；在固定坐标系O-XYZ中，按照X方向从小到大的顺序对各悬置进行编号，记为悬置1、悬置2、悬置3；利用德国MTS 831型弹性体测试系统测试悬置i(i＝1,2,3)在局部坐标系下三个轴向复刚度kiu、kiv、kiw，获得悬置的复刚度矩阵Ki＝diag(kiu,kiv,kiw)；在固定坐标系下，悬置点i的坐标为[xi yi zi]；获取悬置安装角，得到悬置i局部坐标系的三个坐标轴在固定坐标系中的方向余弦矩阵Ti(见图1)；
K1＝diag(k1u,k1v,k1w)＝diag(96+10j,180+18j,175+18j)×1000，
K2＝diag(k2u,k2v,k2w)＝diag(98+10j,92+9j,240+30j)×1000，
K3＝diag(k3u,k3v,k3w)＝diag(175+17j,15+2j,15+2j)×1000，
(3)布置传感器：
在各悬置的动力总成侧和车身侧分别安装一个PCB三轴加速度传感器，传感器的局部坐标系坐标轴方向与固定坐标系坐标轴方向平行；加速度传感器和发动机自带的曲轴转速计连接比利时LMS振动测试数据采集系统，数据采集系统连接笔记本电脑，通过笔记本电脑上安装的LMS Test.Lab测试分析软件，实时观测、记录和分析信号。
(4)确定动力总成激励力的主阶次N：
测试对象为直列四缸四冲程发动机，动力总成激励力的主阶次N＝2。
(5)测试各悬置动力总成侧和车身侧加速度：
在底盘测功机上，将变速器档位固定为3档，启动发动机，待发动机稳定后，将油门踏板迅速踩至极限位置，通过笔记本电脑上安装的LMS Test.Lab测试分析软件控制数据采集系统，设置采样频率为1600Hz，采集发动机加速过程中的转速在1500～4500rpm范围内的加速度信号；根据转速数据，在LMS Test.Lab软件中，选择计算阶次追踪法对振动加速度数据进行阶次分析，阶次分辨率设置为0.25，得到升速过程中2阶加速度的幅值和相位随转速的变化；将悬置1动力总成侧Z向的加速度相位设为零，以作参考；悬置1动力总成侧和车身侧加速度主阶次的幅值和相位如图2(a)～图2(d)所示。
(6)计算动力总成激励力：
根据公式计算固定坐标系下的动力总成激励力；
计算得到的动力总成激励力和激励力矩如图3(a)～图3(d)所示。
(7)采用脉冲激励法测试悬置车身侧IPI：
在LMS Test.Lab测试分析软件中设置采样频率为2048Hz，在悬置车身侧分别沿固定坐标系三个坐标轴方向进行力锤敲击，测试力激励信号与对应悬置车身侧加速度响应信号；LMS Test.Lab测试分析软件自动对采集的力激励信号与加速度响应信号进行频谱分析，得到加速度与力的频响函数，即悬下点IPI，悬置i(i＝1,2,…,h)车身侧IPI测试结果表示为：
式中，Hijk(f)为悬置i的悬下点IPI，即在k(k＝x,y,z)方向激励下，j(j＝x,y,z)方向的加速度响应与激励力分别作傅里叶变换之后的比值，本实施例中，悬置1在Z方向激励力作用下测试得到的IPI数据如图4(a)～图4(b)所示。
(8)采用迭代算法计算动力总成应用于不同车型或者匹配不同悬置系统时，悬置动力总成侧、车身侧的加速度，
迭代流程如图5所示，具体过程如下：
第一步：令悬置车身侧加速度为零；
第二步：根据式(1)，计算悬置动力总成侧加速度；
第三步：根据式(2)，计算悬置动反力；
第四步：根据式(3)，计算得到迭代后的悬置车身侧加速度；
第五步：若第二步计算采用的悬置车身侧加速度与第四步得到的悬置车身侧加速度的相对误差在±1％以内，则停止计算，第二步中的动力总成侧加速度和第四步计算得到的车身侧加速度即为所求的最终结果；否则，返回第二步。
(9)根据步骤(8)计算得到的悬置动力总成侧加速度和车身侧加速度及悬置隔振率的定义，计算各悬置在各方向上的隔振率：悬置隔振率定义为T＝20lg(ae/ac)，ae和ac分别为悬置在一个方向的悬置动力总成侧和车身侧加速度；本实施例中，悬置1的Z向、悬置2的Z向和悬置3的X向是悬置系统的主支撑方向；在固定坐标系下，悬置1的Z向、悬置2的Z向和悬置3的X向计算得到的悬置动力总成侧加速度和车身侧加速度及悬置隔振率如图6(a)～图6(c)所示。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种汽车动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)建立坐标系与收集动力总成惯性参数；
(2)获取悬置复刚度矩阵、安装位置及安装角；
(3)布置传感器：在每个悬置的动力总成侧和车身侧分别安装一个三轴加速度传感器，传感器的局部坐标系坐标轴方向与固定坐标系坐标轴方向平行；加速度传感器和发动机曲轴转速计连接数据采集器，数据采集器连接计算机；
(4)确定动力总成激励力的计算阶次，即激励力的主阶次N；
(5)测试各悬置动力总成侧和车身侧加速度；
(6)计算固定坐标系下的动力总成激励力；
(7)采用脉冲激励法测试悬置车身侧IPI；
(8)采用迭代算法计算动力总成应用于不同车型或者匹配不同悬置系统时，悬置动力总成侧、车身侧的加速度；
(9)计算各悬置在各方向上的隔振率：悬置隔振率定义为T＝20·lg(ae/ac)，ae和ac分别为悬置在一个方向的悬置动力总成侧和车身侧加速度。
2.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：
(11)利用动力总成惯性特性测试台架，测出动力总成质量m，动力总成质心位置O；以O为原点建立固定坐标系O-XYZ，Y轴平行于曲轴轴线、正向指向曲轴自由端，Z轴正向竖直向上，X轴以右手定则确定；
(12)利用动力总成惯性特性测试台架测出动力总成绕X轴的转动惯量Jxx、绕Y轴的转动惯量Jyy、绕Z轴的转动惯量Jzz、动力总成对X轴和Y轴的惯性积Jxy、对Y轴和Z轴的惯性积Jyz、对Z轴和X轴的惯性积Jzx，建立动力总成质量矩阵M。
3.根据权利要求2所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：
(21)动力总成悬置系统包含的悬置个数记为h，h＝3或h>3；在固定坐标系O-XYZ中，按照X方向从小到大的顺序对各悬置进行编号，记为悬置1、悬置2、…悬置h；
(22)利用弹性体测试系统测试悬置i(i＝1,2,…,h)在局部坐标系下三个轴向复刚度kiu、kiv、kiw，获得悬置i的复刚度矩阵Ki＝diag(kiu,kiv,kiw)；
(23)在固定坐标系下，获取悬置点i的坐标[xi yi zi]，获取悬置安装角，得到悬置i局部坐标系的三个坐标轴在固定坐标系中的方向余弦矩阵Ti。
4.根据权利要求3所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：
(51)在底盘测功机上，设定变速器挡位，启动发动机，待发动机稳定后，将油门踏板迅速踩至极限位置，通过计算机控制数据采集器，采集发动机加速过程中的转速和加速度数据；
(52)根据转速数据，对振动加速度数据进行阶次分析，得到升速过程中N阶加速度的幅值和相位随转速的变化；
(53)转速n对应悬置i动力总成侧的N阶加速度幅值和相位分别为和转速n对应悬置i车身侧的N阶加速度幅值和相位分别为和上标“T”表示矩阵转置，上标“e”表示悬置动力总成侧，上标“c”表示悬置车身侧。
5.根据权利要求4所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：
根据公式计算固定坐标系下的动力总成激励力，式中：F(f)＝[Fx(f) Fy(f) Fz(f) Mx(f) My(f) Mz(f)]T，F(f)指动力总成在发动机转速为n的N阶激励力，Fx(f)、Fy(f)、Fz(f)分别为动力总成在X、Y和Z轴正向的激励力，Mx(f)、My(f)、Mz(f)分别为动力总成绕X、Y和Z轴正向的激励力矩；频率f＝N·n/60，ω＝2πf，K为悬置系统复刚度矩阵；
6.根据权利要求5所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于，所述步骤(7)具体包括：
(71)断开动力总成或悬置与车身的连接，在悬置车身侧分别沿固定坐标系三个坐标轴方向进行力锤敲击，测试力激励信号与对应悬下点的加速度响应信号；
(72)数据采集系统对采集的力激励信号与加速度响应信号进行频谱分析，得到加速度与力的频响函数，即悬下点IPI；悬置i(i＝1,2,…,h)车身侧IPI测试结果表示为：
式中，Hijk(f)为悬置i的悬下点IPI，即在k(k＝x,y,z)方向激励下，j(j＝x,y,z)方向的加速度响应与激励力分别作傅里叶变换之后的比值。
7.根据权利要求6所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于，所述步骤(8)中所述迭代算法的迭代过程具体包括：
(81)令悬置车身侧加速度为零，令悬置车身侧加速度为零作为迭代计算的初始值；
(82)根据公式计算悬置动力总成侧加速度，式中下标i＝1,2,…,h，表示悬置编号；
(83)根据公式即根据悬置变形量和悬置复刚度矩阵计算悬置动反力；
(84)根据公式即根据悬置动反力及悬置车身侧IPI计算悬置车身侧加速度；
(85)若步骤(82)计算中采用的悬置车身侧加速度与步骤(84)计算得到的悬置车身侧加速度的相对误差在±1％以内，则停止计算，步骤(82)计算得到的动力总成侧加速度和步骤(84)计算得到的车身侧加速度即为所求的最终结果；否则，返回步骤(82)。
8.根据权利要求3所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于：所述步骤(2)悬置点定义为悬置各弹性主轴的交点。
9.根据权利要求4所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于：所述步骤(52)采用计算阶次追踪法得到悬置动力总成侧加速度主阶次的幅值和相位。
10.根据权利要求5所述的动力总成悬置系统隔振率的计算方法，其特征在于：所述步骤(6)计算固定坐标系下动力总成激励力过程中考虑悬置与车身连接处的弹性特性。
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