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        牽引車動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化分析*

        2018-03-07 02:17:31鄭利鋒王鐵張瑞亮
        汽車技術(shù) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:固有頻率模態(tài)動力

        鄭利鋒 王鐵 張瑞亮

        (太原理工大學(xué),太原 030024)

        1 前言

        車輛舒適性主要受振動影響,引起車輛振動的主要振源有發(fā)動機(jī)工作振動激勵、路面隨機(jī)激勵及發(fā)動機(jī)以外旋轉(zhuǎn)部件的不平衡激勵。其中發(fā)動機(jī)作為激勵源對整車NVH性能和舒適性有較大影響。

        本文針對某牽引車使用鋁殼代替鑄鐵殼變速器,動力總成升級后出現(xiàn)怠速工況振動較大問題,通過AD?AMS軟件對懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)進(jìn)行仿真分析,并結(jié)合模態(tài)測試分析驗(yàn)證仿真模型的有效性。以懸置剛度為優(yōu)化參數(shù),懸置系統(tǒng)主振動能量分布的加權(quán)組合為優(yōu)化目標(biāo),給出優(yōu)化后懸置剛度參數(shù)。最后,在怠速工況下對轉(zhuǎn)向盤振動量和懸置傳遞率進(jìn)行測試,分析并評價懸置系統(tǒng)優(yōu)化后對整車振動性能的改善效果。

        2 動力總成懸置系統(tǒng)分析

        考慮到本文研究的牽引車動力總成通過四點(diǎn)平直橡膠懸置安裝到車架上,為了建立相應(yīng)的理論分析模型,做了以下簡化假定:

        a.動力總成相對平衡位置的位移較小,可認(rèn)為動力總成的隨動坐標(biāo)與整體坐標(biāo)重合;

        b.由于動力總成的剛度遠(yuǎn)大于懸置剛度,動力總成簡化成剛體;

        c.橡膠懸置在局部坐標(biāo)下,考慮3個方向的平動剛度和阻尼,忽略旋轉(zhuǎn)剛度和阻尼;

        d.動力總成慣性矩和慣性積不隨時間變化;

        e.車架及底盤被看作剛體支撐。

        2.1 建立動力總成運(yùn)動方程

        牽引車動力總成系統(tǒng)模型由發(fā)動機(jī)、離合器、變速器及附件組成,通過4個平置橡膠懸置連接到車架上,布置示意圖如圖1所示。坐標(biāo)系Goxyz固定到動力總成的質(zhì)心上并處于系統(tǒng)靜平衡位置。x軸平行于車輛前進(jìn)方向,z軸垂直向上,y軸垂直于xy平面向左。橡膠懸置按照圖1所示進(jìn)行布置。其中,1-4代表懸置布置位置。

        圖1 動力總成懸置系統(tǒng)6自由度模型示意圖

        基于假設(shè)和Lagrange原理,得到動力總成6自由度運(yùn)動方程如下:

        2.2 系統(tǒng)評價要求

        動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣主要通過系統(tǒng)頻率是否匹配合理來進(jìn)行評價。圖2為不同阻尼下放大系數(shù)隨頻率變化的曲線。懸置頻率匹配的目的是降低發(fā)動機(jī)振動向車架的傳遞,同時減少來自路面激勵向發(fā)動機(jī)的傳遞。為了獲得較好的發(fā)動機(jī)隔振效果,動力總成懸置系統(tǒng)的各階固有頻率一般不應(yīng)高于發(fā)動機(jī)激勵頻率的倍。對本文研究的牽引車搭載六缸四沖程發(fā)動機(jī),怠速轉(zhuǎn)速為600 r/min,發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率為30 Hz,因此懸置系統(tǒng)的頻率不應(yīng)高于21.2 Hz。為避開路面激勵的低頻振動,懸置系統(tǒng)固有頻率應(yīng)大于路面激勵頻率的4/3倍。由于路面激勵頻率通常不超過3 Hz,因此要使懸置系統(tǒng)的固有頻率大于3 Hz/0.75(即4 Hz)??紤]到懸架和車身的固有頻率也在低頻范圍,接近5 Hz,因此,懸置系統(tǒng)的各階固有頻率一般設(shè)計(jì)在5~21.2 Hz之間。

        3 動力總成懸置系統(tǒng)模態(tài)仿真分析

        應(yīng)用ADAMS軟件對動力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算,并結(jié)合采用序列二次規(guī)劃法SQP(Sequen?tial Quadratic Programming)算法進(jìn)行優(yōu)化分析。

        圖2 傳遞率隨頻率比變化曲線

        3.1 建立動力總成6自由度計(jì)算模型

        假定動力總成為剛體模型,輸入?yún)?shù)不隨時間變化;橡膠懸置通過Bushing單元模擬,只考慮3個平動方向的剛度和阻尼;車架為剛體模型。以下研究的牽引車動力總成通過4點(diǎn)平置、左右對稱橡膠懸置支撐,質(zhì)量M和慣性參數(shù)Iij見表1,動力總成質(zhì)心坐標(biāo)和懸置位置坐標(biāo)見表2。

        表1 動力總成質(zhì)量和慣性參數(shù)

        表2 動力總成質(zhì)心位置和懸置坐標(biāo)

        對于同一橡膠懸置軟墊,隨著頻率增加,其動剛度值相應(yīng)增加,在低頻段動剛度隨頻率變化較快,在高頻段變化較平緩;振動動態(tài)幅值越大,動剛度越小;振動動態(tài)幅值越小,動剛度值越大[1]。一般來說,動剛度大于靜剛度,動靜比在1.2-3之間,有些可能會大于3,通過試驗(yàn)測得靜剛度(Ku、Kv、Kw)及動剛度系數(shù)見表3。

        表3 懸置元件參數(shù)

        通過計(jì)算得到動力總成系統(tǒng)沿各方向的固有頻率和模態(tài)能量分布百分比如表4所示。從表4可以看出,系統(tǒng)固有頻率繞X軸的旋轉(zhuǎn)頻率最大,最大值28.5 Hz,超出目標(biāo)值21.2 Hz,接近發(fā)動機(jī)的激勵頻率;模態(tài)能量相互耦合,解耦率普遍較低。因此認(rèn)為懸置匹配不合理和模態(tài)耦合是引起整車怠速振動較大的主要原因。

        表4 動力總成固有頻率和模態(tài)能量分布

        3.2 模態(tài)測試

        本文采用LMS公司的錘激法(Impact Testing)進(jìn)行測試得到頻響函數(shù)(FRF),然后使用Modal Analysis模塊對得到的FRF數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,通過Polymax方法進(jìn)行識別得到懸置系統(tǒng)的固有頻率及對應(yīng)振型。為了更直觀查看動力總成6個自由度的振型,使用8個三向加速度傳感器成矩形布置在發(fā)動機(jī)缸體表面,見圖3。由于操作空間限制,考慮到發(fā)動機(jī)的激勵主要在Z向和繞X的旋轉(zhuǎn),因此捶擊激勵施加在Z向和Y向,激勵點(diǎn)選擇在傳感器附近[2-3]。

        由于懸置系統(tǒng)是搭載整車上進(jìn)行測試而非臺架上,車架在這個區(qū)間也存在部分模態(tài)頻率,在模態(tài)數(shù)據(jù)分析過程中需要剔除車架振動的影響。消除干擾頻率后,測試得到系統(tǒng)固有頻率見表5,對應(yīng)的振型見圖4。測試過程中,測試方案的激勵在X向的響應(yīng)并不明顯,在數(shù)據(jù)分析中沒有識別到X向固有頻率和振型。從結(jié)果對比可以看出,計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果趨勢一致;Rx方向模態(tài)和測試結(jié)果比較接近,因此,使用該模型對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可行。

        圖3 傳感器布置

        表5 計(jì)算結(jié)果和測試結(jié)果對比 Hz

        3.3 系統(tǒng)優(yōu)化分析

        動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化一般通過選擇合適的懸置剛度、合理的懸置布置位置及合適的布置角度,使系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)激勵,同時降低各模態(tài)之間耦合程度,最終使發(fā)動機(jī)振動傳到車架上的振動達(dá)到最小。

        a.優(yōu)化變量設(shè)定

        考慮到動力總成的安裝位置、布置空間的限制、成本及開發(fā)時間的限制,懸置系統(tǒng)近似成對稱布置,因此選取前、后懸置參數(shù)為優(yōu)化參數(shù)。

        圖4 固有頻率及振型

        b.優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定

        基于能量理論,懸置系統(tǒng)作j階模態(tài)振動時,第k個廣義坐標(biāo)的能量表示為:

        以動力總成懸置系統(tǒng)主振動能量分布的某種組合作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù),如下:

        c.約束條件設(shè)定

        根據(jù)上述系統(tǒng)評價要求,系統(tǒng)在6個方向的固有頻率必須在5-21.2Hz之間。

        d.優(yōu)化分析

        利用ADAMS的優(yōu)化工具,采用序列二次規(guī)劃法SQP算法,以懸置系統(tǒng)振動能量解耦程度最大為優(yōu)化目標(biāo),對其進(jìn)行優(yōu)化[4-5],優(yōu)化后懸置剛度參數(shù)見表6。

        表6 優(yōu)化后的懸置剛度參數(shù)

        使用優(yōu)化后的懸置剛度參數(shù)進(jìn)行模態(tài)分析,得到系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)能量分布見表7。

        從表7可以看出,繞X軸(Rx)的能量達(dá)到96.3%解耦率很高;模態(tài)能量分布在Z向和俯仰方向(Ry)存在耦合,但在Z方向的主振動能量達(dá)到66%,考慮到固有頻率遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)激勵頻率,可以接受;其它方向模態(tài)解耦程度較高。系統(tǒng)各階模態(tài)的固有頻率均滿足頻率匹配要求(5-21.2 Hz)。總體來說,優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求。

        表7 優(yōu)化后的固有頻率和模態(tài)能量分布

        4 整車性能測試評估

        4.1 轉(zhuǎn)向盤的測試結(jié)果對比

        為了更好的評估動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化前、后對整車性能的影響,在整車怠速下對轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行主觀評估和振動測試,測試布點(diǎn)在轉(zhuǎn)向盤回正后12點(diǎn)位置。

        測試得到的動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化前、后轉(zhuǎn)向盤在怠速下振動加速度均方根值如圖5所示。從圖5可以看出,優(yōu)化后加速度明顯降低,說明動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化可有效改善整車振動。

        圖5 怠速工況下轉(zhuǎn)向盤優(yōu)化前、后結(jié)果對比

        4.2 優(yōu)化前、后懸置傳遞率對比

        為了評估懸置系統(tǒng)隔振性能,對優(yōu)化前、后懸置點(diǎn)的振動傳遞率進(jìn)行測試,如表8所示。從表8中可以看出,懸置參數(shù)優(yōu)化后,傳遞率明顯降低,有效改善了發(fā)動機(jī)激勵向整車的傳遞。

        5 結(jié)束語

        針對某牽引車使用鋁殼代替鑄鐵殼變速器,動力總成升級后出現(xiàn)怠速工況振動較大問題,利用ADAMS軟件對懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)進(jìn)行了仿真分析,得到以下結(jié)論:

        a.分析了引起整車怠速振動的原因,提出了優(yōu)化方向;

        b.通過模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性,并給出了優(yōu)化后的懸置參數(shù);

        c.在怠速工況下,通過對優(yōu)化前、后轉(zhuǎn)向盤振動量和懸置傳遞率進(jìn)行測試和主觀評估表明,優(yōu)化后整車振動得到明顯改善。

        表8 不同懸置位置的振動傳遞率

        [1]劉祖斌,劉英杰.發(fā)動機(jī)懸置設(shè)計(jì)中的動、靜剛度參數(shù)研究.汽車技術(shù),2008(6):21-23.

        [2]劉習(xí)軍,賈啟芬.工程振動理論與測試技術(shù).北京:高等教育出版社,2006.

        [3]張武,陳劍,陳鳴.汽車動力總成懸置系統(tǒng)多工況運(yùn)行模態(tài)試驗(yàn)研究.中國機(jī)械工程,2013(22):3118-3123.

        [4]陳大明,上官文斌.動力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究.汽車技術(shù),2011(2):34-38.

        [5]Boggs P.T.and Tolle J.W.Sequential Quadratic Programming.Acta Numerica 1996:1-52.

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