113-频响分析在发动机悬置设计中的应用研究.pdf

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1、第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 692 频响频响频响频响分析分析分析分析在发动机悬置在发动机悬置在发动机悬置在发动机悬置设计设计设计设计中的应用研究中的应用研究中的应用研究中的应用研究 王志亮 门永新 彭 鸿 毛凌丽 （吉利汽车研究院有限公司，浙江 临海 317000）摘摘摘摘 要要要要:介绍汽车发动机悬置动态特性的重要性，提出用加速度频响函数分析动态特性的方法，并建立了相应的数学模型。以国产某款车为例，对发动机左右悬置进行了加速度传递函数响应分析，指出了设计中存在的问题，并提出怱改方案，怱改后的动态性能明显改善。关键词关键词关键词关键词：发动机悬置;加速度频响函数;刚度;频率 中

2、图分类号中图分类号中图分类号中图分类号：TH12 Application Research of Frequency Response Analysis to Engine Mount Design Wang Zhi-liang Men Yong-xin Peng Hong Mao Ling-li (Zhejiang Geely Automobile Institute Co.Ltd，Linhai 317000，China)Abstract:The importance of dynamic performance to engine mounts was introduced.Acceler

3、ation transfer function was proposed for dynamic performance and mathematical model was established.Taken a certain car for example,the acceleration transfer functions for engine mount were calculated and the improved solutions to design problems were put forward.The dynamic performance of modified

4、engine mount was significantly improved.Key words：Engine mount;Acceleration frequency response function；Stiffness;Frequency 1 1 1 1 引引引引言言言言 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们越来越重视乘车的安全性和舒适性，而车身 NVH（Noise，Vibration，Harshness）是影响舒适性的重要因素。因此，在新车的开发过程中，汽车的 NVH 的问题研究越来越受到重视。而发动机是汽车最主要的噪声源和振动源，发动机振动和噪声问题的解决直接决定了汽车 N

5、VH 性能。而发动机主要是通过发动机悬置与车身相连接的，即发动机悬置是发动机振动和噪声传递到车身的重要传递路径。因此，对发动机悬置动态性能的研究对改善车身 NVH 性能有重要的意义。发动机的悬置通常安装在汽车纵梁和副车架上，因此，研究发动机悬置安装点的动态特性非常重要。分析结果有助于了解车身在该位置附近的综合动态特性，而且可进行安装点的刚度、频率和阻尼特性量化分析，而安装点的刚度、频率和阻尼特性是影响发动机向车身传递振动、噪声的三个关键因素。因此，对发动机安装点进行动态分析，是降低发动机向车身传递振动噪声的重要方法和途径。动态特性分析可用频率响应分析来实现，原因在于频率响应分析可预测结构的持续

6、动力第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 693 特性，验证设计能否克服共振、疲劳及其受迫振动引起的结构破坏。频率响应分析常用于分析确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应。它可以表现结构在多种频率下的位移、速度和加速度的响应，进而得到相应的频率响应曲线。根据响应的类型可分为：位移、速度和加速度频率响应函数三种，加速度频率响应函数又称为加速度导纳。在车身 CAE 分析中，车身的局部刚度可采用加速度导纳进行评价。对于加速度频率响应分析，常在同一点上采集载荷输入与响应加速度，来研究车身结构的局部动态特性。2 2 2 2 加速度加速度加速度加速度频响函数频响函数频响函数频响函数

7、数学模型建立数学模型建立数学模型建立数学模型建立 加速度导纳函数是频率响应函数中的一种，一般是用于计算线形结构在稳态振动激励下的响应。对于线弹性结构，一般采用粘性阻尼或结构阻尼振动系统。根据汽车的结构形式，对车身采用结构阻尼系统。设n个自由度系统振动微分方程为：()j tMxKjG xFe+=&（1）其中：M质量矩阵 G结构阻尼矩阵，()KjG+复刚度矩阵 F激励的幅值矩阵 通过对（1）式进行解耦、坐标变换，可以得到位移响应2 21TniiiiiiixFkmj k=+（2）因此，位移的频率响应函数为：21()TniisiiiiiHkmj k=+（3）同样可得到加速度频率响应函数：221221(

8、)11TniiviiiiiTniiiiiHkmj kkj =+=+?（4）式中：频率比 由式（4）可得，加速度响应()1/vHk，因此可以得到：增加关键点的刚度可以减少速度的响应值，这是后续结构修改的重要的理论基础。3 3 3 3 应用实例分析应用实例分析应用实例分析应用实例分析 目前汽车轻量化设计已经成为汽车设计的主流，然而轻量化设计后车身的最直接的影响就是 NVH 问题。本次以国产自主研发的经过两轮轻化分析某款车为例，研究轻量化后发动机悬置安装点部位的动态特性的变化，把握发动机安装点布置及相关零部件设计的合理性。研究的白车身有限元模型在 Hypermesh 建立完成。在有限元模型中，钣金件

9、的单元划分第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 694 以四边形单元 CQUAD4 为主，过渡单元用三角形单元 CTRIA3，并控制在 5%内，焊点采用CWELD 单元来模拟，而螺栓采用 RBE2 模拟。有限元模型完成后，验证单元满足相应的翘曲度、长宽比、雅可比值、歪斜度等要求。在发动机悬置安装点部位，对网格进行细化处理，以保证计算的精度。当车身有限元模型建立完成后，为了获得发动机悬置安装点的加速度传递函数，需要在在悬置安装点施加sinFt=（2,1,2,100n n=L）正弦载荷，基于有限元模态分析的局限性，频率取 0200Hz3 4。然后利用 Nastran 软件的动力分析模块 11

10、1 求解系列进行分析。由于发动机的左右悬置对车身振动和噪声影响比较大，因此本次分析主要从左右悬置的角度进行分析。图 1 是该款车发动机左右悬置安装点的三个方向上的加速度响应曲线5。（a）左悬置三个方向的传递函数 （b）右悬置三个方向的传递函数 图 1 传递函数分析曲线 从图 1（a）中可以看出：左悬置的 Y 和 Z 方向的响应值远远超过目标值，在 2060Hz之间出现多次峰值的情况；从图 1（b）可以看出：Y 方向的响应值远大于目标值，在频率 2070Hz 间，Z 向的响应值也大于响应的目标曲线值，而且在该频率段也出现了多次峰值的情况。从上面的分析看出，曲线主要反映了两个问题，一个低频段峰值过

11、多和整体响应曲线超目标曲线过大的情况。对于低频段峰值过多，说明发动机舱局部模态较多，激励频率激起发动机舱固有频率造成的。而曲线整体响应值超过目标值，从式（4）可以看出，结构的刚度与响应值大小成反比关系，说明局部结构的刚度太过小。由于左右悬置安装在前纵梁上，由此第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 695 分析出前纵梁的刚度偏低。基于以上两个方面，可通过计算白车身的模态，从结构变形和应变能的角度原因所在。通过对白车身模态分析发现，白车身前四阶模态（不包含刚体模态）都与前纵梁变形有关（见图 2）。另外，对于白车身的一阶扭转（f=35.29Hz）和一阶段弯曲模态（f=44.23Hz）下，前纵梁

12、的变形也比较大。通过对比发现，发动机前舱模态频率和白车身整体频率都与图 1 的曲线频率相对应，说明了局部模态对发动机悬置的动态特性影响很大。（a）前舱向右振动（f=24.08Hz）（b）前舱向右振动（f=26.54Hz）（c）前舱向上振动（f=27.54Hz）（d）前舱向下振动（f=31.86Hz）图 2 发动机舱模态分析结果 从图 2 分析看出，发动机舱的局部振型过多，频率过低，而这些局部模态主要是由纵梁主导的，说明纵梁的刚度较低。为了能够改善悬置点的动态性能，从设计的角度进行分析，找出纵梁刚度低的原因，见图 3。从图 3 可以看出，左右前纵梁（红色区域）与前围板连接区域（图 3 中的 A

13、和 B 位置）过小，影响了纵梁的整体刚度性能，因为梁的刚度性能取决于根部连接区域的情况；另外发动机舱空间布置的原因，左前纵梁的下端（图 3 中的 C 位置）尺寸过小，影响了 Z 向和 Y 向刚度。因此，造成了图 1 中左悬置 Y 向和 Z 向响应值偏高。为了使图 1 中响应曲线满足目标值，提高悬置安装点的动态特性，对纵梁做了如下修改：加大图 3中的 A 和 B 位置处的连接区域的面积，并对焊点进行重新布置，提高连接处的刚度；在图 3中 C 位处增加内衬板，并重新布置焊点，提高该区域刚度，进而提高纵梁的整体刚度。图 3 发动机舱左右纵梁结构示意 第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 696

14、 按照上述修改建议，对纵梁结构进行了修改并进行了计算，以左悬置 Z 向为例，进行对比分析，见图 4。计算结果显示：左悬置的 Z 向响应值降低明显，曲线的整体趋势已接近目标值。由于提高左前纵梁的刚度与右前纵梁刚度接近。因此，在图 4 的频段 2040Hz 内，减少了峰值响应点，而且峰值频率大于修改前的峰值频率，避开了发动机怠速频率，避免了共振的出现。图 4 左悬置 Z 向传递函数修改前后对比 结论结论结论结论 通过上述的分析，可得到如下的经验和结论：1）悬置安装点加速度传递函数曲线，可以综合地反映发动舱的刚度和模态性能，对早期的振动噪声问题做出预测，并可以针对出现的问题提出修改建议，从而改善结构

15、的动态特性。2）传递函数分析可以用于协调发动机悬置与车身结构的设计需要。由于发动机激振力对安装点位置敏感性不同，激振力大小与加速度响应不是正比关系。通过传递函数分析，可以从修改车身结构与悬置参数中，选择容易实现的方式来改善动态性能，从而降低开发后期解决问题的难度。3）加速度传递函数在汽车开发初期分析的必要性。在开发的造期，设计方案和结构的容许的变化范围较大，解决问题相对容易；若在开发后期分析发现问题，则车身结构修改的空间很小，仅靠悬置设计来改善动态特性，不仅增加解决问题的难度，而且易导致研发成本的增加。参考文献参考文献参考文献参考文献:1 王志亮，刘波，桑建兵等.动刚度分析在汽车车身结构设计中的应用.机械设计与制造J，2008（2），3031 2 王志亮，刘波，李晶华等.汽车抖动性产生机理与分析方法研究.噪声与振动控制J，2008（4），8789 3 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用M.北京：北京理工大学出版社，2006.6 4 隋允康，杜家政，彭细荣.MSC.Nastran 有限元分析与优化设计实用教程M，北京：科学出版社，2004.4 5 吉利 XX 车型发动机悬置动刚度分析报告.2009.06