基于ADAMS的动力总成悬置系统的隔振仿真研究
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( Faculty of Transportation Engineering, Kunm ing University of Science and Technology, Kunm ing 650224, China) Abstract: Correlative parameters of a certain car’s powertrain are obtained through a comp lex three2wire pendulum , analysis the excitation source of powertrain. Establishment of a powertrain mounting system of dynam ic simulation model of a mounting system for modal analysis in the ADAM S, the results showed that the coup ling system , compared to the stiffness of the suspension damp2 ing system less affected; Idling on the conditions on suspension components and disp lacement by the situation in time and fre2 quency domain analysis, found that the mounting system before mounting a major vibration transm ission path; Exp lained the rea2 sons for fluctuations in the curve, pointing out that Z is to control the vibration the main direction, Z to the existence of different deformation on mounting system in the Z direction for the free vibration is also involved in around the X and Y direction of the an2 gle of vibration, that the next step to imp rove the design of the system should be to reduce vibration coup ling the degree. Key words: ADAM S; powertrain mount; vibration; simulation
引 言
车辆的振源主要来自地面不平所产生的低频 随机振动和发动机运转时的往复惯性力所产生的 振动 。发动机动力总成悬置系统是汽车振动系统 的一个重要子系统 ,它是指动力总成与车架之间
的弹性连接系统 ,其隔振性能的优劣将直接关系 到发动机的振动向车体的传递 。同时 ,它还影响 到汽车的操纵稳定性和平顺性 ,能使驾驶员和乘 客产生不舒服和疲惫的感觉 。因此 ,对动力总成 悬置系统的动力性能的研究是整车减振降噪中一 个不可忽视的环节 。本文以某轿车的动力总成悬
a. 动力总成为空间弹性支撑的刚体 ,具有相 当大的质量 ,只考虑动力总成 6个自由度的运动 。
b. 把动力总成看成是个刚体 ,旋转角度为常
44
数 ;悬置软垫简化为沿着空间的 3个正交轴线 ,具 有弹性的线性弹簧 ,具有平动刚度和阻尼 。
c. 在曲轴坐标系 OX YZ 下对动力总成悬置 系统动力学特性进行分析 。该坐标系原点位于动 力总成质心处 , X 轴平行于曲轴中心线指向发动 机前端 , Z 轴平行于气缸中心线指向发动机缸盖 , Y轴按右手定则确定 。
的施加位置会对分析结果产生重要的影响 。
图 2 一阶模态振型
4 动力总成悬置系统的仿真分析
研究人员以发动机怠速 900 r/m in为例 ,对此 工作状况进行模态分析 ,并通过时域和频域下的 分析可以预测在发动机的不平衡力和力矩作用下 各个悬置元件上的受力和位移情况 。 4. 1 动力总成模态分析
模态分析在 ADAM S /V ibration振动分析模块 中进行 ,振动分析模块作为一个插件 ,可以在 AD2 AM S /V iew 中 直 接 加 载 。利 用 其 中 的 Normal Mode Analysis(模态计算分析 )对动力总成悬置系 统的模型进行模态分析 ,得到系统的六阶固有频 率 、阻尼比及相应的模态动画 [ 3 ] 。悬置系统的各 阶模态数据如表 2所示 :
图 3 二阶模态振型
图 4 三阶模态振型
图 5 四阶模态振型
图 6 五阶模态振型 45
现 代 车 用 动 力 2009年第 2期
图 7 六阶模态振型
从模态振型图可以看出 ,每一阶振型都是由 6个自由度的振动耦合形成 ,只是某频率下有的 振型表现的很明显 ,如第三阶沿 X 轴转动 ,从模 态对比图可以很直观的看出 ;而有的振型则更多 的表现耦合 ,如第六阶沿 Z 轴平动 ,是由沿 Z 轴 平动和沿 Y轴转动耦合形成 ,这说明悬置系统本 身并不是沿弹性主轴解耦的 ,悬置系统本身还有 很大的优化潜力 。 4. 2 动力总成动态仿真分析
现 代 车 用 动 力 2009年第 2期
置系统为研究平台 ,建立了动力总成悬置系统仿 真模型 。应用 ADAM S动力学仿真软件 ,实现了 动力总成悬置系统动力学分析以及固有频率和固 有振型的求解 [ 1 ] 。
1 动力总成悬置系统基本参数的测 量
对动力总成悬置系统进行仿真计算 ,其中实 际模型的物理参数 :动力总成的质量 、质心位置及 惯量参数 ,各悬置的性能参数及悬置点的位置参 数等都是必须获得的 ,这对发动机动态特性分析 及其悬置隔振设计都有重要意义 [ 2 ] 。
动机工作产生的主要是点火激励和不平衡往复惯
性力激励 。
3. 1 点火激励 点火激励是由发动机气缸内点火燃烧 ,曲轴
输出脉冲扭矩引起的激励 。由于扭矩周期性地发
生变化 ,导致发动机上反作用扭矩的波动 ,又称颠 覆力矩 。这种波动使发动机产生周期性的扭摆运
动 。其振动频率为发动机的发火频率 ,其计算公 式如下 :
第 2期 (总第 134期 ) 现 代 车 用 动 力 No12 ( serial No1134) 2009年 5月 MODERN VEH ICLE POW ER M ay12009
文章编号 : 1671 - 5446 (2009) 02 - 0043 - 05
基于 ADAMS的动力总成悬置系统的隔振仿真研究 3
兰洋 ,沈颖刚 ,陈贵升 ,李晓宁
(昆明理工大学 交通工程学院 ,云南 昆明 650224)
摘要 :应用复合三线摆法测得了某轿车动力总成的相关参数 ,对动力总成的激振源进行了分析 。在 ADAM S动力学仿真 软件条件下建立了动力总成悬置系统的动力学仿真模型 ,对悬置系统进行了模态分析 ,结果表明该系统存在耦合现象 , 阻尼相比刚度对悬置系统影响小 ;对怠速工况下悬置元件上受力和位移情况进行时域和频域分析 ,发现该悬置系统中前 悬置是主要的振动传递路径 ;解释了曲线波动原因 ,指出 Z 向是振动控制的主要方向 , Z 向存在变形位移不一致 ,说明悬 置系统在作 Z 方向的自由振动的同时 ,还在参与绕 X 和 Y方向的角振动 ,指出在下一步改进设计中 ,应该降低系统振动 的耦合程度 。 关键词 : ADAM S;动力总成悬置 ;振动 ;仿真 中图分类号 : TK42116 文献标识码 : A
f1Biblioteka =ni60λ
(1)
式中 : n为发动机转速 ; i为发动机缸数 ;λ为冲程
系数 ,两冲程为 1,四冲程为 2。
3. 2 不平衡往复惯性力激励
不平衡惯性力激励是由发动机往复运动的活
塞和连杆造成的惯性力不平衡的垂直振动 。其激
振干扰频率为 :
2009年第 2期 兰洋 ,等 :基于 ADAM S的动力总成悬置系统的隔振仿真研究
主振型
沿 X 轴平动 沿 Z 轴转动 沿 X 轴转动 沿 Y轴转动 沿 Y轴平动 沿 Z 轴平动
由于橡胶悬置的阻尼相对较小 ,从表 2 中一 至六阶模态频率可以看出 ,有阻尼振动系统和无 阻尼振动系统各阶固有频率都很接近 ,即系统的 振动特性相差很小 ,阻尼的主要作用是降低共振 峰值 ,所以一般不作为设计变量来考察 。因此 ,在 进行下一步的分析时可以忽略阻尼对悬置系统的 影响而只考虑刚度 。下图 2～图 7 为模态各阶对 应振型图 :
表 1 柴油机动力总成质量惯性参数 (质心坐标系下 )
质量 / Ixx /
Iyy /
Izz /
Ixy /
Iyz /
Ixz /
kg kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2
238. 7 12. 46 22. 79 19. 63 0. 40 1. 50 1. 20
2 基于 ADAM S的悬置系统模型的 建立
通常 ,动力总成被认为是由发动机和变速箱 两部分组成 ,外形是不规则的 ,质量是不均布的 , 各个弹性支承 (悬置垫或其他弹性元件 )的动力 特性可能不尽相同 (比如橡胶悬置或橡胶和液压 混合悬置 ) ,而且布置位置和安装角度也并不能 保证对称 ,为了较为精确的进行仿真计算 ,合理地 对其简化和假设对动力学仿真十分必要 ,现作以 下模型简化和假设 :
f2
= nγ 60
(2)
式中 :γ为比例系数 ;一级惯性力 γ = 1, 二级惯性
力 γ = 2; n为发动机转速 。
在 ADAMS下 ,根据实际数据来确定悬置点位
置参数、动力总成的质量特性 ;根据以往激励力的
分析 ,把动力总成所受到的二次往复惯性力和颠覆
力矩添加到模型上 ,激励力的准确与否以及激励力
3 收稿日期 : 2009 - 02 - 05 作者简介 :兰洋 (1983 - ) ,男 ,天津人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为发动机噪声与振动 。 基金项目 :云南昆明 官渡区 科技计 划项目 资助 (管科工 字 09 号 ) ; 云南省 中青年 学术技术 带头人 后 备 人 才 专 项 基 金 资 助 ( 2007py01 - 07) 。
根据参数建立如图 1所示的模型 :
图 1 ADAM S软件下动力总成 6自由度动力学模型
3 动力总成振动源分析
本文研究的汽车动力总成悬置系统的激励为
稳态激励 。稳态激励主要由发动机工作产生 ,该 型轿车发动机在低速区段主要是二阶扭矩波 ,而 在高速区段主要是二阶往复惯性力 。对于本文研
究的动力总成悬置系统 ,其主要激励力为低速区 段的二阶扭矩波动和高速区段的二阶惯性力 。发
S im ula tion Study of V ibra tion Isola tion Performance of Powertra in M oun t System Ba sed on ADAM S
LAN Yang, SHEN Ying2gang, CHEN Gui2sheng, L I Xiao2ning
本文以国产某型号的轿车柴油发动机为研究 对象 。发动机的质量可以用高精度台秤测出 , 质 心的测量可由称重法或者采用经纬仪测量法得 到 。由于该车型的动力总成质量和体积相对来说 较小 ,所以采用称重法比较合适 。因为发动机是 一个由不同材质 , 形状复杂的零部件组成的组合 形体 ,其转动惯量 I参数几乎不可能用解析方法 进行计算 ,因此在测试中采用三线摆法 ,该方法具 有测试设备简单 ,误差小等优点 ,测试的结果如表 1所示 :
表 2 悬置系统的各阶模态数据
阶次
一阶模态 二阶模态 三阶模态 四阶模态 五阶模态 六阶模态
无阻尼 固有频率 /Hz
5. 0036 5. 6314 7. 5604 9. 5511 12. 2118 14. 7588
有阻尼 固有频率 /Hz
5. 0457 5. 6455 7. 5501 9. 5978 12. 3375 14. 7864
引 言
车辆的振源主要来自地面不平所产生的低频 随机振动和发动机运转时的往复惯性力所产生的 振动 。发动机动力总成悬置系统是汽车振动系统 的一个重要子系统 ,它是指动力总成与车架之间
的弹性连接系统 ,其隔振性能的优劣将直接关系 到发动机的振动向车体的传递 。同时 ,它还影响 到汽车的操纵稳定性和平顺性 ,能使驾驶员和乘 客产生不舒服和疲惫的感觉 。因此 ,对动力总成 悬置系统的动力性能的研究是整车减振降噪中一 个不可忽视的环节 。本文以某轿车的动力总成悬
a. 动力总成为空间弹性支撑的刚体 ,具有相 当大的质量 ,只考虑动力总成 6个自由度的运动 。
b. 把动力总成看成是个刚体 ,旋转角度为常
44
数 ;悬置软垫简化为沿着空间的 3个正交轴线 ,具 有弹性的线性弹簧 ,具有平动刚度和阻尼 。
c. 在曲轴坐标系 OX YZ 下对动力总成悬置 系统动力学特性进行分析 。该坐标系原点位于动 力总成质心处 , X 轴平行于曲轴中心线指向发动 机前端 , Z 轴平行于气缸中心线指向发动机缸盖 , Y轴按右手定则确定 。
的施加位置会对分析结果产生重要的影响 。
图 2 一阶模态振型
4 动力总成悬置系统的仿真分析
研究人员以发动机怠速 900 r/m in为例 ,对此 工作状况进行模态分析 ,并通过时域和频域下的 分析可以预测在发动机的不平衡力和力矩作用下 各个悬置元件上的受力和位移情况 。 4. 1 动力总成模态分析
模态分析在 ADAM S /V ibration振动分析模块 中进行 ,振动分析模块作为一个插件 ,可以在 AD2 AM S /V iew 中 直 接 加 载 。利 用 其 中 的 Normal Mode Analysis(模态计算分析 )对动力总成悬置系 统的模型进行模态分析 ,得到系统的六阶固有频 率 、阻尼比及相应的模态动画 [ 3 ] 。悬置系统的各 阶模态数据如表 2所示 :
图 3 二阶模态振型
图 4 三阶模态振型
图 5 四阶模态振型
图 6 五阶模态振型 45
现 代 车 用 动 力 2009年第 2期
图 7 六阶模态振型
从模态振型图可以看出 ,每一阶振型都是由 6个自由度的振动耦合形成 ,只是某频率下有的 振型表现的很明显 ,如第三阶沿 X 轴转动 ,从模 态对比图可以很直观的看出 ;而有的振型则更多 的表现耦合 ,如第六阶沿 Z 轴平动 ,是由沿 Z 轴 平动和沿 Y轴转动耦合形成 ,这说明悬置系统本 身并不是沿弹性主轴解耦的 ,悬置系统本身还有 很大的优化潜力 。 4. 2 动力总成动态仿真分析
现 代 车 用 动 力 2009年第 2期
置系统为研究平台 ,建立了动力总成悬置系统仿 真模型 。应用 ADAM S动力学仿真软件 ,实现了 动力总成悬置系统动力学分析以及固有频率和固 有振型的求解 [ 1 ] 。
1 动力总成悬置系统基本参数的测 量
对动力总成悬置系统进行仿真计算 ,其中实 际模型的物理参数 :动力总成的质量 、质心位置及 惯量参数 ,各悬置的性能参数及悬置点的位置参 数等都是必须获得的 ,这对发动机动态特性分析 及其悬置隔振设计都有重要意义 [ 2 ] 。
动机工作产生的主要是点火激励和不平衡往复惯
性力激励 。
3. 1 点火激励 点火激励是由发动机气缸内点火燃烧 ,曲轴
输出脉冲扭矩引起的激励 。由于扭矩周期性地发
生变化 ,导致发动机上反作用扭矩的波动 ,又称颠 覆力矩 。这种波动使发动机产生周期性的扭摆运
动 。其振动频率为发动机的发火频率 ,其计算公 式如下 :
第 2期 (总第 134期 ) 现 代 车 用 动 力 No12 ( serial No1134) 2009年 5月 MODERN VEH ICLE POW ER M ay12009
文章编号 : 1671 - 5446 (2009) 02 - 0043 - 05
基于 ADAMS的动力总成悬置系统的隔振仿真研究 3
兰洋 ,沈颖刚 ,陈贵升 ,李晓宁
(昆明理工大学 交通工程学院 ,云南 昆明 650224)
摘要 :应用复合三线摆法测得了某轿车动力总成的相关参数 ,对动力总成的激振源进行了分析 。在 ADAM S动力学仿真 软件条件下建立了动力总成悬置系统的动力学仿真模型 ,对悬置系统进行了模态分析 ,结果表明该系统存在耦合现象 , 阻尼相比刚度对悬置系统影响小 ;对怠速工况下悬置元件上受力和位移情况进行时域和频域分析 ,发现该悬置系统中前 悬置是主要的振动传递路径 ;解释了曲线波动原因 ,指出 Z 向是振动控制的主要方向 , Z 向存在变形位移不一致 ,说明悬 置系统在作 Z 方向的自由振动的同时 ,还在参与绕 X 和 Y方向的角振动 ,指出在下一步改进设计中 ,应该降低系统振动 的耦合程度 。 关键词 : ADAM S;动力总成悬置 ;振动 ;仿真 中图分类号 : TK42116 文献标识码 : A
f1Biblioteka =ni60λ
(1)
式中 : n为发动机转速 ; i为发动机缸数 ;λ为冲程
系数 ,两冲程为 1,四冲程为 2。
3. 2 不平衡往复惯性力激励
不平衡惯性力激励是由发动机往复运动的活
塞和连杆造成的惯性力不平衡的垂直振动 。其激
振干扰频率为 :
2009年第 2期 兰洋 ,等 :基于 ADAM S的动力总成悬置系统的隔振仿真研究
主振型
沿 X 轴平动 沿 Z 轴转动 沿 X 轴转动 沿 Y轴转动 沿 Y轴平动 沿 Z 轴平动
由于橡胶悬置的阻尼相对较小 ,从表 2 中一 至六阶模态频率可以看出 ,有阻尼振动系统和无 阻尼振动系统各阶固有频率都很接近 ,即系统的 振动特性相差很小 ,阻尼的主要作用是降低共振 峰值 ,所以一般不作为设计变量来考察 。因此 ,在 进行下一步的分析时可以忽略阻尼对悬置系统的 影响而只考虑刚度 。下图 2～图 7 为模态各阶对 应振型图 :
表 1 柴油机动力总成质量惯性参数 (质心坐标系下 )
质量 / Ixx /
Iyy /
Izz /
Ixy /
Iyz /
Ixz /
kg kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2 kg - 1m - 2
238. 7 12. 46 22. 79 19. 63 0. 40 1. 50 1. 20
2 基于 ADAM S的悬置系统模型的 建立
通常 ,动力总成被认为是由发动机和变速箱 两部分组成 ,外形是不规则的 ,质量是不均布的 , 各个弹性支承 (悬置垫或其他弹性元件 )的动力 特性可能不尽相同 (比如橡胶悬置或橡胶和液压 混合悬置 ) ,而且布置位置和安装角度也并不能 保证对称 ,为了较为精确的进行仿真计算 ,合理地 对其简化和假设对动力学仿真十分必要 ,现作以 下模型简化和假设 :
f2
= nγ 60
(2)
式中 :γ为比例系数 ;一级惯性力 γ = 1, 二级惯性
力 γ = 2; n为发动机转速 。
在 ADAMS下 ,根据实际数据来确定悬置点位
置参数、动力总成的质量特性 ;根据以往激励力的
分析 ,把动力总成所受到的二次往复惯性力和颠覆
力矩添加到模型上 ,激励力的准确与否以及激励力
3 收稿日期 : 2009 - 02 - 05 作者简介 :兰洋 (1983 - ) ,男 ,天津人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为发动机噪声与振动 。 基金项目 :云南昆明 官渡区 科技计 划项目 资助 (管科工 字 09 号 ) ; 云南省 中青年 学术技术 带头人 后 备 人 才 专 项 基 金 资 助 ( 2007py01 - 07) 。
根据参数建立如图 1所示的模型 :
图 1 ADAM S软件下动力总成 6自由度动力学模型
3 动力总成振动源分析
本文研究的汽车动力总成悬置系统的激励为
稳态激励 。稳态激励主要由发动机工作产生 ,该 型轿车发动机在低速区段主要是二阶扭矩波 ,而 在高速区段主要是二阶往复惯性力 。对于本文研
究的动力总成悬置系统 ,其主要激励力为低速区 段的二阶扭矩波动和高速区段的二阶惯性力 。发
S im ula tion Study of V ibra tion Isola tion Performance of Powertra in M oun t System Ba sed on ADAM S
LAN Yang, SHEN Ying2gang, CHEN Gui2sheng, L I Xiao2ning
本文以国产某型号的轿车柴油发动机为研究 对象 。发动机的质量可以用高精度台秤测出 , 质 心的测量可由称重法或者采用经纬仪测量法得 到 。由于该车型的动力总成质量和体积相对来说 较小 ,所以采用称重法比较合适 。因为发动机是 一个由不同材质 , 形状复杂的零部件组成的组合 形体 ,其转动惯量 I参数几乎不可能用解析方法 进行计算 ,因此在测试中采用三线摆法 ,该方法具 有测试设备简单 ,误差小等优点 ,测试的结果如表 1所示 :
表 2 悬置系统的各阶模态数据
阶次
一阶模态 二阶模态 三阶模态 四阶模态 五阶模态 六阶模态
无阻尼 固有频率 /Hz
5. 0036 5. 6314 7. 5604 9. 5511 12. 2118 14. 7588
有阻尼 固有频率 /Hz
5. 0457 5. 6455 7. 5501 9. 5978 12. 3375 14. 7864