汽车整车状态下动力总成刚体模态试验研究

汽车整车状态下动力总成刚体模态试验研究

翁建生

（南京航空航天大学车辆工程系 南京 210016）

摘要：本文在建立汽车动力总成刚体动力学模型基础上，采用比利时LMS国际公司模态测试系和分析软件，对某汽车整车状态下的动力总成进行试验模态分析。介绍了整车状态下的动力总成模态试验方法和大阻尼结构模态分析和模态参数辨识方法。试验结果为进一步的理论分析及改进动力总成悬置结构设计提供了指导。

关键词：动力总成、刚体模态、模态试验、模态识别

1．引言

汽车发动机常用往复活塞式发动机，它是由周期爆发的燃气压力产生的活塞往复运动，通过曲轴连杆机构转化为曲轴的旋转运动，对外输出功。由于发动机气缸做功的不连续性，发动机运动部件的不平衡惯性力对发动机机体具有强烈的冲击和宽频带激励作用。同时，发动机在工作工程中，由于实际工况和负荷的不断变化，反扭矩也在不断变化，从而对发动机造成一个扭矩激励作用。在以上两种激励作用下，发动机会产生随转速变化的振动。这种宽频带的振动与冲击无论对发动机的可靠性，还是对汽车的可靠性及乘坐舒适性都将造成极为不利的影响。目前，随着汽车和发动机朝着高速、轻量化、大功率方向发展，其振动噪声问题日趋严重。为了克服振动造成的各方面负面影响，人们采取了各种方法和途径来降低发动机和整车的振动。汽车发动机工作中产生的不平衡力、力矩及路面不平度是引起汽车振动的激振的主要激振源。为了减小发动机（动力总成）对整车振动和噪声的影响，一般是通过动力总成悬置连接在车架上的产生隔振效果。理想的动力总成悬置元件应满足多方面的要求。不但应该将发动机自身产生的振动与车架结构隔离，而且还必须对汽车在道路行驶中产生的扰动有满意的响应特性。它必须在汽车突然加速、制动、转向等非稳态干扰时激发的低频扰动范围内有较大的动刚度和阻尼，以便限制动力总成的过分弹跳和过大的位移。简单的说，理想的发动机悬置元件应该在低频范围有较大的动刚度和阻尼，而在高频范围有较低的动刚度[1]。对悬置系统进行合理的设计和分析来控制动力总成激励力对整车的影响是整车NVH系统设计的重要组成部分。本文针对动力总成刚体模态试验与分析过程的一些工程实际问题进行讨论和分析。

2．动力总成的动力学模型

为了进行动力总成悬置系统的动力学分析，首先需要建立动力总成悬置系统的动力学模型。动力总成悬置系统的固有频率一般在5—30Hz之间，这一频率远低于动力总成的一阶弹性模态。因而在以悬置系统低频隔振分析为主要目标的处理过程中，可以将动力总成视为刚体，橡胶悬置元件简化为三向正交的弹性阻尼元件，建立系统6自由度的自由振动和受迫振动的动力学微分方程组。

图1 汽车动力总成刚体动力学模型

图1表示动力总成处于静平衡位置。以动力总成质心G 0为坐标原点，设定沿动力总成曲轴方向并指向前方为X 轴正方向，按照右手法则建立直角坐标系G 0-xyz ，如图所示。动力总成的振动可分解为随同它的质心G 0点沿x 、y 、z 的三个平动，和绕质心G 0点的转动。在微振动条件下，其角位移可用绕x 、y 、z 轴的转角x θ、y θ 、z θ表示。

对动力总成液压悬置系统力学模型，设悬置系统受到的外力为Q(t)，根据动力学原理可建立动力总成悬置系统六自由度动力分析方程为

)(t Q Kq q C q

M =++&&& （1） 式中：为六自由度坐标， T z y x z y x

q ][θθθ=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−−−−−=z yz xz xz y xy xz xy x J J J J J J J J j m m m M 0000000

00000000000000000为质量矩阵，为刚度矩阵， ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k K ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=666564636261565554535251464544434241363534333231

262524232221

161514131211c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 为阻尼矩阵。 其中刚度和阻尼矩阵中的各元素是悬置三向刚度、阻尼和安装位置和安装角度的函数。

通过对动力学方程（1）振动分析可知，悬置系统有六个固有频率和相应的振型。理论分析表明，对于设计的悬置刚度和安装参数，动力总成各阶振型之间存在能量耦合。

3．动力总成刚体模态试验分析

为了验证理论分析结果和评价隔振效果，必须进行动力总成的刚体振动模态试验，以验

证设计正确性。本文应用LMS SC310动态测试硬件系统和B测试分析软件进行模态试验与模态参数识别。模态测试系统由三部分组成：电磁激振系统、传感器，LMS SC310数据采集和信号分析系统。

激励系统主要包括信号源，功率放大器和激振器。其中信号源由LMS SC310源控制模块和软件产生。本试验采用猝发随机激励信号。

传感器主要用于拾取激励力传感器和振动加速度传感器。力传感器和振动加速度传感器是ICP型，由LMS SC310信号适调模块进行信号调理和放大。

LMS SC310数据采集和信号分析系统。力和加速度信号经LMS SC310数据采集模块和采集软件控制、分析获得各测点FRF频响函数和相干函数。为模态分析提供相应的数据。

动力总成刚体模态试验过程主要包括以下几个方面：

(1)几何建模：对于动力总成刚体模态试验，理论上至少要求八个测点组成一个长方体即可。在本次刚体模态试验上在发动机和变速箱上布置20个测点。应用比利时LMS国际公司B软件中的GEOMETRY模块进行建模。

（2）激励点和激励方式：整车状态下动力总成和动力传动系模态试验激振点选取发动机缸盖右前上角斜向和变速箱与传动轴连接处斜向2点激振。对于以动力总成能量解耦设计为主要目标设计方案，在Z向和绕X轴转动等方向可能与其它方向解耦，如单方向激励，在其它方向可能产生的响应非常小，因此，对于动力总成刚体模态试验必需要多方向同时激振才能将六个刚体模态全部激发出来。同时激励点的选取应使激振力矩增大。在试验过程中，要选取多个激振点进行比较。

（3）试验的支承方式：整车状态下动力总成刚体模态试验车辆放置在水平地面上，保持在水平面内。为了消除车架和悬架的模态影响，车辆用四个支点顶起。

（4）测点：本试验共使用了两个力传感器和十个三向加速度传感器。力传感器测量激励信号；加速度传感器测量测点响应信号。由于测点较多，传感器数量有限，所以采取分组多次采集、最后集中处理的测量手段。激振器与力传感器之间用较细的柔性杆连接，以保证激振力产生引激励方向作用力。

（5）动力总成刚体模态试验数据采集设置:采样频率有效带宽: 64Hz，谱线数：512，频率分辨率为0.125Hz。力信号和响应窗函数为HANNING窗以减少泄漏误差。力信号源为BIRST 随机，激振频率2-64Hz。为了减少测量随机误差，提高测试精度，对每次测量采样进行16次重复平均。

（6）频响函数FRF的测量：为了获取全部模态参数及模态振型的信息，需要测量足够数量和精度的频响函数（FRF）。在测量二输入多输出频响函数时，采用自功率谱和互功率谱计算频响函数，根据16次平均次数，用H1估计法求得频响函数的最小二乘近似值。在试验过程中，确保相干函数接近1。本试验中由LMS国际公司 SPECTRAL ACQUISITION采集软件测试各测点频响函数。通过移动加速度传感器，测量全部测点的频响函数。监测各测点相干函数和频响函数。

（7）模态参数识别：模态参数估计方法是采用比利时LMS 公司MODEL ANSLYSIS 分析软件中对于大阻尼系统识别精度高的POLYMAX 分析软件。通过比较LMS国际公司MODEL