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用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的高頻聲學(xué)試驗(yàn)臺(tái)架（高達(dá)2000HZ)）

2019-09-10 14:11:53·  來源：汽車NVH云講堂  
　
原德語(yǔ)論文在VFI 1/2010發(fā)表，p 22-26 M+P International譯Dipl.-Ing. Ralf Hoffmann, Volkswagen AG,F+E Messwesen, 38436 Wolfsburg, Germany, www.vw.comDr.-
原德語(yǔ)論文在VFI 1/2010發(fā)表，p 22-26 M+P International譯
 
Dipl.-Ing. Ralf Hoffmann, Volkswagen AG,F+E Messwesen, 38436 Wolfsburg, Germany, www.vw.com
Dr.-Ing. Walter Klie,
 
m+p international Mess-und RechnertechnikGmbH, 30519 Hannover, Germany www.mpihome.com
 
介紹
 
車內(nèi)聲品質(zhì)顯著影響車輛的舒適度。噪音、振動(dòng)和機(jī)械沖擊可能會(huì)對(duì)行駛車輛中乘員的健康產(chǎn)生不利影響。人類在較寬的頻率范圍內(nèi)感應(yīng)振動(dòng)。在低頻（ 0.1至20 Hz），人們感覺到聲音而不是聽到它;隨著頻率提高到約100 Hz，聲音可以同時(shí)感覺到和聽到。振動(dòng)頻率高達(dá)幾千赫茲時(shí)，人耳感受到的就是噪音。
 
 諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、滾動(dòng)輪胎或風(fēng)噪聲（由車身及發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的氣動(dòng)學(xué)激勵(lì)）等振動(dòng)源在乘客艙外部。為了優(yōu)化乘客舒適度，需要對(duì)從外部激勵(lì)源到乘客身體和耳朵的傳遞路徑進(jìn)行詳細(xì)分析，以使車輛NVH工程師能夠制定適當(dāng)?shù)臏p振和隔振措施。
圖 1：高頻測(cè)試臺(tái)架，大眾，德國(guó)沃爾夫斯堡
 
車輛發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的主要任務(wù)是盡可能堅(jiān)固地支撐重量和驅(qū)動(dòng)反作用力。另外，為了達(dá)到車廂內(nèi)的最大舒適性，它們還必須將加載的驅(qū)動(dòng)單元的振動(dòng)與車身分離。因此，懸置的振動(dòng)傳播特性和寬頻范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)剛度對(duì)車輛聲學(xué)工程師至關(guān)重要。
 
 目前已經(jīng)開發(fā)了一種新的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)來研究發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在高達(dá) 2000Hz的頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)剛度。臺(tái)架允許在測(cè)試臺(tái)上模擬由重量或反作用力產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)載荷，并可以連續(xù)監(jiān)測(cè)其他參數(shù)，包括懸置溫度和橫向張力。
 
 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
 
 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和車身支架通常基本上是彈性體 -金屬?gòu)?fù)合材料。它們的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)傳動(dòng)特性不僅對(duì)駕駛動(dòng)態(tài)和車輛安全性有直接的影響，而且對(duì)乘坐舒適度有直接的影響。傳遞行為主要由復(fù)合元件的幾何形狀和所使用的彈性體材料的物理性質(zhì)決定。彈性特性，即剛度和衰減通常由技術(shù)要求決定，但它們強(qiáng)烈依賴于負(fù)載類型（預(yù)載荷，正常 /剪切應(yīng)力），振動(dòng)頻率和溫度。負(fù)載歷史（老化）和可能的過載或先前的損壞也可能對(duì)彈性體行為產(chǎn)生影響。
圖 2:不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置：左圖為彈性體-金屬?gòu)?fù)合材料，右圖為液壓懸置
 彈性體的阻尼是傳遞行為的重要因素，隨振動(dòng)速度幾乎線性增加。這種效應(yīng)被稱為“動(dòng)態(tài)硬化”。因此，具有高材料阻尼值的彈性體不太適用于高頻激勵(lì)下的的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置。
 
替代設(shè)計(jì)是液壓懸置，其中使用液壓元件（節(jié)流）實(shí)現(xiàn)低頻下的衰減。阻尼效應(yīng)取決于振動(dòng)位移，因此隨著頻率的增加而減小，消除了動(dòng)態(tài)硬化效應(yīng)。液壓懸置還可實(shí)現(xiàn)頻率選擇性阻尼效果。
 
目前也發(fā)開了其他懸置類型，例如自適應(yīng)懸置，主動(dòng)懸置和主動(dòng)減振器，以應(yīng)對(duì)來自新的驅(qū)動(dòng)概念（包括停缸技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停和混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)）的不斷增長(zhǎng)的需求。
 
確定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置動(dòng)態(tài)特性的最重要參數(shù)是動(dòng)態(tài)剛度。這可以用符合 VDA675480標(biāo)準(zhǔn)的合適的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估。以預(yù)定頻率的穩(wěn)態(tài)正弦位移信號(hào)測(cè)試樣品，并測(cè)量相關(guān)的反作用力。力與位移推導(dǎo)出滯后曲線，從中可以為每個(gè)測(cè)試頻率確定剛度和阻尼。圖 3說明了測(cè)量和分析方法。
圖 3：依據(jù) VDA 675480標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試彈性體懸置
 
在修正的測(cè)試過程中連續(xù)地掃過測(cè)試頻率。測(cè)量振動(dòng)位移和反作用力隨時(shí)間的變化，隨后用傅里葉分析確定動(dòng)態(tài)剛度和相位角。這樣就可以在更短的時(shí)間內(nèi)、更寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量動(dòng)態(tài)特性。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的典型動(dòng)剛度值為100 -300 N /mm。
 
進(jìn)一步可以考慮該實(shí)驗(yàn)的隔離度：
 
這證明了采用高阻尼材料的彈性體懸置的動(dòng)態(tài)硬化特性。一般未經(jīng)調(diào)校的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置典型的特征頻率位于 10Hz附近。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，彈性安裝、固有頻率恒定的系統(tǒng)的隔離度幾乎二次上升到 1。因此，隨著激勵(lì)頻率的增加，傳遞到車體的振動(dòng)將減少。然而，對(duì)于具有速度比例阻尼的彈性體支架，系統(tǒng)的本征頻率隨著速度而增加，使得隔離度的增加更加緩慢：也就是說傳遞的高頻部分的振動(dòng)以及噪聲進(jìn)入駕駛艙的比例更高。
 
用于確定彈性體懸置傳動(dòng)特性的測(cè)試臺(tái)
 
用于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)懸架傳動(dòng)特性的測(cè)試臺(tái)大體上設(shè)計(jì)原理相同。液壓致動(dòng)器安裝在閉合的負(fù)載框架中，使得測(cè)試部件的一側(cè)可以被動(dòng)態(tài)地加載（輸入）。由動(dòng)態(tài)位移激勵(lì)（輸出）產(chǎn)生的反作用力由發(fā)動(dòng)機(jī)懸架的另一側(cè)和負(fù)載架之間的力傳感器測(cè)得。在測(cè)試期間，同時(shí)測(cè)量輸入處的位移激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)支架輸出端的反作用力，并使用上述評(píng)估方法來得出動(dòng)態(tài)剛度和相位角
圖 4：液壓激勵(lì)系統(tǒng)中的傳動(dòng)懸置的動(dòng)態(tài)測(cè)量（垂直振動(dòng)方向等于車輛的橫向）
 
圖 4顯示了使用液壓傳動(dòng)器或液壓激勵(lì)器在懸置上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的布置。垂直振動(dòng)方向?qū)?yīng)于車輛橫向，因此檢查與橫向加速度有關(guān)的傳動(dòng)行為。為了模擬現(xiàn)實(shí)的操作條件，靜態(tài)支撐模擬 Z向的懸置重量和車輛在 x方向上的恒定加速度。取決于測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)，除了主激勵(lì)方向之外，還可以添加反向動(dòng)態(tài)載荷。為此，在負(fù)載框架中安裝了額外的液壓激勵(lì)器。然而，這個(gè)過程大大降低了機(jī)器的可用頻率范圍。
圖 5：液壓脈沖系統(tǒng)的基本系統(tǒng)配置和機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)
 
圖 4中，負(fù)載框架的實(shí)心柱是清晰可見的。這些支柱將液壓致動(dòng)器的下軛（固定的被測(cè)試裝置， DUT）和上軛架之間的力流關(guān)閉。這種基本配置如圖 5所示，與機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)相當(dāng)。如果需要，可以反轉(zhuǎn)致動(dòng)器和力傳感器的位置。等效的機(jī)械彈簧質(zhì)量圖表明，除了試樣的彈簧 -質(zhì)量 -阻尼器系統(tǒng)以外，
測(cè)試臺(tái)也必須考慮為振動(dòng)系統(tǒng)。帶有液壓激勵(lì)器和力傳感器的負(fù)載框只能用于沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的頻率范圍。第一階剛體模態(tài)是微不足道的，因?yàn)樗ǔＴ诘皖l下是解耦的。
 
顯然，測(cè)試適配器的諧振質(zhì)量和在激勵(lì)和力傳感器之間的力流中的測(cè)試對(duì)象的比例質(zhì)量可以引入自振動(dòng)，從而影響測(cè)量結(jié)果，特別是在高頻范圍內(nèi)的剛度耦合的情況下。液壓彈性懸置測(cè)試臺(tái)可以在高達(dá)約1000 Hz的頻率范圍內(nèi)使用，在這些高頻下實(shí)現(xiàn)的位移振幅僅為約 0.05mm。由于在測(cè)試配置中避免共振所需的努力是相當(dāng)大的，所以在較高的激發(fā)頻率下的彈性體行為不能以經(jīng)濟(jì)的方式使用該設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
 
頻率高達(dá)2000 Hz的高頻發(fā)動(dòng)機(jī)懸置測(cè)試臺(tái)
 
高頻噪聲是車輛乘客的聲學(xué)舒適度的重要因素。發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系是這種振動(dòng)的主要激勵(lì)源。具有渦輪增壓器，可變閥控制，驅(qū)動(dòng)鏈和平衡軸的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展使得將重點(diǎn)放在高頻振動(dòng)傳遞到車身的問題上變得越來越重要。通常，聲學(xué)工程師只是在推出新模式之前才面對(duì)這些問題，導(dǎo)致解決方案可以在開發(fā)周期中早期發(fā)現(xiàn)問題時(shí)引入時(shí)間和財(cái)務(wù)支出。
 
德國(guó)沃爾夫斯堡大眾汽車公司（Volkswagen AG）委托開發(fā)了一種高頻試驗(yàn)臺(tái)，用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的動(dòng)態(tài)特性，頻率高達(dá)2000 Hz。液壓激振器不能在這些頻率下工作，因此采用電動(dòng)激振器。在圖 6中，左圖是試驗(yàn)臺(tái)的基本配置。激振器通過隔振器懸掛在焊接的機(jī)架中。機(jī)架的側(cè)板支撐一個(gè)500 kg質(zhì)量的慣性質(zhì)量。樣品使用特殊的適配器固定在激振器的銜鐵上。上部適配器通過非常堅(jiān)固的三分量力測(cè)量裝置支撐在被測(cè)件和靜載中間。慣性質(zhì)量由空氣彈簧輕柔地支撐，因此，在頻率高于 25Hz的測(cè)試中，由測(cè)件，空氣彈簧和慣性質(zhì)量的系統(tǒng)已經(jīng)處于其超臨界范圍。
 
在超臨界范圍內(nèi)，輕輕地安裝在垂直方向的慣性質(zhì)量承載著試樣的動(dòng)態(tài)反作用力，而不會(huì)在測(cè)試框架中引入任何振動(dòng)。因此，機(jī)甲的本征頻率不會(huì)被激發(fā)，這是高測(cè)試頻率的重要先決條件。
 
如前所述，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的動(dòng)態(tài)特性高度依賴于諸如預(yù)載荷或溫度等參數(shù)。高頻試驗(yàn)臺(tái)通過控制慣性質(zhì)量的空氣彈簧座與振動(dòng)器預(yù)載荷補(bǔ)償?shù)目諝鈴椈勺g的壓力差來完美的實(shí)現(xiàn)預(yù)加載。降低壓力差會(huì)增加預(yù)載荷，而增加壓力差會(huì)降低預(yù)載荷。在測(cè)試操作期間，靜態(tài)預(yù)載荷被連續(xù)監(jiān)測(cè)和控制，以保持所需的值。根據(jù)慣性質(zhì)量的大小，上述測(cè)試結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生高達(dá)5 kN的預(yù)載荷。
圖 6：高頻試驗(yàn)臺(tái)（左）和預(yù)載荷控制的質(zhì)量的基本配置（右）
 
試樣上的動(dòng)態(tài)反作用力通過剛性上部適配器和（同樣剛度）的力測(cè)量傳感器直接連接到慣性質(zhì)量。這種方法有可能使慣性質(zhì)量激發(fā)到彈性振動(dòng)，這可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。因此，檢查了慣性質(zhì)量的自振行為。研究彈性彎曲，扭轉(zhuǎn)和縱向振動(dòng)以及質(zhì)量相對(duì)于板簧元件（沿徑向工作的）的剛體振動(dòng)。圖 7顯示了頻率盡可能接近測(cè)試范圍的振動(dòng)模態(tài)。左邊的圖像顯示了 3.5Hz的特征頻率的剛體傾斜振蕩，并且所有發(fā)現(xiàn)的剛體模態(tài)都具有低于 15Hz的本征頻率。彎曲模態(tài)（如右圖所示）具有 3500Hz的本征頻率。慣性質(zhì)量的所有彈性本征頻率都是高于 2500Hz。
圖 7：慣性質(zhì)量振動(dòng)模態(tài)
 
上述結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果證實(shí)了高頻試驗(yàn)臺(tái)選擇的概念。測(cè)試臺(tái)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)滿足高精度要求。對(duì)加速度，速度和位移的依賴性如圖 8所示，即振動(dòng)列線圖。在 85至 1577Hz的頻率范圍內(nèi)，使用較低的位移范圍值（ 0.001mm）進(jìn)行測(cè)試，加速度從55 Hz的0.03 g增加到1577 Hz時(shí)的最大加速度10 g。除此之外，頻率在恒定加速度下增加，這導(dǎo)致在 2000Hz下 0.62微米的位移減小。在 10g的加速度限制下，動(dòng)力矢量（正弦激勵(lì)）約為5 kN。在最大加速度為40 g的測(cè)試情況下，動(dòng)力矢量為20 kN。
圖 8：5 kN / mm安裝剛度的高頻試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)列線圖，25 kg的移動(dòng)質(zhì)量，正弦激勵(lì)
 
在 85-2000Hz的頻率范圍內(nèi)，最高和最低加速度的比率為 355.為了滿足振蕩幅度的要求精度，在低頻時(shí)振動(dòng)是位移控制的 ;在大約 500Hz以上的頻率（以 0.001mm位移的 1g加速度）加速度被用作控制參數(shù)。在自動(dòng)測(cè)試操作期間，使用m + p VibControl系統(tǒng)執(zhí)行振動(dòng)控制和測(cè)量數(shù)據(jù)采集和分析。
 
高達(dá)2000 Hz頻率下的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的動(dòng)態(tài)性能
 
在產(chǎn)品開發(fā)初期，復(fù)合材料懸置的高頻特性研究已成為大眾汽車公司汽車聲學(xué)部分的重要工具。隨著知識(shí)的獲取，一些零件可以在開發(fā)階段進(jìn)行修改，盡管沒有預(yù)先優(yōu)化的原型車可用。圖9顯示了三個(gè)幾何相同的液壓懸置的動(dòng)態(tài)特性。三個(gè)懸置在 500Hz頻率以下的剛度相等，但在較高頻率下，其動(dòng)態(tài)剛度存在顯著差異。很明顯，這些差異顯著影響到車體的振動(dòng)傳播。
圖 9：頻率范圍達(dá)到 2000 Hz的三個(gè)明顯相同的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的動(dòng)態(tài)剛度
 
進(jìn)一步的研究表明，液壓懸置膜的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)底盤在高于 500Hz的高頻操作范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)剛度。圖 10提供了優(yōu)化件和標(biāo)準(zhǔn)件之間的動(dòng)態(tài)剛度特性比較曲線。
圖 10：標(biāo)準(zhǔn)懸置和優(yōu)化件之間動(dòng)態(tài)剛度的差異
 
圖 11中顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置前后測(cè)量點(diǎn)的車輛中的加速度。標(biāo)準(zhǔn)件和優(yōu)化件的加速度并排顯示。上面的圖像顯示了懸置主動(dòng)側(cè)測(cè)點(diǎn)加速度，下圖顯示了懸置被動(dòng)側(cè)的加速度。右下方面板顯示了優(yōu)化懸置基點(diǎn)加速度水平的降低。加速度的降低與車輛內(nèi)部的聲品質(zhì)顯著提高有關(guān)。
圖 11：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置前后的加速度 ;
左：原標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) ;右：修改（優(yōu)化）設(shè)
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