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動力吸振器在汽車半軸減振減噪上的應(yīng)用
2020-02-14 00:14:05· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：曾廣勁
1 噪聲和振動問題分析問題車轉(zhuǎn)速在2 400 rmin-1和3 800 rmin-1左右時(shí)，車內(nèi)有明顯的轟鳴聲，嚴(yán)重影響了車內(nèi)人員的乘坐體驗(yàn)。為此，對問題車進(jìn)行整車試驗(yàn)并分析噪
1 噪聲和振動問題分析
問題車轉(zhuǎn)速在2 400 r·min-1和3 800 r·min-1左右時(shí)，車內(nèi)有明顯的轟鳴聲，嚴(yán)重影響了車內(nèi)人員的乘坐體驗(yàn)。為此，對問題車進(jìn)行整車試驗(yàn)并分析噪聲和振動問題。整車試驗(yàn)時(shí)，問題車掛入空擋，緩慢原地加速，速度為700～4 500 r·min-1。使用德國BBM設(shè)備收集并處理數(shù)據(jù)。在前后排座椅右耳位置布置麥克風(fēng)收集聲壓數(shù)據(jù)，在司機(jī)座椅導(dǎo)軌處布置振動加速度傳感器收集振動數(shù)據(jù)，傳感器布置如圖1 所示。從測試結(jié)果（圖2）中可看出，車內(nèi)轟鳴聲主要由發(fā)動機(jī)的2 階激勵造成，轟鳴聲頻率在78 Hz和127 Hz左右。
對問題車進(jìn)行傳遞路徑分析，推測轟鳴聲是由于汽車半軸的彎曲模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)二階點(diǎn)火頻率耦合引起的。問題車的傳動軸采用長短軸結(jié)構(gòu)（左短右長），如圖3所示，其中左半軸為空心管，右半軸則為直徑28.2 mm的實(shí)心管。一般來說，空心管的固有頻率比實(shí)心管大很多，故推測轟鳴聲是由右半軸引起的。對右半軸進(jìn)行頻率響應(yīng)測試，從測試結(jié)果（圖4）可以看出，右半軸Z 向頻響函數(shù)在78 Hz和128 Hz處出現(xiàn)峰值，可以確定轟鳴聲是由于汽車右半軸彎曲引起的。為解決車內(nèi)轟鳴聲，在不改變傳動軸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在汽車右半軸上加裝DVA。
圖1 整車試驗(yàn)傳感器測試點(diǎn)布置
圖2 后排右耳噪聲瀑布圖
圖3 傳動軸長短軸結(jié)構(gòu)
圖4 右半軸頻響函數(shù)
2 動力吸振器設(shè)計(jì)
2.1 動力吸振器原理
汽車半軸可看作剛性體，由于剛性體的阻尼較小，建立汽車半軸DVA模型時(shí)，一般忽略汽車半軸的阻尼，把汽車半軸等效成零阻尼的單自由度系統(tǒng)（圖5）。半DVA系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)方程為
式中：M為汽車半軸質(zhì)量；m為DVA質(zhì)量；x1為汽車半軸位移；x2為DVA位移；k1為汽車半軸剛度；k2為DVA 剛度；c 為DVA 阻尼；F（t）為汽車半軸受到的激勵力。汽車半軸和DVA固有頻率及比值分別為
質(zhì)量比、激勵頻率比分別為
定義DVA的阻尼比為
由式（1）推導(dǎo)汽車半軸的振動放大系數(shù)為
圖5 汽車半軸DVA模型
2.2 動力吸振器參數(shù)設(shè)計(jì)
目前大多數(shù)汽車用DVA的優(yōu)化目標(biāo)是使振動放大系數(shù)最大值最小，根據(jù)PQ定點(diǎn)理論優(yōu)化DVA參數(shù)，即先確定DVA 質(zhì)量，再根據(jù)最佳調(diào)諧比公式確定DVA固有頻率：
根據(jù)最優(yōu)阻尼比公式確定DVA阻尼比：
實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于材料的限制，橡膠阻尼式DVA的阻尼比很難調(diào)到由最優(yōu)阻尼比公式得到的值，由最優(yōu)阻尼比公式算出的阻尼比往往偏大，從而導(dǎo)致DVA的減振效果達(dá)不到預(yù)期。文中設(shè)計(jì)的汽車半軸DVA 為橡膠阻尼式DVA，由于結(jié)構(gòu)和材料限制，其阻尼比不超過0.1；從相關(guān)論文結(jié)論可知，DVA 質(zhì)量越重，DVA 的減振效果越好，綜合考慮減振效果和安裝空間的限制，DVA 質(zhì)量設(shè)定為800 g?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)時(shí)DVA 的阻尼比，借助Isight強(qiáng)大的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化能力，選用Isight中的MIGA 算法（多島遺傳算法）對汽車半軸DVA 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化模型如式（8）所示，針對78 Hz 和127 Hz 出現(xiàn)的嘯叫問題，設(shè)計(jì)2 個(gè)汽車半軸DVA，優(yōu)化得到的DVA參數(shù)如表1所示。
表1 DVA參數(shù)表
3 固有頻率預(yù)測與實(shí)測
某汽車半軸DVA由橡膠主簧和質(zhì)量塊硫化而成，見圖6。采用Abaqus 軟件對汽車半軸DVA 固有頻率進(jìn)行預(yù)測前，在Hypermesh軟件中劃分汽車半軸DVA的2件套網(wǎng)格，信息見表2。將汽車半軸DVA 的2 件套網(wǎng)格模型導(dǎo)入Abaqus 軟件中，建立有限元模型，用直徑28.2 mm 的軸模擬汽車右半軸，并將軸定義為Discrete rigid（剛性體）。橡膠硫化在質(zhì)量塊上，質(zhì)量塊與橡膠之間設(shè)為Tie 約束。傳動軸與橡膠之間設(shè)置接觸，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.27，因切向不是DVA的工作向，摩擦系數(shù)的大小對固有頻率預(yù)測結(jié)果影響很小。
表2 汽車半軸DVA的2件套網(wǎng)格信息
實(shí)際裝車時(shí)，為限制汽車半軸DVA左右移動，需要加裝卡環(huán)，如圖7所示。卡環(huán)的增加會使汽車半軸DVA 固有頻率上升，從現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可以得知，加裝卡環(huán)后，DVA 固有頻率約上升10%，因此預(yù)測DVA 固有頻率時(shí)，必須考慮卡環(huán)的影響?？ōh(huán)裝在DVA 后的直徑為36 mm，加裝卡環(huán)前，卡環(huán)安裝處的橡膠直徑為37.5 mm。為模擬卡環(huán)的作用，建立一個(gè)柱坐標(biāo)系，與卡環(huán)接觸的橡膠沿柱坐標(biāo)系R向單邊收縮-0.75 mm，然后讀取與卡環(huán)接觸的橡膠節(jié)點(diǎn)反力，橡膠每個(gè)節(jié)點(diǎn)反力為0.8 N；與卡環(huán)接觸的每個(gè)橡膠節(jié)點(diǎn)上施加沿柱坐標(biāo)系R 向-0.8 N的力，將位移轉(zhuǎn)化為力，若直接施加位移量相當(dāng)于卡環(huán)在絕對坐標(biāo)系中固定，實(shí)際上卡環(huán)隨傳動軸上下跳動而跳動。有限元模型如圖8所示。
求解汽車半軸DVA 固有頻率時(shí)，分析步采用Abaqus中的Steady-state Dynamics Direc（t穩(wěn)態(tài)動態(tài)分析方法）。施加載荷時(shí)，給傳動軸0.1 g徑向（整車坐標(biāo)系的Y 向）加速度，在固有頻率試驗(yàn)時(shí)同樣施加0.1 g，讀取質(zhì)量塊上任意一點(diǎn)的位移響應(yīng)，位移峰值對應(yīng)的頻率即汽車半軸DVA的固有頻率。
圖6 汽車半軸DVA結(jié)構(gòu)
圖7 汽車半軸DVA的固定
圖8 DVA有限元模型
定義材料時(shí)，采用Abaqus 中的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型表征汽車半軸DVA橡膠材料的超彈性特征，采用Prony級數(shù)定義汽車半軸DVA橡膠材料的粘彈性特征。橡膠材料的超彈性材料參數(shù)和粘彈性材料參數(shù)可通過相關(guān)的力學(xué)試驗(yàn)獲取。分析時(shí)，質(zhì)量塊采用45#鋼，密度為7.85×10-9，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33；橡膠材料采用的材料參數(shù)如表3 所示。汽車半軸DVA 固有頻率有限元預(yù)測結(jié)果如圖9所示。
根據(jù)汽車半軸DVA 固有頻率有限元預(yù)測結(jié)果，分別采用硬度為47 HA和62 HA的EPDM制作DVA，并在激振臺上對其固有頻率進(jìn)行實(shí)測，如圖10 所示。測試時(shí)，施加加速度恒為0.1 g 的激勵。汽車半軸DVA固有頻率有限元預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的誤差如表4所示，有限元預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的相對誤差小于8%，因此可以根據(jù)固有頻率預(yù)測結(jié)果來指導(dǎo)DVA的實(shí)際生產(chǎn)，縮短調(diào)試時(shí)間。
表3 橡膠材料參數(shù)
圖9 汽車半軸DVA固有頻率有限元預(yù)測結(jié)果
表4 DVA固有頻率結(jié)果對比
4 動力吸振器裝車效果驗(yàn)證
圖10 汽車半軸DVA固有頻率測試
汽車半軸DVA裝車后，從主觀感受來說，轉(zhuǎn)速約為2 400 r·min-1和3 800 r·min-1時(shí)不再出現(xiàn)轟鳴聲。從測試結(jié)果圖11 可以看出：加裝汽車半軸DVA 后，轉(zhuǎn)速約為2 400 r·min-1時(shí)，后排右耳噪聲由56 dB下降為50 dB，前排右耳噪聲由55 dB下降為48 dB；轉(zhuǎn)速約為3 800 r·min-1時(shí)，后排右耳噪聲由60 dB下降為55 dB，前排右耳噪聲由59 dB下降為51 dB。司機(jī)座椅導(dǎo)軌的振動量在高速段減小了50%。加裝汽車半軸DVA 有效解決了由汽車半軸引起的轟鳴聲問題。
圖11 整車試驗(yàn)測試結(jié)果
5 結(jié)論
1）充分考慮實(shí)際阻尼比的大小，運(yùn)用多島遺傳算法優(yōu)化DVA參數(shù)，減小了問題車的轟鳴聲。
2）為防止DVA 左右移動，裝車時(shí)加載卡環(huán)，使DVA 的剛度增加，從而使DVA 的固有頻率上升。進(jìn)行DVA 固有頻率實(shí)測時(shí)須加裝卡環(huán)，保證測試與裝車條件一致，確保DVA減振、減噪效果。
3）建立汽車半軸DVA 有限元模型時(shí)，先建立一個(gè)柱坐標(biāo)系，與卡環(huán)接觸的橡膠沿著柱坐標(biāo)系的R 向收縮一定的位移量，讀取橡膠反力，再施加橡膠反力來模擬卡環(huán)的作用，通過激振臺實(shí)測DVA固有頻率進(jìn)行驗(yàn)證，證明了有限元模型的準(zhǔn)確性。
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