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車用動力總成模態(tài)優(yōu)化研究

2020-10-23 23:15:25·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
動力總成作為汽車的關(guān)鍵零部件，為汽車提供源源不斷的動力輸出。動力總成在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于激勵產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動等動態(tài)特性對汽車的NVH 及駕乘舒適性有著重要
動力總成作為汽車的關(guān)鍵零部件，為汽車提供源源不斷的動力輸出。動力總成在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于激勵產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動等動態(tài)特性對汽車的NVH 及駕乘舒適性有著重要的影響，對動力總成進(jìn)行模態(tài)分析是研究動力總成彎曲和扭轉(zhuǎn)振動等特性的主要手段。
 
一款增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)和自動變速器構(gòu)成的動力總成，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速區(qū)域動力總成抖動明顯，并且存在結(jié)合面漏油的問題，初步懷疑動力總成運(yùn)行過程中產(chǎn)生共振。本文通過有限元模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析相結(jié)合的方法對此動力總成的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動等動態(tài)特性進(jìn)行分析研究，找出薄弱點并進(jìn)行仿真優(yōu)化及試驗驗證，提升動力總成模態(tài)，消除共振風(fēng)險。
 
1 發(fā)動機(jī)激振頻率
發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，混合氣體在氣缸內(nèi)點火燃燒推動曲軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈沖，在發(fā)動機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，此脈沖式周期性出現(xiàn)的，我們稱其為點火激勵，其是動力總成激勵的主要來源。對于點火間隔固定的多缸發(fā)動機(jī)，其點火脈沖頻率可以由下式計算的到：
 
其中，f 為激振頻率；i 為發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)；n 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；τ 為發(fā)動機(jī)沖程數(shù)。
此次研究的發(fā)動機(jī)基本參數(shù)如表1 所示。
由以上可以求得此發(fā)動機(jī)的點火脈沖頻率為25Hz～176.7Hz，同時考慮10%的安全余量，我們要求動力總成的一階模態(tài)大于200Hz。
表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)
 
 
2 動力總成試驗?zāi)B(tài)分析
2.1 模態(tài)測試方法及數(shù)據(jù)分析
為了解該動力總成的固有模態(tài)，對動力總成進(jìn)行了模態(tài)試驗。試驗系統(tǒng)主要有激勵系統(tǒng)（激振器）和LMS 振動測試系統(tǒng)組成。對于動力總成模態(tài)試驗，理論上需要用測點將動力總成的外輪廓表示出來，通常至少要求8 個測點組成一個長方體。本次測試為了使測量更加準(zhǔn)確，在動力總成的表面共布置48 個測點，其中發(fā)動機(jī)24 個，變速器24 個。測點按照能夠充分反映動力總成的結(jié)構(gòu)特點和便于布置傳感器的原則進(jìn)行位置分布，如圖1 所示。
由圖1 可知，動力總成的測點均布在發(fā)動機(jī)和變速器的外表面，能夠很好的反映其結(jié)構(gòu)特性。
對于動力總成的模態(tài)測試，如果采用1 個激勵點，在某些方向上產(chǎn)生的響應(yīng)可能會非常小，因此本次采用2 個激勵點，分別布置在發(fā)動機(jī)油底殼和變速器上，這樣能更好的將動力總成六個方向的剛體模態(tài)激發(fā)出來。試驗時，用彈性繩懸吊動力總成，使其達(dá)到自由狀態(tài)，同時把48 個測點均布在動力總成上，搭建好的試驗臺架如圖2 所示。
2.2 模態(tài)測試結(jié)果
根據(jù)圖2 搭建好的臺架進(jìn)行動力總成的模態(tài)測試，結(jié)果如表2 所示，圖3 為試驗?zāi)B(tài)測試結(jié)果振型。
由表2 可知，此動力總成的一階模態(tài)為176.1Hz＜200Hz，不滿足設(shè)計要求。而動力總成在進(jìn)行試驗時，運(yùn)行工況在是發(fā)動機(jī)的全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行，由第一章節(jié)知道，發(fā)動機(jī)在最高轉(zhuǎn)速點的點火脈沖頻率為176.7Hz，大于動力總成的一階模態(tài)，存在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中在某個轉(zhuǎn)速點產(chǎn)生共振的風(fēng)險。
由圖3 我們可以知道，動力總成一階模態(tài)為彎曲振型，彎曲位置在發(fā)動機(jī)缸體和油底殼與變速器的結(jié)合面，即出現(xiàn)滲油的位置。
 
圖1 動力總成模態(tài)測點位置
 
圖2 動力總成模態(tài)測試臺架
表2 動力總成模態(tài)測試結(jié)果
 
 
3 動力總成有限元模態(tài)優(yōu)化分析
有限元分析可以通過計算機(jī)軟件對數(shù)字模型進(jìn)行計算分析，可以用最低的成本找出優(yōu)化的方案，避免了在多種方案下制作樣件進(jìn)行試驗分析造成的時間和成本的浪費。
3.1 動力總成有限元模態(tài)分析
考慮到動力總成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，結(jié)合有限元分析方法對模型進(jìn)行簡化處理。發(fā)動機(jī)部分留下缸體、缸蓋、油底殼、前蓋，去除發(fā)動機(jī)的其他附件采用質(zhì)量點代替；變速器殼體部件保留，內(nèi)部齒輪等零件也采用簡化成質(zhì)量點來替代。利用Hypermesh 軟件對集合模型進(jìn)行離散化、材料定義等前期處理，生成有限元模型，并進(jìn)行計算分析。分析結(jié)果如表3 所示，原動力總成的有限元模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。
 
圖3 動力總成模態(tài)測試結(jié)果振型
表3 動力總成模態(tài)分析測試結(jié)果
 
 
圖4 動力總成一階模態(tài)分析結(jié)果振型
由圖4 可知，動力總成在發(fā)動機(jī)缸體、油底殼底部與變速器的結(jié)合面產(chǎn)生了彎曲變形，與圖3 的一階彎曲振型類似。因此可以判定，由于發(fā)動機(jī)運(yùn)行時動力總成在變速器與發(fā)動機(jī)缸體和油底殼結(jié)合面產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致變速器殼體密封面有平面貫通，產(chǎn)生滲油風(fēng)險。
由表3 可知，動力總成有限元模態(tài)分析與試驗?zāi)B(tài)結(jié)果一階和二階的模態(tài)頻率誤差小于10%，振型也基本一致，說明有限元模態(tài)分析和模態(tài)試驗的結(jié)果一致性較好，動力總成的有限元模型準(zhǔn)確。
3.2 方案優(yōu)化及分析
根據(jù)3.1 的分析可知，動力總成的一階模態(tài)頻率偏低，在運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可能會存在共振風(fēng)險，因此提高動力總成的一階模態(tài)頻率避開發(fā)動機(jī)的激振頻率是最有效的方法。
在平臺化增壓汽油機(jī)新潤滑系統(tǒng)分析模型中，各個新的零部件均賦予相應(yīng)的流阻特性曲線（供應(yīng)商處獲得）用于計算機(jī)油管路壓力、流量的變化。
提高動力總成的剛度能有效的提高其固有頻率。目前提高剛度的方法有：①增加結(jié)合面零件的厚度，②在結(jié)合面零件表面增加加強(qiáng)筋。增加厚度會導(dǎo)致零件質(zhì)量增加，使得零件成本增加，還會因為重量增加導(dǎo)致油耗上升；增加加強(qiáng)筋能夠很好的考慮零件的結(jié)構(gòu)和布置，并且質(zhì)量增加較少，是常用的方法。
為了提高動力總成的固有頻率，讓動力總成在運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生共振，通過圖4 的分析，我們發(fā)現(xiàn)在缸體和油底殼處存在高應(yīng)變能密度區(qū)域，因此考慮在此區(qū)域增加加強(qiáng)筋。優(yōu)化設(shè)計方案如圖5 所示。
 
圖5 優(yōu)化設(shè)計方案
對圖5 的優(yōu)化方案裝配到動力總成模型中，進(jìn)行有限元模態(tài)分析，分析結(jié)果如表4 所示。
表4 優(yōu)化方案有限元模態(tài)分析結(jié)果
 
由表4 可知，設(shè)計優(yōu)化后的動力總成一階有限元模態(tài)達(dá)到了245.6Hz，滿足設(shè)計要求；并且優(yōu)化后的一階模態(tài)比優(yōu)化前的一階模態(tài)提高了39.3%，二階模態(tài)提升了9.7%。
圖6 為動力總成優(yōu)化后的一階模態(tài)分析結(jié)果振型，通過增加加強(qiáng)筋的優(yōu)化設(shè)計，動力總成在發(fā)動機(jī)與變速器結(jié)合面以及油底殼底部彎曲變形減小了。
 
4 優(yōu)化方案試驗?zāi)B(tài)分析
根據(jù)章節(jié)3 的優(yōu)化方案，制作樣件裝配動力總成進(jìn)行試驗?zāi)B(tài)分析，測試結(jié)果如表5 所示，圖7 為優(yōu)化后試驗?zāi)B(tài)測試結(jié)果振型。
由表5 可知，設(shè)計優(yōu)化后的動力總成一階有限元模態(tài)達(dá)到了240.2Hz，滿足設(shè)計要求；并且優(yōu)化后的一階模態(tài)比優(yōu)化前的一階模態(tài)提高了36.4%，二階模態(tài)提升了22.5%。
 
圖6 優(yōu)化后一階模態(tài)分析結(jié)果振型
表5 動力總成模態(tài)分析測試結(jié)果
 
 
圖7 優(yōu)化后動力總成模態(tài)測試結(jié)果振型
由圖7 我們可以知道，優(yōu)化后的動力總成一階固有頻率相對于優(yōu)化前的得到了改善。
 
5 結(jié)論
通過有限元模態(tài)分析與試驗?zāi)B(tài)分析相結(jié)合，找到動力總成的模態(tài)薄弱點并優(yōu)化改進(jìn)，研究結(jié)論如下：
①動力總成的一階模態(tài)頻率需要大于發(fā)動機(jī)的點火激勵頻率，避免發(fā)動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生共振損壞發(fā)動機(jī)。
②發(fā)動機(jī)油底殼和缸體抗彎強(qiáng)度低是導(dǎo)致動力總成模態(tài)低的原因。
③優(yōu)化后的動力總成模態(tài)提升了36.4%。
④優(yōu)化后的動力總成一階模態(tài)彎曲模態(tài)相對于優(yōu)化前的得到了改善。
 
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