AVL Excite在动力总成悬置系统设计中的应用

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(武汉理工大学 能源与动力工程学院， 武汉 430063)

影响发动机悬置系统隔振效果的因素很多，各影响因素之间的关系比较复杂，对动力总成悬置系统的合理设计很关键，必须反复地进行理论分析和实验验证，要消耗大量的物力和时间。若能借助比较成熟的软件对发动机的工作过程进行仿真模拟，可以提高设计效率。AVL Excite是奥地利李斯特内燃机及测试设备公司开发的一款发动机动力学仿真软件，它综合了有限元和多体动力学的分析原理，并结合了李斯特公司在发动机设计方面积累的丰富经验。目前国内还未见采用AVL Excite(以下简称Excite)进行悬置系统设计的相关文献报道，本文介绍利用Excite从多组发动机悬置软垫中选择出最佳组合。

1 发动机基本技术参数

研究对象选择德国道依茨公司生产的BF6M1013ECP型柴油机，主要技术参数见表1。

表1 发动机主要技术参数

直列六缸机主要受气缸内气体压力和往复惯性质量引起的倾覆力矩以及内力矩的作用。BF6M1013ECP型柴油机受到的最低频率的扰动力为内力矩，其频率为10 Hz[1]。

2 发动机相关参数

建立如图1所示的坐标系。

坐标系原点位于质心处，x轴平行于曲轴指向自由端。发动机质量惯量和质心位置等基本参数与悬置系统的动态特性关系密切。动力总成总质量1 113 kg(用磅秤测出)，质心位置通过悬吊法测出，惯性参数通过扭摆法测出，分别见表2～4[2]。

图1 发动机悬置四点支承系统

表2 动力总成的质心位置 mm

表3 动力总成的惯性参数 kg·m2

表4 悬置的布置位置 mm

3 悬置组合方案

有三种悬置元件的刚度组合方案可供选择，见表5。

表5 组合刚度 N/mm

4 发动机悬置系统固有特性分析

利用上述各种参数可以得到质量矩阵和刚度矩阵，从而建立发动机悬置系统的运动特性方程，求解可以获得悬置系统的固有频率[3]。

发动机可以看作一个空间六自由度刚体，因此悬置系统存在六个刚体运动模态，分别是沿x轴、y轴、z轴的平移运动和绕x轴、绕y轴和绕z轴的旋转运动，各个振动模态之间不是相互独立的，而是互相耦合的，这种耦合的存在会增大发生共振的可能性，恶化发动机的振动状况，因此通过调整设计参数，尽量降低各个振动模态之间的耦合程度是悬置系统设计的主要方向[4]。

发动机悬置系统各个模态之间的耦合程度可用能量耦合因子ηi来衡量，其表达式如下：

i=x,y,z,θx,θy,θz(1)

式中，T——某阶模态的总能量

Ti——该阶模态下i方向的能量，

mkl——质量矩阵第k行第l列元素;

Φj——阶模态下对应的振型向量；

(Φj)k、(Φj)l——Φj第k及第l个元素。

ηi越大表明i方向的运动与其它运动之间的解耦程度越高，一般将ηi大于0.9视为完全解耦。

表6～8列出了三种不同悬置系统的固有频率和能量耦合状况[2]。

表6 方案一的能量耦合矩阵

表7 方案二的能量耦合矩阵

表8 方案三的能量耦合矩阵

比较各方案的固有频率可知，方案三对应各阶固有频率比方案一和方案二对应各阶固有频率都要小，固有频率越小意味着离共振区越远，也更有利于减小发动机的振动。比较采用各方案后的能量耦合关系可以发现方案三绕x轴旋转方向的解耦程度最高，达到了91.8%；方案二其次，为61.9%；方案一最低，为58.8%。而绕x轴旋转方向是直列式六缸机的主要受力方向，该方向的解耦程度越高对降低发动机振动越有利。因此可以确定方案三为最佳方案，方案二其次。

5 Excite仿真

不考虑基础的弹性效应，设基础为刚体。输入的外界载荷参数为气缸压力曲线。在Excite中建立模型。

模型中，机体和曲轴采用刚体模块，用质心位置、质量和转动惯量来表征发动机的固有特性。支承模块采用非线性单元，用来表征刚度和阻尼随位移非线性变化的关系。

(2)

式中：a(t)——悬置点处振动加速度时间历程，m/s2；

T——采样时间，s；

仿真结果见图2。

由于随着转速的提高，缸内气体作用力和往复惯性力呈增大的趋势，因此从整体上看，加速度均方根值曲线呈上扬的趋势。从仿真结果看，方案三对各悬置刚度配置最为合理，对改善整机振动状况效果最好，方案二其次。

b)

c)

d)图2 仿真结果

6 实验测试

由于实际发动机悬置的上下支架均为弹性，因此采用加速度传感器分别布置在前后四个悬置上、下八个测点处测取不同转速工况下的z向加速度信号，见图3。这里用振动传递率L来表征发动机悬置系统隔振效果的好坏。

(3)

L越小表明隔振效果越好[2]。

从整个转速范围内看出，方案三隔振效果最好，方案二其次，方案一效果最差。

a)

b)

c)

d)图3 实验结果

7 结束语

1) 通过仿真分析得到的结论与能量解耦理论和实验测试结果得出的结论是一致的，由此可以确信对于发动机置系统设计Excite是一个有力的工具。虽然主要将Excite用于悬置组合方案的选择，实际上也可用于其它悬置设计的场合如悬置系统参数的优化设计等，通过Excite仿真能够方便进行分析和模拟，起到部分代替实验的作用，从而降低实验成本，缩短研发周期。

2) 主要探讨了Excite仿真结果的变化趋势，对结果的精度未予关注，只考虑了部分主要因素的影响，因此对Excite模型进行了大量的简化，如假设机体、曲轴和基础为刚体，忽略了悬置刚度阻尼的频变和幅变特性，没有考虑气体压力以外其它的可能对发动机振动有影响的作用力如配气机构的作用力，若要得到比较精确的结果，需建立发动机机体和曲轴的有限元模型，并对悬置的特性进行精确的测量。当然，分析时间也会延长，所以必须综合进行权衡。

[1] 吴炎庭，袁卫平.内燃机噪声振动控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 赵彤航.CA1261 汽车发动机悬置系统隔振的研究[D].长春：吉林大学，2002.

[3] 方锡邦,汪 佳.轿车动力总成悬置系统三维动力学模型的建立及优化[J].阜阳师范学院学报：自然科学版，2004，21(2)：45-48，56.

[4] 林峰印.引擎怠速狀態隔振系統配置最佳化设计[J].车辆研测咨询，2006(1)：25.