用于汽车发动机悬置的高频声学试验台架(高达2000HZ))

2019-09-10 14:11:53·  来源:汽车NVH云讲堂  
 
原德语论文在VFI 1/2010发表,p 22-26 M+P International译Dipl.-Ing. Ralf Hoffmann, Volkswagen AG,F+E Messwesen, 38436 Wolfsburg, Germany, www.vw.comDr.-
原德语论文在VFI 1/2010发表,p 22-26 M+P International译
 
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
 
介绍
 
车内声品质显著影响车辆的舒适度。噪音、振动和机械冲击可能会对行驶车辆中乘员的健康产生不利影响。人类在较宽的频率范围内感应振动。在低频( 0.1至20 Hz),人们感觉到声音而不是听到它;随着频率提高到约100 Hz,声音可以同时感觉到和听到。振动频率高达几千赫兹时,人耳感受到的就是噪音。
 
 诸如发动机、变速箱、滚动轮胎或风噪声(由车身及发动机悬置的气动学激励)等振动源在乘客舱外部。为了优化乘客舒适度,需要对从外部激励源到乘客身体和耳朵的传递路径进行详细分析,以使车辆NVH工程师能够制定适当的减振和隔振措施。
图 1:高频测试台架,大众,德国沃尔夫斯堡
 
车辆发动机悬置的主要任务是尽可能坚固地支撑重量和驱动反作用力。另外,为了达到车厢内的最大舒适性,它们还必须将加载的驱动单元的振动与车身分离。因此,悬置的振动传播特性和宽频范围内的动态刚度对车辆声学工程师至关重要。
 
 目前已经开发了一种新的振动试验台来研究发动机悬置在高达 2000Hz的频率范围内的动态刚度。台架允许在测试台上模拟由重量或反作用力产生的准静态载荷,并可以连续监测其他参数,包括悬置温度和横向张力。
 
 发动机悬置的设计特点
 
 发动机悬置和车身支架通常基本上是弹性体 -金属复合材料。它们的静态和动态传动特性不仅对驾驶动态和车辆安全性有直接的影响,而且对乘坐舒适度有直接的影响。传递行为主要由复合元件的几何形状和所使用的弹性体材料的物理性质决定。弹性特性,即刚度和衰减通常由技术要求决定,但它们强烈依赖于负载类型(预载荷,正常 /剪切应力),振动频率和温度。负载历史(老化)和可能的过载或先前的损坏也可能对弹性体行为产生影响。
图 2:不同类型的发动机悬置:左图为弹性体-金属复合材料,右图为液压悬置
 弹性体的阻尼是传递行为的重要因素,随振动速度几乎线性增加。这种效应被称为“动态硬化”。因此,具有高材料阻尼值的弹性体不太适用于高频激励下的的发动机悬置。
 
替代设计是液压悬置,其中使用液压元件(节流)实现低频下的衰减。阻尼效应取决于振动位移,因此随着频率的增加而减小,消除了动态硬化效应。液压悬置还可实现频率选择性阻尼效果。
 
目前也发开了其他悬置类型,例如自适应悬置,主动悬置和主动减振器,以应对来自新的驱动概念(包括停缸技术,发动机自动起停和混动发动机)的不断增长的需求。
 
确定发动机悬置动态特性的最重要参数是动态刚度。这可以用符合 VDA675480标准的合适的试验台进行测量和评估。以预定频率的稳态正弦位移信号测试样品,并测量相关的反作用力。力与位移推导出滞后曲线,从中可以为每个测试频率确定刚度和阻尼。图 3说明了测量和分析方法。
图 3:依据 VDA 675480标准测试弹性体悬置
 
在修正的测试过程中连续地扫过测试频率。测量振动位移和反作用力随时间的变化,随后用傅里叶分析确定动态刚度和相位角。这样就可以在更短的时间内、更宽的频率范围内测量动态特性。发动机悬置的典型动刚度值为100 -300 N /mm。
 
进一步可以考虑该实验的隔离度:
 
这证明了采用高阻尼材料的弹性体悬置的动态硬化特性。一般未经调校的发动机悬置典型的特征频率位于 10Hz附近。随着发动机转速的增加,弹性安装、固有频率恒定的系统的隔离度几乎二次上升到 1。因此,随着激励频率的增加,传递到车体的振动将减少。然而,对于具有速度比例阻尼的弹性体支架,系统的本征频率随着速度而增加,使得隔离度的增加更加缓慢:也就是说传递的高频部分的振动以及噪声进入驾驶舱的比例更高。
 
用于确定弹性体悬置传动特性的测试台
 
用于测试发动机悬架传动特性的测试台大体上设计原理相同。液压致动器安装在闭合的负载框架中,使得测试部件的一侧可以被动态地加载(输入)。由动态位移激励(输出)产生的反作用力由发动机悬架的另一侧和负载架之间的力传感器测得。在测试期间,同时测量输入处的位移激励和发动机支架输出端的反作用力,并使用上述评估方法来得出动态刚度和相位角
图 4:液压激励系统中的传动悬置的动态测量(垂直振动方向等于车辆的横向)
 
图 4显示了使用液压传动器或液压激励器在悬置上进行动态测量的布置。垂直振动方向对应于车辆横向,因此检查与横向加速度有关的传动行为。为了模拟现实的操作条件,静态支撑模拟 Z向的悬置重量和车辆在 x方向上的恒定加速度。取决于测试台的设计,除了主激励方向之外,还可以添加反向动态载荷。为此,在负载框架中安装了额外的液压激励器。然而,这个过程大大降低了机器的可用频率范围。
图 5:液压脉冲系统的基本系统配置和机械弹簧质量系统
 
图 4中,负载框架的实心柱是清晰可见的。这些支柱将液压致动器的下轭(固定的被测试装置, DUT)和上轭架之间的力流关闭。这种基本配置如图 5所示,与机械弹簧质量系统相当。如果需要,可以反转致动器和力传感器的位置。等效的机械弹簧质量图表明,除了试样的弹簧 -质量 -阻尼器系统以外,
测试台也必须考虑为振动系统。带有液压激励器和力传感器的负载框只能用于没有发生结构共振的频率范围。第一阶刚体模态是微不足道的,因为它通常在低频下是解耦的。
 
显然,测试适配器的谐振质量和在激励和力传感器之间的力流中的测试对象的比例质量可以引入自振动,从而影响测量结果,特别是在高频范围内的刚度耦合的情况下。液压弹性悬置测试台可以在高达约1000 Hz的频率范围内使用,在这些高频下实现的位移振幅仅为约 0.05mm。由于在测试配置中避免共振所需的努力是相当大的,所以在较高的激发频率下的弹性体行为不能以经济的方式使用该设计来实现。
 
频率高达2000 Hz的高频发动机悬置测试台
 
高频噪声是车辆乘客的声学舒适度的重要因素。发动机和传动系是这种振动的主要激励源。具有涡轮增压器,可变阀控制,驱动链和平衡轴的高性能发动机的发展使得将重点放在高频振动传递到车身的问题上变得越来越重要。通常,声学工程师只是在推出新模式之前才面对这些问题,导致解决方案可以在开发周期中早期发现问题时引入时间和财务支出。
 
德国沃尔夫斯堡大众汽车公司(Volkswagen AG)委托开发了一种高频试验台,用于检测发动机悬置的动态特性,频率高达2000 Hz。液压激振器不能在这些频率下工作,因此采用电动激振器。在图 6中,左图是试验台的基本配置。激振器通过隔振器悬挂在焊接的机架中。机架的侧板支撑一个500 kg质量的惯性质量。样品使用特殊的适配器固定在激振器的衔铁上。上部适配器通过非常坚固的三分量力测量装置支撑在被测件和静载中间。惯性质量由空气弹簧轻柔地支撑,因此,在频率高于 25Hz的测试中,由测件,空气弹簧和惯性质量的系统已经处于其超临界范围。
 
在超临界范围内,轻轻地安装在垂直方向的惯性质量承载着试样的动态反作用力,而不会在测试框架中引入任何振动。因此,机甲的本征频率不会被激发,这是高测试频率的重要先决条件。
 
如前所述,发动机悬置的动态特性高度依赖于诸如预载荷或温度等参数。高频试验台通过控制惯性质量的空气弹簧座与振动器预载荷补偿的空气弹簧座之间的压力差来完美的实现预加载。降低压力差会增加预载荷,而增加压力差会降低预载荷。在测试操作期间,静态预载荷被连续监测和控制,以保持所需的值。根据惯性质量的大小,上述测试结构可以产生高达5 kN的预载荷。
图 6:高频试验台(左)和预载荷控制的质量的基本配置(右)
 
试样上的动态反作用力通过刚性上部适配器和(同样刚度)的力测量传感器直接连接到惯性质量。这种方法有可能使惯性质量激发到弹性振动,这可能导致不准确的测量结果。因此,检查了惯性质量的自振行为。研究弹性弯曲,扭转和纵向振动以及质量相对于板簧元件(沿径向工作的)的刚体振动。图 7显示了频率尽可能接近测试范围的振动模态。左边的图像显示了 3.5Hz的特征频率的刚体倾斜振荡,并且所有发现的刚体模态都具有低于 15Hz的本征频率。弯曲模态(如右图所示)具有 3500Hz的本征频率。惯性质量的所有弹性本征频率都是高于 2500Hz。
图 7:惯性质量振动模态
 
上述结构研究的结果证实了高频试验台选择的概念。测试台在整个频率范围内满足高精度要求。对加速度,速度和位移的依赖性如图 8所示,即振动列线图。在 85至 1577Hz的频率范围内,使用较低的位移范围值( 0.001mm)进行测试,加速度从55 Hz的0.03 g增加到1577 Hz时的最大加速度10 g。除此之外,频率在恒定加速度下增加,这导致在 2000Hz下 0.62微米的位移减小。在 10g的加速度限制下,动力矢量(正弦激励)约为5 kN。在最大加速度为40 g的测试情况下,动力矢量为20 kN。
图 8:5 kN / mm安装刚度的高频试验台的振动列线图,25 kg的移动质量,正弦激励
 
在 85-2000Hz的频率范围内,最高和最低加速度的比率为 355.为了满足振荡幅度的要求精度,在低频时振动是位移控制的 ;在大约 500Hz以上的频率(以 0.001mm位移的 1g加速度)加速度被用作控制参数。在自动测试操作期间,使用m + p VibControl系统执行振动控制和测量数据采集和分析。
 
高达2000 Hz频率下的发动机悬置的动态性能
 
在产品开发初期,复合材料悬置的高频特性研究已成为大众汽车公司汽车声学部分的重要工具。随着知识的获取,一些零件可以在开发阶段进行修改,尽管没有预先优化的原型车可用。图9显示了三个几何相同的液压悬置的动态特性。三个悬置在 500Hz频率以下的刚度相等,但在较高频率下,其动态刚度存在显著差异。很明显,这些差异显着影响到车体的振动传播。
图 9:频率范围达到 2000 Hz的三个明显相同的发动机悬置的动态刚度
 
进一步的研究表明,液压悬置膜的结构改进可以显着降低发动机底盘在高于 500Hz的高频操作范围内的动态刚度。图 10提供了优化件和标准件之间的动态刚度特性比较曲线。
图 10:标准悬置和优化件之间动态刚度的差异
 
图 11中显示了发动机悬置前后测量点的车辆中的加速度。标准件和优化件的加速度并排显示。上面的图像显示了悬置主动侧测点加速度,下图显示了悬置被动侧的加速度。右下方面板显示了优化悬置基点加速度水平的降低。加速度的降低与车辆内部的声品质显着提高有关。
图 11:发动机悬置前后的加速度 ;
左:原标准设计 ;右:修改(优化)设
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