原德語論文在VFI 1/2010發表，p 22-26   m+p international

Dipl.-Ing. Ralf Hoffmann, Volkswagen AG, F+E Messwesen, 38436 Wolfsburg, Germany, www.vw.com

Dr.-Ing. Walter Klie, m+p international Mess- und Rechnertechnik GmbH, 30519 Hannover, Germany www.mpihome.com

介紹

  

車內聲學特性對車輛的舒適度產生顯著影響， 噪音、振動和機械沖擊會對行駛車輛中乘員的健康產生不利影響。人類能在較高的頻率范圍內感應到振動，在低頻（0.1至20 Hz）能感覺到振動而無法聽到聲音；隨著頻率上升到約100 Hz，可以同時感覺到振動和聽到聲音；當振動頻率高達幾千赫茲時，人耳感受到的則是噪音。

 

諸如發動機、變速箱、滾動輪胎或風噪（由車身及其附件引起的氣動激勵）等振源均在乘客艙外部，為了優化乘客體驗的舒適度，需要對從外部激勵源到乘客身體和耳朵位置的傳遞路徑進行詳細分析，以使車輛聲學工程師設計出合適的減振和隔振裝置。

圖1：汽車發動機懸置高頻動剛度測試臺架

大眾，德國沃爾夫斯堡

車輛發動機懸置的主要任務是盡可能堅固地支撐重量和驅動反作用力，另外，為了達到車廂內的最大舒適性，懸置還必須將發動機振動與車身分離。因此，懸置的振動傳遞特性和寬頻范圍內的動態剛度對車輛聲學設計工程師來說至關重要。

 

目前德國m+p國際公司已經開發了一種全新的試驗臺架來研究發動機懸置在高達2000Hz頻率范圍內的動態剛度，臺架被允許在測試臺上模擬由重量或反作用力產生的準靜態載荷，并可以連續監測其它參數，包括懸置溫度和橫向張力。

發動機懸置的設計和特性

發動機懸置和車身懸置通?；旧鲜菑椥泽w-金屬復合材料，它們的靜態和動態傳遞特性不僅對駕駛動力學特性和車輛安全性有直接的影響，亦對乘坐舒適度有直接的影響。傳遞行為主要由復合元件的幾何形狀和所使用的彈性體材料的物理性質決定。彈性體特性，即剛度和衰減通常由整車技術的要求決定，但它們強烈依賴于負載類型（預載荷，主應力/剪切應力）、振動頻率及溫度，負載歷史（老化）和可能的過載或先前的損壞也可能對彈性體特性產生影響。

           圖2:不同類型的發動機懸置

       左圖為彈性體-金屬復合材料懸置；右圖為液壓懸置

彈性體的阻尼是影響傳遞特性的重要因素，隨著振動速度的近乎線性增加，這種效應被稱為“動態硬化”。因此，具有材料大阻尼值的彈性體不太適用于高頻工況下的的發動機懸置。

替代設計是液壓懸置，其中使用液壓元件（節流）實現低頻下的振動衰減，阻尼效應取決于振動位移，因此其阻尼會隨著頻率的增加而減小，從而消除了動態硬化效應。液壓懸置還可實現頻率選擇性阻尼功能。

 

目前也發開了其它懸置類型，例如自適應懸置，主動懸置和主動隔震阻尼器，以應對來自新的驅動概念（包括停缸技術，發動機自啟停和混動發動機）不斷增長的技術需求。

確定發動機懸置傳遞特性的最重要參數是動剛度，這可以用符合VDA675480標準的合適試驗臺進行測量和評估，以預定頻率的穩態正弦位移信號激勵測試樣品，并測量相關的反作用力。力與位移推導出遲滯回線，從中可以為每個測試頻率確定剛度和阻尼。圖3說明了測量和分析方法。

圖3：依據VDA 675480標準測試彈性體懸置

在測試過程中進行連續的正弦掃振動試驗，測量懸置振動位移和反作用力隨時間的變化曲線，隨后用傅里葉分析確定懸置動態剛度和相位角，這樣就可以在更短的時間、更寬的頻率范圍內高效測量懸置動態特性如：懸置動剛度和隔離度等參數。發動機懸置的典型動剛度值為100-300N/mm。

進一步可以考慮該懸置的的隔離度參數i：

這表明了采用大阻尼材料彈性體懸置的動態硬化特性，一般未經調校的發動機懸置典型的本征頻率位于10Hz附近，隨著發動機轉速的增加，本征頻率恒定的懸置系統的隔離度幾乎以平方的速度上升至1。因此，隨著激勵頻率的增加，傳遞到車體的振動將減少。 然而，對于具有速度比例阻尼特性的彈性懸置，系統的本征頻率隨著速度增加而增加，因而其隔離度的增長會比較緩慢：也就是說高頻振動的傳遞比例會越高，進而進入駕駛艙的高頻噪音更明顯。

用于確定彈性體懸置傳動特性的測試臺

  

用于測試發動機懸置傳遞特性的測試臺架大體上設計原理相同，液壓作動器安裝在封閉的負載框架中，使得測試部件的一側可以被動態地加載（輸入），另一側動態位移響應（輸出）產生的反作用力可由安裝在發動機懸置響應一側和負載之間的力傳感器測得。在測試期間，同時測量發動機懸置輸入處的位移激勵和發動機懸置輸出端的反作用力，并使用上述公式得出動態剛度和相位角。

圖4：液壓激勵系統中的傳動懸置的動剛度測量（垂直振動方向等于車輛的橫向）

圖4顯示了使用液壓作動器或液壓激勵器在懸置上進行動態測量的布置，垂直振動方向對應于車輛橫向，用于檢查與橫向加速度有關的懸置傳遞特性。為了模擬實際工況，靜態支撐模擬Z向的懸置重量和車輛在x方向上的恒定加速度， 根據用戶試驗要求的不同，除了主激勵方向之外，還可以添加反向動態載荷。為此在負載框架中安裝了額外的液壓激勵器，然而這個步驟大大降低了測試臺架的可用頻寬。

圖5：液壓懸置剛度測試系統的基本配置和機械彈簧質量系統

圖4中，負載框架的實心柱是清晰可見的，這些支柱將液壓作動器的下軛（固定的被測試裝置，DUT）和上軛架之間的力流關閉。這種基本配置如圖5所示，與機械彈簧質量系統相當，如果需要，可以反轉作動器和力傳感器的位置。等效的機械彈簧質量圖表明，除了試件的彈簧-質量-阻尼器系統以外，測試臺也必須考慮為振動系統。帶有液壓激勵器和力傳感器的負載框只能用于沒有發生結構共振的頻率范圍內，第一階剛體模態是微不足道的，因為它通常在低頻下是解耦的。

顯然，夾具的諧振質量和位于激振器和力傳感器之間的懸置比例質量可以引入自激振動，從而影響測量結果的精密度，特別是在高頻范圍內剛度耦合的情況下。液壓彈性懸置測試臺理論上可以在高達約1000Hz的頻率范圍內使用，但在此高頻下實現的位移振幅僅為約0.05mm，由于在測試臺架中要避免共振非常困難，所以在較高的工作頻率下的懸置動剛度測試不能采用液壓激勵方式。

  

頻率高達2000Hz的發動機懸置高頻動剛度測試臺

  

高頻噪音是影響車內乘客聲學舒適度的重要因素，發動機和傳動系統是這種噪音的主要激勵源。 具有渦輪增壓器，可變閥控制器，驅動鏈和平衡軸的高性能發動機及新能源汽車的發展使得研究高頻振動傳遞到車身的問題上變得越來越重要。通常，聲學工程師只是在推出新車型之前才面對這些問題，但是現在需要在新車型開發早期發現問題時就提出節約時間和費用的解決方案。

  

德國沃爾夫斯堡大眾汽車公司（Volkswagen AG）委托德國m+p國際公司開發出了一種高頻試驗臺，用于檢測發動機懸置的振動傳遞特性，頻率高達2000Hz， 而液壓激振器無法在此頻率下工作，因此采用電動激振器。在圖6中，左圖是試驗臺的基本配置，激振器通過隔振器懸掛在焊接的機架中，機架的側板支撐一個500kg質量的慣性質量。試驗件使用特殊的夾具固定在激振器的銜鐵上，上端夾具與預載質量塊之間為高剛度的三軸向力傳感器，慣性質量由空氣彈簧輕柔地支撐。因此，在頻率高于25Hz的測試中，由被試件、空氣彈簧和慣性質量組成的系統已經處于其低頻臨界范圍外。

 

在超臨界范圍外，輕輕地安裝在垂直方向的慣性質量承載著試樣的動態反作用力，不會在測試框架中引入任何振動，因此機架的本征頻率不會被激發，這是進行高頻動剛度測試的重要先決條件。

 

如前所述，發動機懸置的動態特性高度依賴于諸如預載荷或溫度等參數，高頻試驗臺通過控制支撐慣性質量塊的空氣彈簧座與激振臺預載荷補償的空氣彈簧座之間的壓力差來完美的實現預加載，降低壓力差會增加預載荷，而增加壓力差會降低預載荷。在測試操作期間，靜態預載荷被連續監測和閉環控制，以保持所需的值，根據慣性質量的大小，上述臺架可以產生高達5kN的預載荷。

圖6：高頻試驗臺（左）和預載荷控制的質量的基本配置（右）

試樣上的動態反作用力通過上端剛性夾具和（同樣剛度）力測量傳感器直接連接到慣性質量，這種方法有可能使慣性質量激發到彈性振動，這可能會導致測量結果不準確。因此，我們對慣性質量塊的固有共振特性進行了分析測試，研究彈性彎曲，扭轉和縱向振動以及慣性質量相對于板簧元件（沿徑向工作的）的剛體振動。圖7顯示了頻率盡可能接近測試范圍的振動模態，左邊的圖像顯示了3.5Hz特征頻率的剛體傾斜振蕩，并且所有發現的剛體模態頻率都低于15Hz，扭轉模態（如右圖所示）具有3500Hz的本征頻率，慣性質量的所有彈性本征頻率都高于2500Hz。

 剛體傾斜運動共振頻率約 3.5Hz  扭轉運動頻率約 3500Hz

 所有剛體模態頻率 <15Hz     所有結構模態 >2500Hz

圖7：慣性質量振動模態

上述研究的結果證實了高頻試驗臺選擇的思路，測試臺架在整個頻率范圍內滿足高精度要求，對加速度，速度和位移的相關性如圖8所示，即振動列線圖。在85至1577Hz的頻率范圍內，使用較低的位移范圍值（0.001mm）進行測試，加速度從85Hz的0.03g增加到1577Hz時的最大加速度10g。除此之外，頻率在恒定加速度下增加，這導致在2000Hz下0.62微米的位移減小，在10g的加速度限制下，動力矢量（正弦激勵）約為5kN。

在最大加速度為40g的另一測試工況下，動力矢量為20kN。

圖8：5kN/mm安裝剛度的高頻試驗臺架的振動列線圖，25 kg的移動質量，正弦激勵

在 85-2000Hz的頻率范圍內，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，在低頻時振動是位移控制的；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，在自動測試操作期間，使用m+p VibControl系統執行振動控制和測量數據采集和分析。

高達2000 Hz頻率下的發動機懸置的振動傳遞特性

在產品開發初期，復合材料懸置的高頻動態特性研究已成為大眾汽車公司研究車輛聲學特性的重要工具。 隨著知識和經驗的獲取，盡管沒有預先優化的原型車可用，但是一些零件已可在開發階段進行修改，圖9顯示了三個幾何尺寸相同的液壓阻尼發動機懸架的動剛度曲線，三個懸置在500Hz頻率以下的發動機動剛度相同，但在較高頻率下，其動剛度存在顯著差異。 很明顯，這些差異顯著影響車體的振動傳播。

圖9：頻率范圍達到2000 Hz的三個結構相同的發動機懸置的動剛度測試曲線

進一步的研究表明，液壓懸置膜的結構改進可以顯著降低發動機懸置在高于500Hz的高頻范圍內的動態剛度，圖10提供了優化件和標準件之間的動態剛度特性比較曲線。

圖10：標準懸置件和優化懸置件之間動剛度的差異

圖11中顯示了車內發動機懸置前后2個測量點加速度值，標準件和優化件的加速度并排顯示，上面的圖像顯示了懸置前方測點加速度，下圖顯示了懸置后方測點加速度，右下方面板顏色顯示了優化懸置基點加速度水平的降低。這顯示加速度的降低與車輛內部的聲品質顯著提高有極大關系。

圖11：發動機懸置前后的加速度

左：原標準懸置  右：優化懸置

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