基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置有限元分析
基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置有限元分析,基于,ansys,汽車,萬向,傳動,裝置,有限元分析
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
設計（論文）題目：基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置有限元分析
學生姓名：
任務書填寫要求
1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經學生所在專業(yè)的負責人審查、系
（院）領導簽字后生效。此任務書應在畢業(yè)設計（論文）開始前一周內填好并發(fā)給學生。
2．任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫，不得涂改或潦草書寫；或者按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式
（可從教務處網頁上下載）打印，要求正文小4號宋體，1.5倍 ， 打印在 上 。
3．任務書內填寫的內容，必須 學生畢業(yè)設計（論文） 的情況 一 ， 有 ，應 經 所在專業(yè)
系（院） 領導審 后 可 填寫。
4．任務書內有 學院 、 專業(yè) 名 的填寫，應寫 文 ，不?寫￠字￡?。學生的 學號 要寫
號，不?￥寫?后2§或1§￠字。
5．任務書內 要currency1'文“ 的填寫，應按???fifl 學院–fl畢業(yè)設計（論文）?寫?· 的要求書寫。
6．有 ??? ??的填寫，應 按?”標GB/T 7408—94?￠據(jù)元 ?…格式、‰ ?…、?? ?
`′? ??的要求，一ˉ用?˙¨￠字書寫。 2002?4?2? 或 2002-04-02”。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
1．–畢業(yè)設計（論文）課題應??的目的：
用CATIA??ˇ—汽車萬向傳動裝置 ， 導 ?ANAYS?? 有限元分析， 傳
動 有限元 分析。根據(jù)分析 ，得 論， ，?傳動裝置的 一 設計 acurrency1'。
目的在于 學生 分析 ???題的? ，o ； 學生 ? 、正 用currency1'文“的 分
析? ?的工 ? ； 學生 好的工 ??、工 ?。?? 查 究、?向生產實際，
?向工程 術人員學習的工 ?。
2．–畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容 要求（包括原始￠據(jù)、 術要求、工 要求 ）：
設計內容：
1.分析汽車萬向傳動裝置 構 工 原理；
2.選擇原始￠據(jù)。
3.要求運用CAD/CAM/CAE??CATIA ˇ ；
4．要求 究有限元分析 ?，并 與汽車設計、機械制圖、機械設計、材 學、計算機??
有機 、熟練運用；
5.要求運用有限元分析??ANSYS 萬向傳動裝置的零部? ?分析。
設計要求：
1.要求在畢業(yè)設計 程 ，應有嚴肅認真的fl學??，嚴謹求實的工 ?；
2.依據(jù)課題設計任務，認真 ? 、閱讀、整理，正 用工具書 網絡，熟練 計算
?，按? 開題報告、外文currency1'? 內容；
3.按?currency1加答辯，答辯前各項??的? 要 整、齊 。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
3． –畢業(yè)設計（論文）課題 的要求〔包括圖`、實物 硬?要求〕：
1. 用CATIA??ˇ—汽車萬向傳動裝置 ， 導 ?ANAYS?? 有限元分析， 汽車萬向
傳動裝置 有限元 分析。根據(jù)分析 得 論， ，?傳動裝置的 一 設計 acurrency1
'。
2.畢業(yè)設計不少于1.0萬字；
3.外文currency1'? 譯文（附原文）3000字。
4． 要currency1'文“：
[1] 陳家瑞．汽車構造：下冊 [M].第3版.北京:機械工業(yè) 版社，2009.
[2] 王望予．汽車設計 [M].第4版.北京：機械工業(yè) 版社，2004.
[3] 王”慶,龔”慶.汽車設計課程設計指導書 [M].北京:機械工業(yè) 版社,2009.
[4] 王霄鋒編著．汽車底盤設計 [M].北京:清華大學 版社,2010.
[5] ·欽珊,殷雅俊 編.材 學 [M].北京: 清華大學 版社,2008.
[6] 王登峰,黃博.CATIA V5機械（汽車）產品 精通教程 [M].北京:人民?通 版社,2007.
[7] 王 榮,陳永波 編.有限元?基礎 ANSYS應用[M].北京:fl學 版社, 2008.
[8] 李永榮,丁先松,李保 .雙十字 萬向節(jié) §角 設計[J].汽車 術, 2012.
[9] 陳曉紅,董海軍, . 十字 萬向節(jié)串聯(lián) 系支撐反 分析[J].機械fl學與 術, 2011.
[10]郎錫澤,舒 ,劉嶸.汽車十字萬向節(jié)轉向機構的運動學設計與 [J].汽車 術, 2012.
[11]倪長明,許南紹,朱文.汽車轉向傳動系統(tǒng)十字 萬向節(jié)傳動 設計 運動仿真分析[J]. 慶工學院學
報, 2009.
[12]賈 .汽車萬向節(jié)十字 效分析[J].機械工程師, 2011.
[13] ,李 榮, .可 式 機十字 式聯(lián) 有限元分析[J], ?設 , 2004.
[14] ,王 生.車 裝置的 制[J].機械工程師, 2002.
[15] , 海 , ˇ軍. CATIA V5 R20 應用[M].北京:清華大學 版社,2011.
[16]朱 ,許 , 峰. CATIA V5機械設計[M].北京:機械工業(yè) 版社，2001.
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
5．–畢業(yè)設計（論文）課題工 ?計 ：
2015.12.05-2015.12.22
2015.12.23-2016.01.22
2016.01.23-2016.04.15
2016.04.16-2016.05.04
2016.05.05-2016.05.09
2016.05.10-2016.05.16
?選題，填寫審題`；指導教師下發(fā)任務書，學生查閱課題 currency1'文“、? ，?寫開題報告。
?開題報告、外文currency1'? 譯文、畢業(yè)設計（論文）大 ；開始畢業(yè)設計(論文)。
具體設計或 究 實?， ?畢業(yè)設計（論文）草￠，填寫 ?￡查`。
論文或設計?明書、圖 材 ， ?畢業(yè)設計（論文）?￠，指導￥師審?。
?畢業(yè)設計 §文檔，學生準 答辯；currency1閱教師currency1閱學生畢業(yè)設計（論文）。
根據(jù)學院統(tǒng)一'“， 畢業(yè)設計（論文）答辯。
所在專業(yè)審查??：
通
負責人： 2016 ? 1 ? 12 ?
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
設計（論文）題目：基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置有限元分析
學生姓名：
開題報告填寫要求
1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此
報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查
后生效；
2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙
上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應按論文的框 成文， 書寫（或打?。┰?開題報告 一 目內，學生寫文獻綜述的
文獻應 于15 （ ）；
4．有 期的填寫，應 按 標GB/T 7408—94 據(jù)元 交 格式 交 期 時?￠
￡?￥?§的要求，一currency1用'“? ?書寫。?“2004 4 26 ”或“2004-04-26”。
5 開題報告（文獻綜述）?fifl按 fi –??書寫，·? 1.5?。
畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告
1．??畢業(yè)設計（論文）?題”?，…據(jù)所查‰的文獻資料， ? 寫 于1000?`′的文獻綜述：
畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告
1．??畢業(yè)設計（論文）?題”?，…據(jù)所查‰的文獻資料， ? 寫 于1000?的文獻綜述：
一 前?
汽車萬向傳動裝置?汽車傳動ˉ的?要˙成¨分，其作用? 在?一 ?上的 ??ˇ— ?
?ˇ ， 在 之?的 經 的”?下， ?傳 動a。萬向傳動裝置 要由萬
向 傳動 ? ˙成，要求傳動效??，?用o ，? ，? ，? 容 。傳統(tǒng)的分析
?計???，? ， 且 差。ANSYS軟件作為一種廣泛應用軟件，應用有限元?對? 進·靜
a學 動a學 熱a學 電磁學 多種分析。通過ANSYS軟件的應用， 以大大縮短 類零件的設計周期，
從 設計成 ， 有利于多種型?產品的開發(fā)。
二 ?題研究現(xiàn)狀及發(fā)展 向
我 汽車業(yè)的??發(fā)展，帶動我 汽車萬向傳動裝置的需求持續(xù)大幅增 。汽車萬向傳動裝置?汽車底盤
傳動ˉ的 要總成之一，在工作 受著巨大的轉矩 動載荷。經 期?用后，技術狀?會發(fā)生 ，從
影響發(fā)動機動a的傳 ，降低傳動效?，加劇燃料消耗，加?輪胎磨損，?時還會影響 ?? 驅動橋的正
工作。它?汽車前后動a的傳動裝置，?汽車正 ·駛 或缺的一¨分。隨著汽車工業(yè)100多 的發(fā)展
歷史，萬向傳動 的設計形式也得到了很快的發(fā)展。展望未來，我 經濟繼續(xù) 持?增 ?度，我 的經濟轉
型也將繼續(xù)向前推動， 家對基 建設的投資加大，尤其?汽車生產企業(yè)。在經濟全球 的今天，技術
全球 ，核心技術?買 來的，尤其像萬向傳動裝置 技術，我們基 處于引進來 著搬的套路來的，在大量
引進的?時，也失去了很多自 發(fā)展的機會，我 應掌握萬向傳動裝置的核心技術，提?? 核心¨件的 a，
降低損耗，成 投資風險。所以，必須把提?自 創(chuàng)新 a放在首位，加 我們自己的技術水平，努a做到
。
有限元分析?在a學 型上 的 分析 ?， fi? ， ?將 續(xù)fi或? 分為 多 元，通過一
把有限 元 成 ?fi 來的 續(xù)fi或? ， 把 續(xù)fi轉 為 型來進·a學分析。 軟件
在汽車產品設計 得到了廣泛應用。
目前，對萬向傳動裝置進·有限元分析的 目 ：
（1）在靜a作用下，得—萬向傳動裝置 零件的 轉 形 應a分 ，從 了 ? ? 受載荷，
或 形 ? 在 內。
（2）對 ?材料的傳動 載進·靜?分析，從 ￠§傳動 ￡量 設計 ?，?時從材料成 的 度分
析￡量 ?的￥? 。
（3）對萬向傳動裝置的 轉 度§ 轉currency1度進·分析，在此基'上對萬向傳動裝置的?
進·￥ 。
大量?用有限元 ?對汽車傳動ˉ¨件進·設計§分析，將?¨件的設計“加?? 。未來，?對汽車設
計的CAE分析將“加?fi ， ?fl度也將隨之提?， 汽車設計的周期會–?縮短，開發(fā)成 將會降低。
? ?·
汽車萬向傳動裝置?汽車?要˙成¨分之一，要求傳 ?的效?要?；傳動時要平?，?動要–。利用
CATIA進·建 ，?后利用ANSYS分析軟件對汽車萬向傳動裝置進·有限元分析，通過分析其 據(jù)??，得
—?論，提—￥ ?，為傳動裝置的進一”￥ 設計提? ?！?以大大縮短萬向傳動裝置總成的開發(fā)
周期，提?設計 量，降低開發(fā)成 。
文獻:
[1] ?家 ．汽車 ：下 [M]. 3`.′?:機?工業(yè)—`ˉ，2009.
[2] ?望˙．汽車設計 [M]. 4`.′?：機?工業(yè)—`ˉ，2004.
[3] ? ¨, ¨.汽車設計?fl設計指導書 [M].′?:機?工業(yè)—`ˉ,2009.
[4] ??, ??,ˇ— .基于Pro/E前處?的有限元分析在機?工fl 的應用[J]. 機?工fl師，
2005(10)．
[5] , .材料a學 [M].′?: 大學—`ˉ,2008.
[6] fl , . ANSYS 種建 ?的研究[J]. 機?，2005(06).
[7] ?新?,? .有限元?基'及ANSYS應用[M].′?: 學—`ˉ, 2008.
[8] ? ,ˇa. Pro/ENGINEER 動 有限元分析[M]. ? ?電—`ˉ, 2004．
[9] ???,o , . ? 萬向 ˉ ??a分析[J].機? 學§技術, 2011.
[10] ,?進, .汽車 ?萬向 轉向機 的 動學設計§￥ [J].汽車技術, 2012.
[11]? ?, ??, 文.汽車轉向傳動ˉ統(tǒng) ? 萬向 傳動￥ 設計及 動 分析[J].?¨工學 學
報, 2009.
[12] .汽車萬向 ? 失效分析[J].機?工fl師, 2011.
[13] 顯,ˇ友?, . 逆式軋機 ? 式 ?端叉頭有限元分析[J],冶金設備, 2004.
[14]傅 裕,楊??. ANSYS§Pro/ENGINEER之? 型 據(jù)轉 的研究[J]. 機電工fl技術，2005.
[15] 杰,胡 龍,喬建 . CATIA V5 R20?級應用[M].′?: 大學—`ˉ,2011.
[16] 新濤, 祖敏,徐峰. CATIA V5機?設計[M].′?:機?工業(yè)—`ˉ，2001.
畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告
2． ?題要研究或 決的問題 擬采用的研究 段（途徑）：
畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告
2． ?題要研究或 決的問題 擬采用的研究 段（途徑）：
一 研究目標
用CAD/CAM/CAE軟件CATIA對汽車萬向傳動裝置進·建 ， 用ANSYS軟件對汽車萬向傳動裝置進
·靜?分析， 分析其 據(jù)??，為傳動裝置的￥ 設計提? 。
二 研究 段 途徑
（1）做 ?論基' 的準備，??論a學 材料a學，有限元分析。
（2）查‰汽車專業(yè)書籍，了 汽車傳動 ? 。
（3）熟悉計?機軟件，掌握機? a學專業(yè)英·。
（4）查‰大量有 書籍 論文，學習 于?題領域的研究 ?。
（5）?§— 目預§目標 研究”驟 實施。
（6）加 §指導老師 專業(yè)?員的交流，探討 決遇到的疑難問題
? 研究內容
（1）分析汽車萬向傳動裝置? 工作 ?；
（2）選擇 始 據(jù)。
（3） 用CAD/CAM/CAE軟件CATIA進·建 ；
（4） 用有限元分析軟件ANSYS對萬向傳動裝置的零¨件進·靜?分析。
畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告
指導教師意見：
1．對“文獻綜述”的評·：
?對?題所涉及的汽車萬向傳動裝置 的文獻資料進·廣泛‰讀 ? ， 對?題研究領域的研究現(xiàn)狀
動? 發(fā)展 向 進·綜?分析 評述， 缺乏自己對研究問題的見 ，基 符?文獻綜述的要求。
2．對 ?題的深度 廣度及工作量的意見 對設計（論文）??的預測：
?題首先利用CATIA軟件對汽車萬向傳動裝置 零件進·建 ，?后對傳動 進·有限元分析，深度 廣度
適 。所涉及研究內容必須要求在認 學習了相 專業(yè)?fl以后，再經過進一”深 學習有限元分析 ?及相
軟件之后，才 做 ?題的，工作量適 。 生經過認 充分?學習 準備工作，應 ?期完成畢業(yè)
設計的。
3.? ?意開題：√ ?意 □ ?意
指導教師：
2016 03 09
所在專業(yè)審查意見：
?意
負責?：
2016 04 07
畢 業(yè) 設 計（論 文）外 文 參 考 資 料 及 譯 文
譯文題目： A new analysis method of evaluation
to improve the vehicle vibration noise
評估改進車輛振動噪音的全新分析法
學生姓名：
?！ I(yè)：
所在學院：
指導教師：
職 稱：
說明：
要求學生結合畢業(yè)設計（論文）課題參閱一篇以上的外文資料，并翻譯至少一萬印刷符（或譯出3千漢字）以上的譯文。譯文原則上要求打印（如手寫，一律用400字方格稿紙書寫），連同學校提供的統(tǒng)一封面及英文原文裝訂，于畢業(yè)設計（論文）工作開始后2周內完成，作為成績考核的一部分。
A new analysis method of evaluation to improve the vehicle vibration noise
Abstract
The design of an automotive powerplant mounting system is an essential part in vehicle safety and improving the vehicle noise, vibration and harshness (NVH) characteristics. One of the main problems encountered in the automotive design is isolating low frequency vibrations of the powerplant from the rest of the vehicle. The significant powerplant mass makes the choice of frequency and mode arrangements a critical design decision. Several powerplant mounting schemes have been developed to improve NVH properties concentrating on the positioning and design of resilient supports. However these methods are based on decoupling rigid body modes from a grounded powerplant model which ignores chassis and suspension system interactions.But it cannot be stated that decoupling the grounded rigid body modes of the powerplant will systematically reduce chassis vibrations. In this paper, a new analytical method is proposed to examine the mechanisms of coupling between the powerplant and the vehicle chassis and subsystems. The analytical procedure expands the equation of motion of the vehicle components to such that a domain of boundary conditions used in the 6 degrees-of-freedom powerplant mounting model can be defined. An example of this new procedure is given for improving NVH chassis response at idle speed using the torque roll axis decoupling strategy.
Keywords: Powerplant mounting system; Optimization; Dynamic isolation; Coupled systems
1. Introduction
In vehicles, the engine mounts play an essential role for the noise, vibration and harshness (NVH) comfort. The main functions of these mounts (rubber or hydraulic) are to provide static supports for the powerplant and to isolate the vibrations of the powerplant from the rest of the vehicle. To provide design characteristics necessary for the NVH improvement in terms of rigidity and damping it is essential to simulate the responses of the powerplant mounting system to low frequency vibrations. Is is essential that the model includes the primary interactions between the powerplant mounting system and each of the vehicle subsystems. In the early stages of the vehicle design most of the necessary data needed from the subsystems are not yet fully described. Thus, to begin a theoretical layout of the powerplant mounting system, some reasonable assumptions of the vehicle components must be made. Specifically, the model includes rigid body representations of the powerplant and the chassis; with appropriate values for the location of the centers of gravity, masses, and moments of inertia. This simulation model enables the assessment of the rigid body modes of the powerplant in the vehicle. As well, the motions of the powerplant and the chassis under various engine operating conditions (idle, full load speed sweep) and road/wheel inputs can be analyzed.
Equations of motion for the powerplant mounting system include parameters for a rigid chassis. On the contrary, the chassis flexibility may have a significant effect on powerplant vibrations and mounting forces transmitted from the powerplant to the structure, especially when flexible vibration modes of the chassis are excited. The dominant vibration modes of body structure at idle speed should be the first longitudinal bending mode and the first torsional mode, normally above 30–35 Hz. Experimental verification of the simulation model’s assumptions through measurements of the vibration modes of the chassis should be included in future work.
The current industrial strategies use a model approach to analyze the harmonic response of the powerplant on resilient supports attached to ground (Brach, 1997; Khajepour and Geisberger, 2002). The 6 degrees-of-freedom model used in the modal analysis is interesting insofar as the response to an excitation is calculated and interpreted according to the position in frequency and to the form of the modes.
Typical design strategies move input source frequencies away from the rigid body natural frequencies of the powerplant in order to avoid resonances (Gray et al., 1990; Kano and Hayashi, 1994). Vibrations are minimized within this design approach by manipulating the rigid body modes of the grounded powerplant and shaping the response through the torque roll axis decoupling and the elastic axis decoupling methods attempt. The background theory of these techniques is widely described in literature (Patton and Geck, 1984; Singh and Jeong, 2000; Brach, 1997). However, by considering the powerplant to be grounded these design strategies neglect the influences of the chassis, exhaust subsystem, drive-shaft, wheel suspension . . . .
Lately, researches have focused on the significance of the rigid body modes alignment for grounded powerplant to its invehicle behavior (Sirafi and Qatu, 2003; Hadi and Sachdeva, 2003). These studies deal with the accuracy of NVH vehicle models and raise the problem of interactions between the different subsystems. Various powertrain models have been studied and their accuracy was discussed through a full vehicle model. By the evaluation of actual cases, the existence of these interactions have been clearly demonstrated. Nevertheless, no general formalism have been introduced to evaluate the limits of the modeling assumptions made during the development of the classical 6 degrees-of-freedom powerplant mounting schemes.
The aim of the proposed method is to highlight and identify, through an analytical procedure, the relationships between the powerplant mounting schemes and the vehicle response characteristics. In the second section, the general equations of motion are reformulated using an original matrix, the coupling matrix introduced for coupled plates (Bessac and Guyader, 1996). With the characteristics of the coupling matrix, acceptable boundary conditions used in the traditional 6 degrees-of-freedom mounting strategies can be defined for different engine operating conditions. As an example in Section 3, these parameters are defined for engine models in the idle state. In the last section of the paper, the issue of the torque roll axis decoupling strategy is analyzed using the coupling parameters in terms of improvement of the dynamic chassis responses at idle speed.
2. Formulation of the coupling problem
2.1. Modelling of the vehicle system
Derivation of the equations of motion to simulate dynamic behaviors of powerplant mounting systems with supporting structures, a good modelling of the total vehicle system can consist of four subsystems: the powerplant which includes engine and transmission, the engine mounts, the chassis and the suspension. Since small displacements can be assumed, the powerplant is modelled as rigid body of time-invariant inertial matrix of 6 dimensions. The powerplant is supported by an arbitrary number of mounts on the vehicle chassis, that is modelled as an elastically suspended rigid body as shown in Fig. 1.
The mounts classically used in powerplant mounting application are bonded metal-rubber construction. It is possible to get better isolation effects than conventional rubber mount systems with hydraulic engine mount. Hydraulic engine mount control the damping characteristics by using the fluid viscosity. Elastomeric materials behave visco-elastically, thus engine mounts are represented by three sets of
.mutually perpendicular of linear springs and viscous dampers in parallel. No rotational stiffness of the mounts has been considered. The stiffness matrix Kmi and damping matrix Cmi of a mount i can be written in the local coordinate system as:
，and (1)
Fig. 1. Powerplant mounting model
Fig. 2. Translational u and rotational θ displacements of the powerplant center of gravity.
The subscript mi corresponds to the mount frame coordinates Rmi (Fig. 1) of the ith mount. The stiffness and damping matrices must be transformed from the local mount coordinate system Rmi to the global coordinate system R by the following linear transformation:
,and (2)
The element Πmi is the transformation matrix from the local coordinate system Rmi to the global one R. The elements of Пmi consist of directional cosines of the local frame with respect to R defined from Euler angles.
2.2. Equations of motion
Another transformation is necessary to express the equations of motion of the powerplant and chassis centers of gravity in terms of displacements and rotations. This transformation relates the displacements of each mount with respect to the displacements and rotations of the powerplant and chassis centers of gravity. The superscripts (e) and (c) stands for powerplant and chassis respectively. The superscript (b) may refer to either the powerplant or the chassis. A generalized vector q (Eq. (3)) is defined by combining translational u and rotational θ displacements of the centers of gravity of the powerplant (Fig. 2) and of the chassis.
(3)
The position vector of the ith mount’s center of elasticity with respect to the center of gravity of the powerplant and the chassis are given in terms of global coordinate system as:
(4)
and each has a corresponding skew asymmetric matrix defined as:
(5)
with a generalized form:
(6)
Let ui(b) be the translational displacement vector at the mounting point i for the rigid body (b) side. The relative translational displacement vector δi for the ith mount for small motions is related to the rigid body center of gravity motions and the translational displacements at the mounting point according to Eq. (7).
(7)
The translational reaction force fi(e) and fi(c) and moment reactionτi(e) andτi(c) resulting from the application of the elastic forces of mounting i on the powerplant and the chassis centers of gravity can be expressed in the R frame as:
(8)
At idle speed, the connection to the ground is simply represented by four systems of linear spring and viscous damper in parallel at each wheel, characterized by their stiffness and damping coefficients following the three directions of the vehicle frame coordinates R. The translational reaction force fk(c) and moment reactionτk(c) from the kth suspension applied to the chassis can be expressed in the frame R with the displacement of the chassis u k(c) at the supporting point as:
(9)
Similarly, for the road/wheel inputs, a simple model can be used for the wheel-suspension system, with a single degree of freedom. This can be represented by a mass and a spring accounting for the wheel mass and the tire’s stiffness in parallel with a spring and a damper accounting for the suspension system. The dynamic interaction between the vehicle suspension and the powerplant mounting system should be included in future work.
Assuming all elastic loadings from all mounts and suspension, the total elastic loadings on the powerplant and chassis centers of gravity can be expressed through a generalized square stiffness matrix K of 12 dimensions (10), resulting from the assembly of the elementary stiffness matrices (mounts and suspensions).
(10)
The matrix K(e→c) is the powerplant’s matrix of influence on the chassis and the reciprocal, K(c→e) is the chassis’s matrix of influence on the powerplant. Using a similar assembly procedure to the elastic loadings, the total damping loadings on the powerplant and chassis centers of gravity can be expressed by a generalized square stiffness damping matrix C of 12 dimensions (11).
(11)
Since all component reactive forces are derived in terms of the generalized coordinates, and assuming small oscillations, the equations of motion of the powerplant and the chassis can be written as the matrix form in the frequency domain:
(12)
The vector F =t{F(e) F(c)} is the generalized external load vector. The external excitations are harmonics with known frequencies,amplitudes and phases. Engine excitation forces are applied to the powerplant at the center of the crankshaft location.
The response to road inputs can be studied by applying forces or displacements at the suspensions location of ground contact.The matrix M is the generalized mass matrix of the system (13).
(13)
With
and
m(b) is the mass of the rigid body (b) and Mτ(b) its inertia matrix. C is the generalized viscous damping matrix assuming a proportionally damped system. If a structural damping matrix H is considered, viscous damping term jωC may be replaced by the structural damping term jH. For the following developments, a complex stiffness is used to model the dynamic behavior of the isolators. The bar indicates that the stiffness term is complex ().
2.3. Introduction of the coupling matrix
The response of the powerplant and chassis centers of gravity can be calculated through the solving of Eq. (12). Then, the complex matrix inversion of Eq. (14) is classically used.
(14)
The inversion of the impedance matrix can be numerically resolved. Nevertheless, this method hinders the understanding of the coupling phenomena between the powerplant and the chassis. From the traditional equation of motion (14), one can isolate a matrix presenting only terms related to the coupling from the two bodies (15).
(15)
For the sake of physical meaning of the coupling mechanism, the term (?ω2M(e)) ?1F(e) in Eq. (15) represents the displacement of the powerplant subjected to its own excitation when the chassis is blocked (suspensions with infinite stiffnesses).This configuration represents the typical industrial model of the grounded behavior of the powerplant (Fig. 3(a)). The term (?ω2M(c)) ?1F(c) represents the displacement of the chassis subjected to his own excitation when the powerplant is blocked (null displacements) (Fig. 3(b)). This configuration, however, does not represent a realistic behavior. We can express the two configurations by the generalized vector displacement of the uncoupled blocked bodies t{q0(e) q0(c) } (16).
(16)
Fig. 3. Uncoupled blocked bodies.
While revealing the displacement vector of the coupled systems, Eq. (15) takes the form of a coupling matrix D (Bessac and Guyader, 1996) (Eq. 17).
(17)
With
Each coupling matrix term represents the action of the powerplant mass displacement (respectively chassis) on the chassis mass displacement (respectively powerplant). The matrix of coupling describes the exchange between the masses independent of the external excitation. The coupling matrix, studied in more details in Section 3, is a practical solution to predict the global behavior of a system starting from the behavior of the isolated subsystem.
評估改進車輛振動噪音中的全新分析法
摘要
汽車發(fā)動機裝備系統(tǒng)的設計是車輛安全以及汽車振動噪音改善不可或缺的重要部分。汽車設計中遇到的主要問題之一是將發(fā)動機的低頻振動與其它交通工具隔離開來。頻率和模式安排的選擇成為了質量顯著的發(fā)動機的一個重要的設計決策。幾個發(fā)動機裝備方案已被開發(fā)出來，并且應用于改善有關定位以及彈力支撐設計的噪音性能中。將剛體模式從接地發(fā)動機模式中解耦，這些方法是以此基礎的，然而，接地發(fā)動機模式忽略了底盤與懸架系統(tǒng)之間相互作用。但是我們不能說發(fā)動機接地剛體模式去耦將會減弱底盤系統(tǒng)的振動。本論文提出了一個全新的分析法來檢測發(fā)動機、車輛底盤以及子系統(tǒng)的耦合機制。分析程序對汽車零部件的運動方程進行了擴展，如此一來，就能對應用在自由度為6度的發(fā)動機裝備模式中的邊界條件域進行定義了。本論文通過扭矩輥軸耦戰(zhàn)略，給出了一個全新程序實例，本實例詣在改善低速底盤噪音反應。
關鍵詞：發(fā)動機裝備系統(tǒng)，最優(yōu)化，動態(tài)隔離，耦合系統(tǒng)
1.簡介
發(fā)動機架在緩和交通工具的振動噪音方面起著重要的作用。這些裝備（橡膠或液壓）的主要作用是為發(fā)動機提供靜態(tài)支撐，以及將其振動與其它交通工具隔離。如果要想從剛性和阻尼方面得到改善振動噪音所需的設計特征，就很有必要將發(fā)動機裝備系統(tǒng)的反應刺激至低頻振動，這一點非常重要。這個模式包括發(fā)動機裝備系統(tǒng)與每個車輛子系統(tǒng)之間的基本相互作用。在車輛設計的初級階段，大多數(shù)子系統(tǒng)所需的必要數(shù)據(jù)尚未被完全描述出來。因此，想要開始發(fā)動機裝備系統(tǒng)的理論設計，就必須對車輛零部件做出一些合理設想。具體來講，該模式包含發(fā)動機和底盤的剛體再現(xiàn)，以及具有重心位置，質量和慣性矩的恰當值。該仿真模型有助于發(fā)動機剛體模式的評估。同樣，不同發(fā)動機條件下（閑置或滿載負載速度下）的發(fā)動機和底盤的運動都能被分析出來。
發(fā)動機裝備系統(tǒng)的運動方程包含一個剛性底盤的參數(shù)。與之對應的，底盤靈活性可能會對發(fā)動機震動和由發(fā)動機傳輸至結構的裝備力量，尤其是在底盤的彈性震動模式被激活的時候，產生強烈作用。閥體結構在空轉速度時的顯性運動模式應該是第一縱彎曲模式和第一扭轉模式，通常是在30—35赫茲之上。通過測量底盤振動模式，得出經實驗鑒定的仿真模型假設，這一點需被列入今后的工作中。
現(xiàn)有的工業(yè)戰(zhàn)略用模型方法來分析發(fā)動機在接地彈性支撐上的和聲反應（布拉齊，1997；Khajepour and Geisberger, 2002）。模式分析中所采用的6度自由模型是有趣的，它對刺激的反應可以被計算出來，也能根據(jù)頻率定位和模式形式被解釋出來。
典型的設計戰(zhàn)略將輸入端電源頻率從發(fā)動機剛性主體自然頻率中移除以避免共振（Gray 等，1990；卡諾和林文夫，1994）。該設計方法能通過兩種方式將振動最小化，一種是手動操作接地發(fā)動機的剛體模式，另一種是令轉矩軋輥軸線解耦和彈性軸解耦形成反應的方式。很多文獻中都討論了這些技術的背景理論（Patton and Geck, 1984; Singh and Jeong, 2000; Brach, 1997）。但是，考慮到將要接地的發(fā)動機，這些設計策略忽略了底盤、排氣子系統(tǒng)、驅動器軸和車輪懸浮等的影響。
最近，很多研究都集中在接地發(fā)動機的剛體模式校準對其車輛行為的影響上（Sirafi and Qatu, 2003; Hadi and Sachdeva, 2003）。這些研究論述了振動噪音車輛模型的準確性，并引發(fā)了不同子系統(tǒng)之間的相互作用的問題。目前已有人研究出了各種動力系統(tǒng)模型，并使用完整的車輛模型討論其準確性。對實際案例進行評估發(fā)現(xiàn)：這些相互作用是存在的。然而，目前還沒有引入任何形式體系來評估在6度自由發(fā)動機裝備方案的發(fā)展中制定的關于模型假設的限制性。
所提出的方法詣在通過分析程序強調和確認發(fā)動機裝備方案和車輛反應特點之間的關系。在第二部分中，作者采用原始矩陣模型以及為耦合平板引進的耦合矩陣模型，再次形成了運動的一般方程（Bessac and Guyader, 1996）。通過耦合矩陣模型的特點，就能為不同的引擎操作條件定義傳統(tǒng)6度自由裝備戰(zhàn)略所采用的可接受的邊界條件。正如第三部分的例子所示：這些參數(shù)是為處于靜止狀態(tài)的引擎模型定義的。該論文的最后一部分通過使用改善空轉速度下動態(tài)底盤反應的耦合參數(shù)，分析了轉矩軋輥軸線去耦戰(zhàn)略。
2. 耦合問題構想
2.1.車輛系統(tǒng)模型化
為了引出運動方程來刺激具有支撐結構的發(fā)動機裝備系統(tǒng)的動態(tài)行為，總車輛系統(tǒng)的好模型由4個子系統(tǒng)構成：包含引擎和傳動裝置的發(fā)動機、發(fā)動機架、底盤和懸架。由于可對小排量做出假設，發(fā)動機被設計成了6維不變時的慣性矩陣剛體模型。發(fā)動機被車輛底盤上任意數(shù)量的裝備支撐，那就形成了如圖1所示的彈性懸浮剛體模型。
發(fā)動機裝備應用系統(tǒng)通常使用的掛架是由金屬和橡膠制作而成的。有了液壓發(fā)動機架，就有可能帶來比傳統(tǒng)的橡膠裝備系統(tǒng)更好的隔離效果。液壓發(fā)動機架通過采用流體粘度來控制減幅特征。彈性材料的運動也是有彈性的，因此，發(fā)動機架是由三組相互垂直的線性彈簧以及相互平行的粘性減震器為代表的。沒有考慮掛架的旋轉勁度。在局部坐標系中，可通過如下方式表達掛架i的剛性矩陣Kmi和阻尼矩陣Cmi：
,and (1)
圖1：彈性懸浮剛性模型
圖2：發(fā)動機重心平移u和旋轉θ位移
,and (2)
相當于框架的下標mi能與ith掛架的Rmi（圖1）相協(xié)調。剛體和阻尼矩陣必須按照以下線性轉化，從局部掛架坐標系Rmi轉換至總坐標系R。Πmi是從局部坐標系Rmi轉換至總坐標系R的轉換矩陣。Πmi的構成元素包含與由歐拉角定義的與R相關的局部框架的方向余弦。
2.2. 運動方程
很有必要用另外一個變形來表達發(fā)動機和底盤重心在移位和旋轉方面的運動方程。該變形描述了有關發(fā)動機和底架重心的移位和旋轉。下標(e)和(c)分別代表發(fā)動機和底盤。下標(b)可能指的是發(fā)動機和底盤二者之一。通過結合發(fā)動機（圖2）和底盤重心平移的u和旋轉的θ位移來定義一個廣義矢量q （方程3）。
(3)
依照總坐標系，這里給出了有關發(fā)動機和底盤重心的ith掛架彈性中心的位矢：
(4)
每一個都具有對應的斜交非對稱矩陣，定義如下：
, (5)
廣義形式為：
(6)
將ui(b)看成剛體(b)側裝備點i的平行位移矢量。根據(jù)方程7，ith掛架的小幅度運動相對平行位移矢量δi是與剛體重心運動以及裝備點的平行位移相關的。
(7)
由發(fā)動機和底盤重心i裝備的彈力所產生的平移反作用力fi(e) 和fi(c)以及瞬間作用力τi(e) 和τi(c)可在R框架內按如下方程表達：
(8)
在空轉速度，接地僅由每個車輪4組線性彈簧和平行粘性減震器代表，其特點為：它們的剛性和阻尼系數(shù)遵循車架坐標R的3個方向。底盤Kth懸架的平行反作用力fk(c)和瞬間作用力τk(c)可在總坐標系R（在該坐標系中，底盤在支撐點有位移：u k(c)中表達為：
(9)
同樣，路段/車輪輸入可在車輪懸浮系統(tǒng)中使用一個自由度單一的簡單模型。這是以能夠解釋車輪質量的彈簧和質量與能夠解釋懸浮系統(tǒng)的彈簧和減震器相互平行為代表的。車輛懸浮和發(fā)動機裝備系統(tǒng)間的動態(tài)相互作用需被列入到未來工作中。
假設所有彈性負荷均來自掛架和懸浮，發(fā)動機和底盤重心的彈性負荷可通過12維一般方形剛性矩陣K來表達，該矩陣由基礎剛性矩陣（掛架和懸?。┙M裝而成。
(10)
K(e→c)矩陣是發(fā)動機對底盤的影響力矩陣，它的求逆K(e→c)是底盤對發(fā)動機的影響力矩陣。對彈性負荷使用類似的組裝程序，發(fā)動機和底盤重心的總阻尼負荷可通過12維一般方形剛性阻尼矩陣C來表示。
(11)
由于所有組件反作用力是由總坐標系派生出來的，假設振幅很小，發(fā)動機和底盤運動方程可在頻域內寫成矩陣形式：
(12)
F =t{F(e) F(c)}這一矢量是廣義的外加載矢量。外部刺激和已知的頻率、振幅以及階段都是和聲。發(fā)動機刺激力被運用到了發(fā)動機機軸中心。對路段輸入的反應可通過在接地懸浮位置施加外力或者位移來研究。M矩陣是該系統(tǒng)（13）的廣義質量矩陣。
(13)
與
,and
在該廣義質量矩陣中，m(b)是剛體（b）質量，Mτ(b)是其慣性矩陣。C是一個廣義的粘滯阻尼矩陣，它假設的是成比例的阻尼系統(tǒng)。若考慮到結構阻尼矩陣H，粘滯阻尼術語jωC就可能被結構阻尼術語jH所取代。在隨后的發(fā)展中，我們采用復雜的剛度來模擬隔離器的動態(tài)行為。該欄顯示：剛度術語是合成的()。
2.3. 耦合矩陣簡介
通過求解方程12，就能計算出發(fā)動機和底盤重心的反應。然后，再次應用方程14的復雜矩陣求逆。
(14)
阻抗矩陣求逆可通過數(shù)值求解。然而，這種方法阻礙了對發(fā)動機和底盤之間的耦合現(xiàn)象的理解。從傳統(tǒng)的運動方程14，我們可以將只顯示耦合術語的矩陣與這兩個主體（15）隔離。
(15)
為了探求耦合機制的物理含義，方程15中的(?ω2M(e)) ?1F(e)表示的是底盤堵塞時（以無窮大的剛度懸?。碳ぐl(fā)動機所產生的位移。該結構代表的是發(fā)動機接地行為的典型工業(yè)模型（圖3(a)）。(?ω2M(c)) ?1
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