發(fā)動(dòng)機(jī)液壓懸置異響的正向設(shè)計(jì)方法研究

楊蔓 鄧雄志 陳朋

摘 要：文章通過發(fā)動(dòng)機(jī)液壓懸置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高精度CAE模型，獲得懸置受沖擊時(shí)刻解耦膜的拍擊力特性，進(jìn)而通過分析異響和非異響懸置拍擊力特性與試驗(yàn)異響的關(guān)聯(lián)，確定了以拍擊力判斷異響的設(shè)計(jì)指標(biāo)值、建立了液壓懸置異響的正向設(shè)計(jì)方法。基于此方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證異響較小，證明此方法準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞：液壓懸置;異響;流固耦合;AE;正向設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.43+2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）09-109-04

The Research on?Forward Design Method of Engine-Mount?Noise

Yang?Man， Deng?Xiongzhi， Chen Peng

（Guangzhou automobile R&D center， Guangdong Guangzhou 511434）

Abstract：?The decoupler impact force within engine mount is studied based on FSI finite element method. After correlated between decoupler impulse force of CAE and testing noisy/non-noisy engine mounts， the critical value of impact force corresponding to noise is derived. Therefore， the forward design method of engine-mount noise is built. The improved mounts is designed with this method， which shows precise and robust.

Keywords： hydraulic mounting;?noise;?fluid-structure interaction（FSI）;?CAE;?forward design

CLC NO.：?U463.43+2??Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-109-04

1 背景

隨著車輛NVH性能整體水平的提升，以往被懸架及發(fā)動(dòng)機(jī)掩蓋的液壓懸置異響逐漸凸顯。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研發(fā)過程、新車下線及市場反饋的液壓懸置異響抱怨數(shù)量逐年增多。液壓懸置的異響業(yè)內(nèi)有較多研究，可歸類為兩種情況：空穴異響（流場壓力降低出現(xiàn)的小氣泡聚集后，破裂異響）、浮動(dòng)式解耦膜拍擊異響^[1]，這兩種噪音都屬于沖擊噪音。由于浮動(dòng)式解耦膜與液壓懸置骨架的間隙小，且完全在懸置內(nèi)部，無法通過懸置外部的試驗(yàn)觀察或直接測量手段來監(jiān)控內(nèi)部拍擊力特性，難以建立拍擊力與異響的直接關(guān)聯(lián)。因此當(dāng)前異響改善手段都基于試驗(yàn)反復(fù)試錯(cuò)方法，缺乏正向預(yù)測的手段。

本文以某車型過連續(xù)減速帶工況發(fā)生懸置解耦膜拍擊異響問題為研究對(duì)象，通過懸置精確CAE建模及分析，獲得車輛過減速帶工況下，浮動(dòng)式解耦膜的拍擊力，研究以拍擊力作為異響設(shè)計(jì)指標(biāo)、進(jìn)而正向預(yù)測異響的方法。

2 浮動(dòng)式解耦膜液壓懸置異響機(jī)理及流固耦合分析

如圖1所示，懸置浮動(dòng)式解耦膜位于上液腔與下液腔之間，當(dāng)動(dòng)力總成受到顛簸小幅Z-激振懸置時(shí)，上液腔的液體向下擠壓浮動(dòng)式解耦膜，解耦膜向下運(yùn)動(dòng)直至拍擊下支架，實(shí)現(xiàn)液體向下運(yùn)動(dòng);當(dāng)動(dòng)力總成反向激振懸置時(shí)，下液腔的液體向上擠壓浮動(dòng)式解耦膜，解耦膜向上運(yùn)動(dòng)直至拍擊解耦膜蓋板。當(dāng)這個(gè)拍擊力達(dá)到一定程度，就會(huì)產(chǎn)生拍擊異響。因此優(yōu)化液壓懸置的異響，就在于改善解耦膜拍擊。

與結(jié)構(gòu)噪音不同的是，拍擊噪音是輻射噪音、以流固耦合的形式產(chǎn)生。由于流固耦合涉及液體及固體相互作用，難以解析求解，為獲得拍擊力，建立拍擊力與異響的直接關(guān)聯(lián)，本文采用流固耦合有限元分析方法研究。

對(duì)于本文問題，液壓懸置過減速帶工況下橡膠結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形，進(jìn)而工作液的邊界變化較大，相關(guān)研究采用ALE有限元方法求這一解流固耦合問題^[2]～[6]。

ALE描述下帶自由界面的粘性不可壓液體的N-S運(yùn)動(dòng)方程及其邊界條件為：

對(duì)于液壓懸置的工作液在汽車使用工況下，可視為不可壓液體，因此質(zhì)量守恒方程簡化為：

本構(gòu)方程為：

ALE描述下的自由界液面邊界條件為：

流固耦合界面上，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件為：

液壓懸置的橡膠在汽車常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，是典型的幾何非線性、材料非線性問題，常采用Mooney-Rivlin模型求解，其模型為：

其中，N為多項(xiàng)式階數(shù)，D_i為材料常數(shù)，I₁，I₂，I₃為變形張量不變量，其表達(dá)式為：

其中，λ₁，λ₂，λ₃為主伸長比，λ₁=1+γ_i，γ_i為主軸方向應(yīng)變。

由于橡膠為不可壓縮超彈性材料，其I₃=1，通常采用二階多項(xiàng)式模型，因此得到二階Mooney-Rivlin模型為：

流固耦合有限元模型對(duì)懸置內(nèi)部結(jié)構(gòu)精確建模，所有≥0.5mm的特征均保留。結(jié)構(gòu)材料、工作液的力學(xué)特性參數(shù)通過試驗(yàn)測得。工況是以11Hz做1mm位移幅值的正弦激勵(lì)，模擬過減速帶路發(fā)動(dòng)機(jī)懸置受到的沖擊（懸架簧下固有頻率為11Hz）。分析模型見圖2：

經(jīng)分析，浮動(dòng)式解耦膜對(duì)蓋板接觸壓力的最大時(shí)刻，壓強(qiáng)分布結(jié)果如圖3：

解耦膜對(duì)蓋板的接觸壓力時(shí)間歷程曲線與解耦膜變形動(dòng)畫對(duì)比見圖4，結(jié)合實(shí)時(shí)變形動(dòng)畫與時(shí)間歷程曲線，揭開了懸置內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及變形細(xì)節(jié)：解耦膜接觸蓋板前，壓力較小;在解耦膜接觸蓋板后向上拍擊的最大變形時(shí)刻，出現(xiàn)了載荷峰值30.2N，呈現(xiàn)出典型脈沖載荷工況特點(diǎn)、即本文所述“拍擊力”，變形動(dòng)畫也顯示此刻解耦膜與蓋板接觸，現(xiàn)象吻合：

懸置反向運(yùn)動(dòng)后，接觸力迅速下降、蓋板與解耦膜也分開，見圖5：

圖6是該車型通過連續(xù)減速帶，懸置結(jié)構(gòu)采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)，加速度曲線與拍擊力趨勢一致，即：隨著每一次激振發(fā)生一次，沖擊力或加速度迅速升高然后降低：

至此，通過CAE分析手段準(zhǔn)確捕捉到異響發(fā)生過程、確認(rèn)異響機(jī)理。

3 異響判定依據(jù)確定及優(yōu)化方案

為了建立CAE分析判定異響的基準(zhǔn)，需與將拍擊力與試驗(yàn)異響進(jìn)行關(guān)聯(lián)。為此對(duì)產(chǎn)自同一供應(yīng)商的其它3款車型的無明顯異響的懸置進(jìn)行同樣工況的流固耦合分析。分析結(jié)果顯示，無異響件的拍擊力最大值為23.2N，顯著低于異響件，見圖7：

考慮一定的設(shè)計(jì)余量，將解耦膜拍擊力的優(yōu)化目標(biāo)是設(shè)定為：低于25N。

由于浮動(dòng)式解耦膜是一塊平橡膠、且尺寸較小，難以做出復(fù)雜的幾何特征，因此優(yōu)化方向有兩個(gè)：增加表面凸起、改變接觸剛度;增加解耦膜蓋板厚度（進(jìn)而減小解耦膜的活動(dòng)間隙）。方案如表1：

分別對(duì)以上5個(gè)方案進(jìn)行CAE分析，結(jié)果顯示方案四、五的壓力峰值降低最明顯，結(jié)果見圖8：

懸置的一個(gè)關(guān)鍵特性是動(dòng)剛度和阻尼，因此異響優(yōu)化方案須同時(shí)分析這兩個(gè)參數(shù)，以確認(rèn)方案可行性。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性特性見式9：

式中F（w）為懸置受激振力信號(hào)經(jīng)FFT變換后激勵(lì)頻率對(duì)應(yīng)的值，D（w）為位移激勵(lì)信號(hào)經(jīng)FFT變換后激勵(lì)頻率對(duì)應(yīng)的值。K_d（w）為復(fù)數(shù)，動(dòng)剛度大小為其幅值，阻尼角為其實(shí)部與虛部的夾角。

以其中方案三為例，CAE分析得出的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間見圖9：

對(duì)各方案數(shù)據(jù)做FFT分析，各方案的動(dòng)剛度和滯后角見表2：

可見方案五的動(dòng)剛度變化較大，如采用會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力總成重新做NVH調(diào)校。綜合考慮，以優(yōu)化方案四作為主要的驗(yàn)證方案。

4 驗(yàn)證效果

考慮到實(shí)際產(chǎn)品工藝與理論的偏差，為了通過對(duì)比確認(rèn)改善趨勢，分別對(duì)方案一、二、四做樣件，分別在同一臺(tái)車、同一個(gè)減速帶上驗(yàn)證，樣件實(shí)物件圖10：

由于懸置異響與懸架沖擊音同時(shí)發(fā)生、兩種噪音信號(hào)的頻率成分有一定重疊，濾波僅提取出“懸置異響的頻段”失真度較大，故采用專業(yè)的商品評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)打分（10人、10分制），取平均值，結(jié)果見表3。

其中方案四過連續(xù)減速帶工況的整車振動(dòng)加速度測試結(jié)果見圖11：

可見由于異響優(yōu)化方案兼顧了動(dòng)剛度設(shè)計(jì)，改善前后，整車的NVH性能并沒有惡化。

綜上，方案四改善效果較好，最終以方案四作為實(shí)施措施。

5 總結(jié)

本文首次通過流固耦合CAE分析，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)懸置沖擊時(shí)刻解耦膜的拍擊力;通過多個(gè)CAE優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)了解耦膜拍擊是液壓懸置過減速帶工況產(chǎn)生異響的機(jī)理、證實(shí)了以“CAE手段分析拍擊力”來預(yù)測噪音的可行性。

需要說明的是，CAE分析手段的特點(diǎn)是需要通過試驗(yàn)標(biāo)定模型、并將分析數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果建立關(guān)聯(lián)，本論文也是結(jié)合CAE分析與多個(gè)有/無異響的懸置試驗(yàn)，得出合理的拍擊力臨界值，指導(dǎo)CAE設(shè)計(jì)最終消除了噪音。但限于這些懸置內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相近的、且樣本量較少，因此本文的數(shù)據(jù)不能作為普適性的懸置異響正向判定標(biāo)準(zhǔn)，但其思路能作為懸置噪音的半經(jīng)驗(yàn)正向預(yù)測及設(shè)計(jì)方法。

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