小型直升機(jī)的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)仿真分析及試驗(yàn)效果評(píng)估

范汪明 宋軍 李成友

[摘? ? 要]動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是隔離動(dòng)力總成振動(dòng)，保障直升機(jī)各設(shè)備器件正常運(yùn)行的重要系統(tǒng)?；贑AE分析軟件進(jìn)行動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的多自由度仿真分析，求解出其模態(tài)類型的頻率和振型，評(píng)估了其隔振效率，并通過試驗(yàn)證明了該懸置系統(tǒng)的隔振效果。

[關(guān)鍵詞]動(dòng)力總成;懸置系統(tǒng);隔振效率

[中圖分類號(hào)]U464.13 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–03

Simulation Analysis and test Verification of the Powertrain

Mounting System of a Small Helicopter

Fan Wang-ming，Song Jun，Li Cheng-You

[Abstract]The powertrain suspension system is an important system that isolates the vibration of the powertrain and guarantees the normal operation of the helicopter equipment. The multi-degree-of-freedom simulation analysis of the powertrain mounting system based on CAE analysis software is used to solve the frequency and mode shape of its modal type， evaluate its vibration isolation efficiency， and prove the vibratio

1 概述

動(dòng)力總成是通過懸置系統(tǒng)安裝在機(jī)身框架上的，懸置系統(tǒng)需承受動(dòng)力總成的質(zhì)量，以及在受到各種外界干擾力作用的情況下，懸置系統(tǒng)應(yīng)能有效地限制動(dòng)力總成的最大位移，以避免與相鄰零部件相撞。同時(shí)，它應(yīng)具有良好的隔振作用，應(yīng)考慮到直升機(jī)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)除了用于隔離動(dòng)力總成傳遞給機(jī)體的振動(dòng)，同時(shí)還可以減少機(jī)體振動(dòng)對(duì)動(dòng)力總成的影響，盡可能降低動(dòng)力總成和機(jī)體對(duì)動(dòng)力總成的雙向振動(dòng)傳遞。圖1為動(dòng)力總成、懸置系統(tǒng)以及機(jī)體三者之間的關(guān)系圖。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)在懸置系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做了很多研究工作，并取得了一定的成果。他們從不同的角度提出目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建立了不同的數(shù)學(xué)模型。常見的目標(biāo)函數(shù)有：動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)六自由度解耦和部分解耦;系統(tǒng)固有頻率的合理匹配;系統(tǒng)的振動(dòng)隔振率或支撐處的動(dòng)反力最小等等[1-3]。

應(yīng)某小型人直升機(jī)性能指標(biāo)要求，對(duì)其核心部件動(dòng)力總成進(jìn)行更換，更換的動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)型式、功率以及安裝方式均與之前動(dòng)力總成不一致，因此需對(duì)新的動(dòng)力總成安裝方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)分析，該懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)直升機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)特性有著重要影響，本文基于懸置系統(tǒng)的固有頻率合理匹配和隔振效率評(píng)估以及隔振試驗(yàn)驗(yàn)證三方面展開分析討論。

2 理論研究和仿真分析

2.1 懸置系統(tǒng)理論建模

要對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行研究，就必須先研究動(dòng)力總成懸置承受的激勵(lì)力和動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的本身的特性（如質(zhì)量，剛度，固有頻率，彈性，阻尼等）。懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式受限于現(xiàn)有動(dòng)力總成安裝接口位置以及直升機(jī)框架整體布局空間位置限制，懸置系統(tǒng)由動(dòng)力總成、安裝座接頭、加筋接頭、長(zhǎng)桿件以及7個(gè)橡膠隔振器組成，見圖2、圖3所示。

現(xiàn)選擇懸置系統(tǒng)質(zhì)心的移動(dòng)坐標(biāo)為xc、yc和zc，轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)為αc、βc和γc。針對(duì)這樣的一個(gè)系統(tǒng)，通過建立動(dòng)力方程，可以求解系統(tǒng)的模態(tài)和響應(yīng)，動(dòng)力方程常見的方法有2種：一是用牛頓第二定律;二是拉格朗日動(dòng)力學(xué)方法;只要寫出系統(tǒng)的動(dòng)能、勢(shì)能和廣義力，就可以非常清楚地寫出動(dòng)力方程。這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力方程寫成下面的形式。

（1）

式中，m動(dòng)力總成的質(zhì)量;Iij是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（i和j表示x、y和z）;Fx、Fy和Fz分別是作用在質(zhì)心x、y和z方向的總力;Mx、My和Mz分別是作用在質(zhì)心x、y和z方向的力矩和。上式可寫成矩陣的形式為：

（2）

式中，M、K和F分別是系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和力的矩陣;q是剛度的坐標(biāo)矢量;將上式轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，并且不考慮外力作用：

（3）

式（3）將用作模態(tài)分析，得到系統(tǒng)各個(gè)模態(tài)下的頻率和振型。

2.2 懸置系統(tǒng)仿真分析

由上述理論可知，理論推導(dǎo)較難求出復(fù)雜系統(tǒng)的固有頻率，使用CAE仿真軟件，在計(jì)算機(jī)上建立有限元模型，對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際工況約束，進(jìn)行動(dòng)力總成模態(tài)分析，但同時(shí)由于動(dòng)力總成在直升機(jī)上受多種飛行載荷影響，懸置系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度也需要滿足飛行使用要求[4]。

由于動(dòng)力總成的固有頻率遠(yuǎn)大于懸置系統(tǒng)頻率，因此可以將動(dòng)力總成視作空間彈性支撐的剛體。整個(gè)懸置系統(tǒng)共包含7個(gè)減振器，懸置系統(tǒng)剛度和阻尼特性與橡膠元件的力學(xué)特性關(guān)系密切，通過理論分析懸置系統(tǒng)性能需要補(bǔ)充橡膠元件的基礎(chǔ)力學(xué)性能試驗(yàn)，通常采用Mooney-Rivlin模型兩參數(shù)C1和C2進(jìn)行模擬橡膠的本構(gòu)方程，但受限于研制進(jìn)度，本文直接根據(jù)文獻(xiàn)[5]中對(duì)橡膠硬度與彈性模量關(guān)系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了硬度與C1和C2的一般關(guān)系式，給出了橡膠硬度Hr（IRHD硬度）與彈性模量E0的關(guān)系式。

（4）

本文中采用了橡膠硬度為50，經(jīng)計(jì)算得到其彈性模量為E0=2.80 MPa。分析得到懸置系統(tǒng)的強(qiáng)度為237.97 MPa，遠(yuǎn)小于懸置系統(tǒng)的材料1Cr17Ni2的極限強(qiáng)度為835 MPa，懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形為0.32mm，懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足要求。根據(jù)懸置系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)建模和模擬約束，具體計(jì)算結(jié)果如圖4-圖7所示。

由上述模態(tài)計(jì)算得到懸置系統(tǒng)固有頻率表，具體數(shù)值可見表1所示。

分析上表懸置系統(tǒng)固有頻率與直升機(jī)主旋翼轉(zhuǎn)速為768 rpm（12.8 Hz）和動(dòng)力總成工作轉(zhuǎn)速4200 rpm（70 Hz）進(jìn)行對(duì)比，得到懸置系統(tǒng)固有頻率均較好的避開主旋翼頻率和動(dòng)力總成工作頻率。

2.3 懸置系統(tǒng)隔振效率評(píng)估

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論[6、7]，系統(tǒng)的傳遞率可以表示為：

（5）

式（5）中，ε為系統(tǒng)阻尼比，為頻率比。根據(jù)動(dòng)力總成工作轉(zhuǎn)速為4200 rpm，旋翼轉(zhuǎn)速為780 rpm，則動(dòng)力總成基頻和旋翼基頻分別為70 Hz和13 Hz。

根據(jù)動(dòng)力總成基頻與懸置系統(tǒng)固有頻率關(guān)系，有=2.57>

時(shí)，即干擾力的頻率大于隔振系統(tǒng)的固有頻率的2.57倍時(shí)，，越大，T越小，隔振效果越好，表明設(shè)計(jì)的懸置系統(tǒng)能夠較好的對(duì)動(dòng)力總成的激勵(lì)頻率進(jìn)行隔振，有效抑制了對(duì)機(jī)體振動(dòng)水平的影響。

根據(jù)機(jī)體旋翼系統(tǒng)的基頻與懸置系統(tǒng)固有頻率關(guān)系，則有時(shí)，即隔振系統(tǒng)不起隔振作用甚至發(fā)生共振的區(qū)域，但懸置系統(tǒng)采用了大量的橡膠隔振器，提供了較大的阻尼比，值越大，T值越小，這表明在這段區(qū)域增大阻尼對(duì)控制振動(dòng)是有利的，特別是系統(tǒng)共振時(shí)，這種有利就更加明顯，同時(shí)由于本文中小型直升機(jī)旋翼系統(tǒng)激勵(lì)傳遞到機(jī)體時(shí)先需經(jīng)過多個(gè)主減橡膠隔振器，所以可以在后續(xù)裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4 懸置系統(tǒng)裝機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果和懸置系統(tǒng)隔振效率評(píng)估可知，懸置系統(tǒng)的固有頻率較好的避開了動(dòng)力總成工作轉(zhuǎn)速（4200 rpm），懸置系統(tǒng)具有對(duì)動(dòng)力總成頻率良好的隔振效果?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)好的懸置系統(tǒng)安裝在機(jī)體框架上，進(jìn)行開車懸置系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，與之前未安裝懸置系統(tǒng)機(jī)體的振動(dòng)水平比較，通過監(jiān)控懸置系統(tǒng)傳遞到機(jī)體不同位置的振動(dòng)水平來驗(yàn)證懸置系統(tǒng)有效性。

由圖8和圖9GD位置，以及圖10和圖11AC-DC兩個(gè)位置可以看出，安裝懸置系統(tǒng)后，機(jī)體在動(dòng)力總成工作轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)水平明顯小于未安裝懸置系統(tǒng)的，且安裝懸置系統(tǒng)后，上述兩位置在動(dòng)力總成不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)水平突變較小，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，而未安裝懸置系統(tǒng)時(shí)，機(jī)體在上述兩位置的振動(dòng)水平隨著動(dòng)力總成轉(zhuǎn)速成逐漸變大趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本次動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)利用多自由度動(dòng)力學(xué)理論和動(dòng)力學(xué)仿真分析手段對(duì)其進(jìn)行分析，并經(jīng)隔振效率計(jì)算評(píng)估其有效性，最后驗(yàn)證了試驗(yàn)驗(yàn)證懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，說明多自由度動(dòng)力學(xué)理論及仿真分析手段能夠解決此小型直升機(jī)動(dòng)力總成的隔振問題，并達(dá)到預(yù)期效果，為機(jī)身電器設(shè)備的正常運(yùn)行提供了工作環(huán)境保障。

參考文獻(xiàn)

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n isolation effect of the suspension system through experiments .

[Keywords]powertrain， mounting system， vibration isolation efficiency