汽车动力总成悬置固有频率及解耦率的灵敏度分析方法与流程

本发明涉及汽车的技术领域，特别涉及一种汽车动力总成悬置固有频率及解耦率的灵敏度分析方法。

背景技术：

汽车动力总成悬置系统能够有效的隔离动力总成传递到车内的振动和噪声，改善车辆乘坐舒适性。动力总成悬置系统的设计是一个复杂的任务，其基本原则是解耦布置。若系统的固有模态之间存在运动耦合，则在某一自由度方向上的振动会激起其他方向上的振动，对悬置系统的振动控制和隔振不利。尤其在发动机怠速的工况下，发动机倾覆力矩主谐量的频率与发动机的刚体振动模态(约5hz～30hz)较为接近，模态耦合会使隔振性能恶化。因此，动力总成悬置系统设计的基本任务是解决动力总成的各刚体振动模态的频率配置问题和振动耦合问题。动力总成悬置系统的固有频率和解耦率与悬置的刚度、安装位置以及安装方位等参数相关。实际上，悬置系统的固有频率和解耦率对不同设计参数的敏感程度并不相同。

技术实现要素：

本发明目的在于提供提供一种汽车动力总成悬置系统固有频率及解耦率的灵敏度分析方法，与一般汽车动力总成悬置刚度变化分析不同，本发明基于正交实验设计方法，仿真分析了某动力总成悬置系统固有频率及解耦率的灵敏度，识别出对对该动力总成悬置系统解耦布置影响较大的悬置刚度参数和位置参数。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

汽车动力总成悬置固有频率及解耦率的灵敏度分析方法，包括以下步骤：

步骤1：建立动力总成横置、前轮驱动的动力总成悬置系统的6自由度模型；

步骤2：建立悬置系统刚度矩阵；

步骤3：求出悬置系统的固有频率和模态，进一步计算得到广义坐标上的能量解耦率；

步骤4：根据正交表的选用原则，取正交表l12(2¹¹)的前9列用于分析9个刚度对悬置系统固有频率和解耦率的影响；

步骤5：取每个刚度参数的变化量为±20％，则得到其名义值的水平表；

步骤6：根据正交试验表分别计算出刚度变化的9因素2水平的12次正交实验运算结果，再根据其运算结果计算出悬置刚度变化引起悬置固有频率变化的平均值；

步骤7：通过公式计算得出悬置刚度变化对悬置系统6阶固有频率的贡献率；

步骤8：根据解耦率的正交实验运算结果计算得到悬置刚度变化对悬置系统解耦率变化的贡献率；

步骤9：建立悬置系统位置矩阵，在根据步骤4至步骤8的运算分析方法得到位置变化对悬置系统6阶固有频率贡献率及位置变化对悬置系统解耦率的贡献率。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤1中，所述动力总成悬置系统6自由度模型如下：

建立动力总成横置、前轮驱动的动力总成三点悬置系统的6自由度模型，在动力总成上建立一个动坐标系g0-xyz描述动力总成的运动，原点g0位于动力总成质心，y轴平行于发动机曲轴轴线方向并指向发动机前端，x轴水平指向汽车后方，z轴垂直曲轴向上，悬置系统中的每个悬置简化成沿其三个弹性主轴方向具有刚度和阻尼的元件，悬置的三个弹性主轴方向相互垂直，以三个弹性主轴建立的坐标系为悬置的局部坐标系。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤3中，悬置系统的刚度矩阵含有每个悬置的刚度、安装位置及安装方位等参数；质量矩阵由动力总成的质量、转动惯量和惯性积形成，这些参数由实验或计算得到。

本发明的有益效果是：汽车动力总成悬置系统固有频率及解耦率的灵敏度分析方法是一种高效率、快速、经济的分析方法，是基于正交实验设计方法，其所获得信息量多，可以准确地估计各实验因素的主效应大小，更准确快速地识别出对动力总成悬置系统解耦布置影响较大的参数，确保悬置系统以较好地按照设计的固有频率和解耦率工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明所提供的动力总成悬置系统6自由度模型的示意图；

图2是本发明所提供的主要刚度对悬置系统x方向固有频率的影响折线图；

图3是本发明所提供的主要刚度对悬置系统y方向固有频率的影响折线图；

图4是本发明所提供的主要刚度对悬置系统z方向固有频率的影响折线图；

图5是本发明所提供的主要刚度对悬置系统roll方向固有频率的影响折线图；

图6是本发明所提供的主要刚度对悬置系统pitch方向固有频率的影响折线图；

图7是本发明所提供的主要刚度对悬置系统yaw方向固有频率的影响折线图；

图8是本发明所提供的主要刚度对悬置系统x方向解耦率的影响折线图；

图9是本发明所提供的主要刚度对悬置系统y方向解耦率的影响折线图；

图10是本发明所提供的主要刚度对悬置系统z方向解耦率的影响折线图；

图11是本发明所提供的主要刚度对悬置系统roll方向解耦率的影响折线图；

图12是本发明所提供的主要刚度对悬置系统pitch方向解耦率的影响折线图；

图13是本发明所提供的主要刚度对悬置系统yaw方向解耦率的影响折线图；

图14是本发明所提供的主要位置对悬置系统x方向固有频率的影响折线图；

图15是本发明所提供的主要位置对悬置系统y方向固有频率的影响折线图；

图16是本发明所提供的主要位置对悬置系统z方向固有频率的影响折线图；

图17是本发明所提供的主要位置对悬置系统roll方向固有频率的影响折线图；

图18是本发明所提供的主要位置对悬置系统pitch方向固有频率的影响折线图；

图19是本发明所提供的主要位置对悬置系统yaw方向固有频率的影响折线图；

图20是本发明所提供的主要位置对悬置系统x方向解耦率的影响折线图；

图21是本发明所提供的主要位置对悬置系统y方向解耦率的影响折线图；

图22是本发明所提供的主要位置对悬置系统z方向解耦率的影响折线图；

图23是本发明所提供的主要位置对悬置系统roll方向解耦率的影响折线图；

图24是本发明所提供的主要位置对悬置系统pitch方向解耦率的影响折线图；

图25是本发明所提供的主要位置对悬置系统yaw方向解耦率的影响折线图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

参照图1至图25，本发明的汽车动力总成悬置固有频率及解耦率的灵敏度分析方法作出如下实施例：

以某款汽车的动力总成悬置系统为例，计算了悬置刚度和位置对悬置系统固有频率和解耦率变化的贡献值，识别出了对悬置系统解耦率布置影响较大的悬置刚度参数和位置参数。

汽车动力总成悬置固有频率及解耦率的灵敏度分析方法，包括以下步骤：

步骤1：建立动力总成横置、前轮驱动的动力总成悬置系统的6自由度模型；

建立动力总成横置、前轮驱动的动力总成悬置系统的6自由度模型(3个平动和3个转动自由度)。在动力总成上建立一个动坐标系g0-xyz描述动力总成的运动，原点g0位于动力总成质心，y轴平行于发动机曲轴轴线方向并指向发动机前端，x轴水平指向汽车后方，z轴垂直曲轴向上，该坐标系称为动力总成坐标系。悬置系统中的每个悬置简化成沿其三个弹性主轴方向具有刚度和阻尼的元件，悬置的三个弹性主轴方向相互垂直，分别用ui,vi,wi表示(i＝1,2…，n,n为悬置个数)，以三个弹性主轴建立的坐标系为悬置的局部坐标系。

步骤2：建立悬置系统刚度矩阵；

步骤3：求出悬置系统的固有频率和模态，进一步计算得到广义坐标上的能量解耦率；

悬置系统的固频率和模态可由下式求得：

|k-ω²m|＝0(1a)

其中，k是悬置系统的刚度矩阵，它含有每个悬置的刚度(考虑橡胶悬置的动态硬化率，本发明动倍率取1.3)、安装位置及安装方位等参数；m为质量矩阵，由动力总成的质量、转动惯量和惯性积形成，这些参数可以由实验或计算得到。由(1)式，可得到悬置系统的6阶固有频率(f＝ωi/2π，i＝1，2，…6)和相对应的振型当悬置系统以第i阶固有频率f和振型振动时，第n个广义坐标上的e(n，i)能量解耦率为：

步骤4：根据正交表的选用原则，取正交表l12(2¹¹)的前9列用于分析9个刚度对悬置系统固有频率和解耦率的影响；

表19因素2水平正交实验表

步骤5：取每个刚度参数的变化量为±20％，则得到其名义值的水平表；

表2因数水平表

步骤6：根据正交试验表分别计算出刚度变化的9因素2水平的12次正交实验运算结果，再根据其运算结果计算出悬置刚度变化引起悬置固有频率变化的平均值；

表39因素2水平的12次正交实验运算结果

悬置刚度变化±20％，悬置系统在x,y和z方向上的固有频率相对稳健，其余方向上的固有频率发生一定程度的改变；x,y和z自由度方向上的解耦率相对稳健，但roll，pitch和yaw方向上的解耦率改变程度较大。

表4悬置刚度变化引起的悬置系统固有频率变化的平均值

表中的第一列数据表示悬置系统在6个自由度方向上的固有频率的名义值；第2列为个实验因素(即9个刚度)分别取“1水平”或“2水平”时，动力总成振动的6个自由度方向；其余各列数据表示各实验因素分别取“1水平”或“2水平”时，各方向上固有频率的平均值。

步骤7：通过公式计算得出悬置刚度变化对悬置系统6阶固有频率的贡献率；

cj＝sj/st×100％(j＝1,2,3…9)(4)

其中，mnji为12次正交实验第i阶段频率f的平均值，mnji1，mnijz分别为表4中第j个因素分别取“1水平”和“2水平”时第i阶频率的平均值。

表5悬置刚度变化对悬置系统6阶固有频率变化的贡献率/％

步骤8：根据解耦率的正交实验运算结果计算得到悬置刚度变化对悬置系统解耦率变化的贡献率；

表6悬置刚度变化引起悬置系统解耦变化的平均值

表7悬置刚度变化对悬置系统解耦变化的贡献率/％

该动力总成悬置系统6阶固有频率随着刚度参数变化的趋势如图2至图9所示，图中只分析了对固有频率影响较为显著的刚度参数，横坐标中分别对应为刚度80％的名义值(1水平时的刚度值)、名义值和120％的名义值(2水平时的刚度值)，纵坐标表示12次实验中刚度变化时悬置系统6阶固有频率的平均值。

由图2和表5可知，x方向上固有频率对ku1(68.33％)最为敏感，且频率随着刚度值的降低而降低，随着刚度值的升高而升高,但随刚度值降低的幅度要大于随刚度值升高的幅度，ku2(19.79％)、ku3(7.52％)对其也有一定影响。固有频率最大的变化幅度为9.1％(7.56hz～8.31hz)。

由图3和表5可知，y方向上固有频率对kv1(47.82％)、kv2(50.12％)最为敏感,频率随着kv1、kv2的升高(或降低)而有较大幅度的升高(或降低)。固有频率最大的变化幅度为8.9％(4.72hz～5.16hz)。

由图4和表5可知，z方向上固有频率对kw1(51.93％)、kw2(46.35％)最为敏感,频率随着kw1、kw2的升高(或降低)而有较大幅度的升高(或降低)。固有频率最大的变化幅度为10.1％(6.64hz～7.36hz)。

由图5和表5可知，roll方向上固有频率对kw1(52.11％)、kw2(47.30％)最为敏感，固有频率最大的变化幅度为9.5％(11.97hz～13.17hz)。

由图6和表5可知，pitch方向上固有频率对ku3(90.40％)最为敏感,对ku1(4.09％)、ku2(2.28％)比较敏感,它们的影响趋势相同，即频率随着刚度的升高(或降低)而升高(或降低)。固有频率最大的变化幅度为14.1％(8.94hz～10.30hz)。

由图7和表5可知，yaw方向上固有频率对ku1(25.56％)、ku2(73.21％)最为敏感。固有频率最大的变化幅度为13.2％(11.03hz～12.57hz)。

该动力总成悬置系统解耦率随着刚度参数变化的趋势如图8至图13所示，图中只分析了对解耦率影响较为显著的刚度参数，横坐标中分别对应为刚度80％的名义值(1水平时的刚度值)、名义值和120％的名义值(2水平时的刚度值)，纵坐标表示12次实验中刚度变化时悬置系统解耦率的平均值。

由图8和表7可知，x方向上解耦率对ku1(15.96％)、kw2(18.55％)、ku3(33.67％)最为敏感，，kv1(8.02％)、ku2(9.90％)、kv3(8.65％)对其也有一定影响。解耦率最大的变化幅度为18.94％(71.24％～87.95％)。

由图9和表7可知，y方向上解耦率对kv1(25.66％)、kw1(25.66％)、kv2(17.38％)、kw2(21.32％)最为敏感,解耦率最大的变化幅度为0.26％(98.39％～98.65％)。

由图10和表7可知，z方向上解耦率对kv2(12.72％)、kw2(17.16％)、kw3(13.96％)最为敏感,kw1(11.50％)比较敏感。解耦率最大的变化幅度为9.63％(88.68％～98.25％)。

由图11和表7可知，roll方向上解耦率对ku1(42.94％)、kw1(23.88％)、ku2

(20.18％)最为敏感，解耦率最大的变化幅度为19.70％(74.48％～93.30％)。

由图12和表7可知，pitch方向上解耦率对kw1(21.02％)、ku2(22.10％)、ku3(39.86％)最为敏感,对ku1(14.42％)、ku2比较敏感，解耦率最大的变化幅度为13.21％(76.26％～87.92％)。

由图13和表7可知，yaw方向上解耦率对kw1(28.60％)、ku2(38.61％)最为敏感。解耦率最大的变化幅度为10.35％(72.68％～82.47％)。

对比表5和表7可知，大部分刚度变化既引起该悬置系统固有频率的变化，又引起解耦率的变化。有一小部分刚度参数的变化只引起固有频率变化或解耦率变化。例如kw2对roll方向固有频率变化有一定影响，对解耦率的影响较小；kw1对yaw方向解耦率变化有一定影响，对固有频率的变化影响较小。悬置系统6阶固有频率和解耦率的变化是由9个刚度变化共同作用的结果。由公式(2)可知。解耦率与固有频率直接相关，因此保证悬置系统固有频率的鲁棒性是保持悬置系统解耦布置鲁棒性的前提。

步骤9：同样的分析方法，建立悬置系统位置矩阵，求出悬置系统的固有频率和模态，进一步计算得到广义坐标上的能量解耦率；根据正交表的选用原则，取正交表l12(2¹¹)的前9列用于分析9个位置对悬置系统固有频率和解耦率的影响；取每个位置参数的变化量的变化量为±10％，根据正交试验表分别计算出位置变化的9因素2水平的12次正交实验运算结果，再根据其运算结果计算出悬置位置变化引起悬置固有频率变化的平均值，通过公式计算得出悬置位置变化对悬置系统6阶固有频率的贡献率；根据解耦率的正交实验运算结果计算得到悬置位置变化对悬置系统解耦率变化的贡献率。表如下：

表8悬置位置变化引起的悬置系统固有频率变化的平均值

表中的第一列数据表示悬置系统在6个自由度方向上的固有频率的名义值；第2列为个实验因素(即9个位置)分别取“1水平”或“2水平”时，动力总成振动的6个自由度方向；其余各列数据表示各实验因素分别取“1水平”或“2水平”时，各方向上固有频率的平均值。

表9悬置位置变化对悬置系统6阶固有频率变化的贡献率/％

表10悬置位置变化引起悬置系统解耦变化的平均值

表中的第一列数据表示悬置系统在6个自由度方向上的解耦率的名义值；第2列为个实验因素(即9个位置)分别取“1水平”或“2水平”时，动力总成振动的6个自由度方向；其余各列数据表示各实验因素分别取“1水平”或“2水平”时，各方向上解耦率的平均值。

表11悬置位置变化对悬置系统解耦变化的贡献率/％

该动力总成悬置系统固有频率随着位置参数变化的趋势如图14至图19所示，图中只分析了对固有频率影响较为显著的位置参数，横坐标中分别对应为位置90％的名义值(1水平时的位置值)、名义值和110％的名义值(2水平时的位置值)，纵坐标表示12次实验中位置变化时悬置系统固有频率的平均值。

由图14和表9可知，x方向上固有频率对kv1(24.32％)、kv2(18.74％)最为敏感，固有频率最大的变化幅度为5.36％(8.22hz～8.66hz)。

由图15和表9可知，y方向上固有频率对kw1(34.06％)、kw2(22.91％)最为敏感,固有频率最大的变化幅度为3.02％(4.74hz～4.89hz)。

由图16和表9可知，z方向上固有频率对kv1(26.47％)、kw1(18.00％)、kv2(18.23％)最为敏感,固有频率最大的变化幅度为9.15％(6.10hz～6.75hz)。

由图17和表9可知，roll方向上固有频率对kv1(24.55％)、kw1(18.98％)、kv2(39.08％)最为敏感，固有频率最大的变化幅度为14.92％(12.68hz～14.56hz)。

由图18和表9可知，pitch方向上固有频率对kw3(53.12％)最为敏感,对ku1(10.83％)、kv2(11.66％)比较敏感，固有频率最大的变化幅度为40.83％(9.11hz～13.05hz)。

由图19和表9可知，yaw方向上固有频率对kv2(42.21％)、kw3(26.34％)最为敏感，固有频率最大的变化幅度为10.72％(11.56hz～12.81hz)。

该动力总成悬置系统解耦率随着位置参数变化的趋势如图20至图25所示，图中只分析了对解耦率影响较为显著的位置参数，横坐标中分别对应为位置90％的名义值(1水平时的位置值)、名义值和110％的名义值(2水平时的位置值)，纵坐标表示12次实验中位置变化时悬置系统解耦率的平均值。

由图20和表11可知，x方向上解耦率对ku1(21.51％)、kw2(33.04％)最为敏感，解耦率最大的变化幅度为20.84％,(75.51％～93.90％)。

由图21和表11可知，y方向上解耦率对kv1(23.56％)、kw3(22.06％)最为敏感,解耦率最大的变化幅度为2.18％(94.55％～96.71％)。

由图22和表11可知，z方向上解耦率对kw1(23.29％)、kv2(20.48％)、ku3(20.48％)、kv3(22.26％)最为敏感,解耦率最大的变化幅度为9.61％(78.49％～88.05％)。

由图23和表11可知，roll方向上解耦率对kw1(16.60％)、ku3(20.73％)、kv3

(38.59％)最为敏感，解耦率最大的变化幅度为15.05％(65.88％～80.26％)。

由图24和表11可知，pitch方向上解耦率对kv1(16.60％)、kv2(20.39％)、kw3(16.22％)最为敏感,对kw2(13.90％)比较敏感，解耦率最大的变化幅度为10.76％(45.15％～54.65％)。

由图25和表11可知，yaw方向上解耦率对kw2(34.50％)、kv3(18.08％)最为敏感，解耦率最大的变化幅度为20.08％(67.58％～86.57％)。

对比表9和表11可知，大部分位置变化既引起该悬置系统固有频率的变化，又引起解耦率的变化。有一小部分位置参数的变化只引起固有频率变化或解耦率变化。例如kv2对x方向固有频率变化有一定影响，对解耦率的影响较小；ku3对pitch方向解耦率变化有一定影响，对固有频率的变化影响较小。悬置系统6阶固有频率和解耦率的变化是由9个位置变化共同作用的结果。由公式(2)可知。解耦率与固有频率直接相关，因此保证悬置系统固有频率的鲁棒性是保持悬置系统解耦布置鲁棒性的前提。

算例结果表明，悬置系统固有频率和解耦率的变化是多个刚度参数或多个位置参数共同作用的结果。悬置系统的三个平动方向的固有频率和解耦率受刚度参数变化或位置参数变化的影响较小，三个转动方向的固有频率和解耦率受刚度参数变化或位置参数变化的影响较大。

本发明通过上述算例，识别出了对动力总成悬置系统解耦布置影响较大的悬置刚度参数和位置参数，提供了一种汽车动力总成悬置系统固有频率及解耦率的灵敏度分析方法。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。