Dipl.-Ing. Ralf Hoffmann,Volkswagen AG, F+E Messwesen, 38436 Wolfsburg, Germany, www.vw.com
Dr.-Ing. Walter Klie, m+pinternational Mess- und Rechnertechnik GmbH, 30519 Hannover, Germanywww.mpihome.com
介紹
車內(nèi)聲學(xué)特性對車輛的舒適度產(chǎn)生顯著影響，噪音、振動和機(jī)械沖擊會對行駛車輛中乘員的健康產(chǎn)生不利影響。人類能在較高的頻率范圍內(nèi)感應(yīng)到振動，在低頻（0.1至20Hz）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(dāng)振動頻率高達(dá)幾千赫茲時，人耳感受到的則是噪音。
諸如發(fā)動機(jī)、變速箱、滾動輪胎或風(fēng)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(yōu)化乘客體驗(yàn)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(jìn)行詳細(xì)分析，以使車輛聲學(xué)工程師設(shè)計(jì)出合適的減振和隔振裝置。
圖1：汽車發(fā)動機(jī)懸置高頻動剛度測試臺架
大眾，德國沃爾夫斯堡
車輛發(fā)動機(jī)懸置的主要任務(wù)是盡可能堅(jiān)固地支撐重量和驅(qū)動反作用力，另外，為了達(dá)到車廂內(nèi)的最大舒適性，懸置還必須將發(fā)動機(jī)振動與車身分離。因此，懸置的振動傳遞特性和寬頻范圍內(nèi)的動態(tài)剛度對車輛聲學(xué)設(shè)計(jì)工程師來說至關(guān)重要。
目前德國m+p國際公司已經(jīng)開發(fā)了一種全新的試驗(yàn)臺架來研究發(fā)動機(jī)懸置在高達(dá)2000Hz頻率范圍內(nèi)的動態(tài)剛度，臺架被允許在測試臺上模擬由重量或反作用力產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)載荷，并可以連續(xù)監(jiān)測其它參數(shù)，包括懸置溫度和橫向張力。
發(fā)動機(jī)懸置的設(shè)計(jì)和特性
發(fā)動機(jī)懸置和車身懸置通?；旧鲜菑椥泽w-金屬復(fù)合材料，它們的靜態(tài)和動態(tài)傳遞特性不僅對駕駛動力學(xué)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(fù)合元件的幾何形狀和所使用的彈性體材料的物理性質(zhì)決定。彈性體特性，即剛度和衰減通常由整車技術(shù)的要求決定，但它們強(qiáng)烈依賴于負(fù)載類型（預(yù)載荷，主應(yīng)力/剪切應(yīng)力）、振動頻率及溫度，負(fù)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(chǎn)生影響。
圖2:不同類型的發(fā)動機(jī)懸置
左圖為彈性體-金屬復(fù)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(yīng)被稱為“動態(tài)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(fā)動機(jī)懸置。
替代設(shè)計(jì)是液壓懸置，其中使用液壓元件（節(jié)流）實(shí)現(xiàn)低頻下的振動衰減，阻尼效應(yīng)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(tài)硬化效應(yīng)。液壓懸置還可實(shí)現(xiàn)頻率選擇性阻尼功能。
目前也發(fā)開了其它懸置類型，例如自適應(yīng)懸置，主動懸置和主動隔震阻尼器，以應(yīng)對來自新的驅(qū)動概念（包括停缸技術(shù)，發(fā)動機(jī)自啟停和混動發(fā)動機(jī)）不斷增長的技術(shù)需求。
確定發(fā)動機(jī)懸置傳遞特性的最重要參數(shù)是動剛度，這可以用符合VDA675480標(biāo)準(zhǔn)的合適試驗(yàn)臺進(jìn)行測量和評估，以預(yù)定頻率的穩(wěn)態(tài)正弦位移信號激勵測試樣品，并測量相關(guān)的反作用力。力與位移推導(dǎo)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(jù)VDA675480標(biāo)準(zhǔn)測試彈性體懸置
在測試過程中進(jìn)行連續(xù)的正弦掃振動試驗(yàn)，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(tài)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(nèi)高效測量懸置動態(tài)特性如：懸置動剛度和隔離度等參數(shù)。發(fā)動機(jī)懸置的典型動剛度值為100-300N/mm。
進(jìn)一步可以考慮該懸置的的隔離度參數(shù)i：
這表明了采用大阻尼材料彈性體懸置的動態(tài)硬化特性，一般未經(jīng)調(diào)校的發(fā)動機(jī)懸置典型的本征頻率位于10Hz附近，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，本征頻率恒定的懸置系統(tǒng)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(tǒng)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(jìn)而進(jìn)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(fā)動機(jī)懸置傳遞特性的測試臺架大體上設(shè)計(jì)原理相同，液壓作動器安裝在封閉的負(fù)載框架中，使得測試部件的一側(cè)可以被動態(tài)地加載（輸入），另一側(cè)動態(tài)位移響應(yīng)（輸出）產(chǎn)生的反作用力可由安裝在發(fā)動機(jī)懸置響應(yīng)一側(cè)和負(fù)載之間的力傳感器測得。在測試期間，同時測量發(fā)動機(jī)懸置輸入處的位移激勵和發(fā)動機(jī)懸置輸出端的反作用力，并使用上述公式得出動態(tài)剛度和相位角。
圖4：液壓激勵系統(tǒng)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(jìn)行動態(tài)測量的布置，垂直振動方向?qū)?yīng)于車輛橫向，用于檢查與橫向加速度有關(guān)的懸置傳遞特性。為了模擬實(shí)際工況，靜態(tài)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(jù)用戶試驗(yàn)要求的不同，除了主激勵方向之外，還可以添加反向動態(tài)載荷。為此在負(fù)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(tǒng)的基本配置和機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)
圖4中，負(fù)載框架的實(shí)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(guān)閉。這種基本配置如圖5所示，與機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)相當(dāng)，如果需要，可以反轉(zhuǎn)作動器和力傳感器的位置。等效的機(jī)械彈簧質(zhì)量圖表明，除了試件的彈簧-質(zhì)量-阻尼器系統(tǒng)以外，測試臺也必須考慮為振動系統(tǒng)。帶有液壓激勵器和力傳感器的負(fù)載框只能用于沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的頻率范圍內(nèi)，第一階剛體模態(tài)是微不足道的，因?yàn)樗ǔＴ诘皖l下是解耦的。
顯然，夾具的諧振質(zhì)量和位于激振器和力傳感器之間的懸置比例質(zhì)量可以引入自激振動，從而影響測量結(jié)果的精密度，特別是在高頻范圍內(nèi)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(dá)約1000Hz的頻率范圍內(nèi)使用，但在此高頻下實(shí)現(xiàn)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(dá)2000Hz的發(fā)動機(jī)懸置高頻動剛度測試臺
高頻噪音是影響車內(nèi)乘客聲學(xué)舒適度的重要因素，發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)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(qū)動鏈和平衡軸的高性能發(fā)動機(jī)及新能源汽車的發(fā)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(xué)工程師只是在推出新車型之前才面對這些問題，但是現(xiàn)在需要在新車型開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)問題時就提出節(jié)約時間和費(fèi)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(fā)出了一種高頻試驗(yàn)臺，用于檢測發(fā)動機(jī)懸置的振動傳遞特性，頻率高達(dá)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(yàn)臺的基本配置，激振器通過隔振器懸掛在焊接的機(jī)架中，機(jī)架的側(cè)板支撐一個500kg質(zhì)量的慣性質(zhì)量。試驗(yàn)件使用特殊的夾具固定在激振器的銜鐵上，上端夾具與預(yù)載質(zhì)量塊之間為高剛度的三軸向力傳感器，慣性質(zhì)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(zhì)量組成的系統(tǒng)已經(jīng)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(zhì)量承載著試樣的動態(tài)反作用力，不會在測試框架中引入任何振動，因此機(jī)架的本征頻率不會被激發(fā)，這是進(jìn)行高頻動剛度測試的重要先決條件。
如前所述，發(fā)動機(jī)懸置的動態(tài)特性高度依賴于諸如預(yù)載荷或溫度等參數(shù)，高頻試驗(yàn)臺通過控制支撐慣性質(zhì)量塊的空氣彈簧座與激振臺預(yù)載荷補(bǔ)償?shù)目諝鈴椈勺g的壓力差來完美的實(shí)現(xiàn)預(yù)加載，降低壓力差會增加預(yù)載荷，而增加壓力差會降低預(yù)載荷。在測試操作期間，靜態(tài)預(yù)載荷被連續(xù)監(jiān)測和閉環(huán)控制，以保持所需的值，根據(jù)慣性質(zhì)量的大小，上述臺架可以產(chǎn)生高達(dá)5kN的預(yù)載荷。
圖6：高頻試驗(yàn)臺（左）和預(yù)載荷控制的質(zhì)量的基本配置（右）
試樣上的動態(tài)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(zhì)量，這種方法有可能使慣性質(zhì)量激發(fā)到彈性振動，這可能會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，我們對慣性質(zhì)量塊的固有共振特性進(jìn)行了分析測試，研究彈性彎曲，扭轉(zhuǎn)和縱向振動以及慣性質(zhì)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(tài)，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(fā)現(xiàn)的剛體模態(tài)頻率都低于15Hz，扭轉(zhuǎn)模態(tài)（如右圖所示）具有3500Hz的本征頻率，慣性質(zhì)量的所有彈性本征頻率都高于2500Hz。
剛體傾斜運(yùn)動共振頻率約3.5Hz 扭轉(zhuǎn)運(yùn)動頻率約3500Hz
所有剛體模態(tài)頻率<15Hz 所有結(jié)構(gòu)模態(tài)> 2500Hz
圖7：慣性質(zhì)量振動模態(tài)
上述研究的結(jié)果證實(shí)了高頻試驗(yàn)臺選擇的思路，測試臺架在整個頻率范圍內(nèi)滿足高精度要求，對加速度，速度和位移的相關(guān)性如圖8所示，即振動列線圖。在85至1577Hz的頻率范圍內(nèi)，使用較低的位移范圍值（0.001mm）進(jìn)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(dǎo)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(yàn)臺架的振動列線圖，
25 kg的移動質(zhì)量，正弦激勵
在85-2000Hz的頻率范圍內(nèi)，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(shù)，在自動測試操作期間，使用m+p VibControl系統(tǒng)執(zhí)行振動控制和測量數(shù)據(jù)采集和分析。
高達(dá)2000 Hz頻率下的發(fā)動機(jī)懸置的振動傳遞特性
在產(chǎn)品開發(fā)初期，復(fù)合材料懸置的高頻動態(tài)特性研究已成為大眾汽車公司研究車輛聲學(xué)特性的重要工具。隨著知識和經(jīng)驗(yàn)的獲取，盡管沒有預(yù)先優(yōu)化的原型車可用，但是一些零件已可在開發(fā)階段進(jìn)行修改，圖9顯示了三個幾何尺寸相同的液壓阻尼發(fā)動機(jī)懸架的動剛度曲線，三個懸置在500Hz頻率以下的發(fā)動機(jī)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(dá)到2000 Hz的三個結(jié)構(gòu)相同的發(fā)動機(jī)懸置的動剛度測試曲線
進(jìn)一步的研究表明，液壓懸置膜的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以顯著降低發(fā)動機(jī)懸置在高于500Hz的高頻范圍內(nèi)的動態(tài)剛度，圖10提供了優(yōu)化件和標(biāo)準(zhǔn)件之間的動態(tài)剛度特性比較曲線。
圖10：標(biāo)準(zhǔn)懸置件和優(yōu)化懸置件之間動剛度的差異
圖11中顯示了車內(nèi)發(fā)動機(jī)懸置前后2個測量點(diǎn)加速度值，標(biāo)準(zhǔn)件和優(yōu)化件的加速度并排顯示，上面的圖像顯示了懸置前方測點(diǎn)加速度，下圖顯示了懸置后方測點(diǎn)加速度，右下方面板顏色顯示了優(yōu)化懸置基點(diǎn)加速度水平的降低。這顯示加速度的降低與車輛內(nèi)部的聲品質(zhì)顯著提高有極大關(guān)系。
圖11：發(fā)動機(jī)懸置前后的加速度
左：原標(biāo)準(zhǔn)懸置 右：優(yōu)化懸置
