汽车悬置高频动刚度测试试验台架-汽车声学特性优化

介绍

车内声学特性对车辆的舒适度产生显著影响，噪音、振动和机械冲击会对行驶车辆中乘员的健康产生不利影响。人类能在较高的频率范围内感应到振动，在低频（0.1至20Hz）能感觉到振动而无法听到声音；随着频率上升到约100 Hz，可以同时感觉到振动和听到声音；当振动频率高达几千赫兹时，人耳感受到的则是噪音。

诸如发动机、变速箱、滚动轮胎或风噪（由车身及其附件引起的气动激励）等振源均在乘客舱外部，为了优化乘客体验的舒适度，需要对从外部激励源到乘客身体和耳朵位置的传递路径进行详细分析，以使车辆声学工程师设计出合适的减振和隔振装置。


图1：汽车发动机悬置高频动刚度测试台架
大众，德国沃尔夫斯堡

车辆发动机悬置的主要任务是尽可能坚固地支撑重量和驱动反作用力，另外，为了达到车厢内的最大舒适性，悬置还必须将发动机振动与车身分离。因此，悬置的振动传递特性和宽频范围内的动态刚度对车辆声学设计工程师来说至关重要。

目前德国m+p国际公司已经开发了一种全新的试验台架来研究发动机悬置在高达2000Hz频率范围内的动态刚度，台架被允许在测试台上模拟由重量或反作用力产生的准静态载荷，并可以连续监测其它参数，包括悬置温度和横向张力。

发动机悬置的设计和特性

发动机悬置和车身悬置通常基本上是弹性体-金属复合材料，它们的静态和动态传递特性不仅对驾驶动力学特性和车辆安全性有直接的影响，亦对乘坐舒适度有直接的影响。传递行为主要由复合元件的几何形状和所使用的弹性体材料的物理性质决定。弹性体特性，即刚度和衰减通常由整车技术的要求决定，但它们强烈依赖于负载类型（预载荷，主应力/剪切应力）、振动频率及温度，负载历史（老化）和可能的过载或先前的损坏也可能对弹性体特性产生影响。


图2:不同类型的发动机悬置
左图为弹性体-金属复合材料悬置，右图为液压悬置

弹性体的阻尼是影响传递特性的重要因素，随着振动速度的近乎线性增加，这种效应被称为“动态硬化”。因此，具有材料大阻尼值的弹性体不太适用于高频工况下的的发动机悬置。

替代设计是液压悬置，其中使用液压元件（节流）实现低频下的振动衰减，阻尼效应取决于振动位移，因此其阻尼会随着频率的增加而减小，从而消除了动态硬化效应。液压悬置还可实现频率选择性阻尼功能。

目前也发开了其它悬置类型，例如自适应悬置，主动悬置和主动隔震阻尼器，以应对来自新的驱动概念（包括停缸技术，发动机自启停和混动发动机）不断增长的技术需求。

确定发动机悬置传递特性的最重要参数是动刚度，这可以用符合VDA675480标准的合适试验台进行测量和评估，以预定频率的稳态正弦位移信号激励测试样品，并测量相关的反作用力。力与位移推导出迟滞回线，从中可以为每个测试频率确定刚度和阻尼。图3说明了测量和分析方法。


图3：依据VDA675480标准测试弹性体悬置

在测试过程中进行连续的正弦扫振动试验，测量悬置振动位移和反作用力随时间的变化曲线，随后用傅里叶分析确定悬置动态刚度和相位角，这样就可以在更短的时间、更宽的频率范围内高效测量悬置动态特性如：悬置动刚度和隔离度等参数。发动机悬置的典型动刚度值为100-300N/mm。

进一步可以考虑该悬置的的隔离度参数i：



这表明了采用大阻尼材料弹性体悬置的动态硬化特性，一般未经调校的发动机悬置典型的本征频率位于10Hz附近，随着发动机转速的增加，本征频率恒定的悬置系统的隔离度几乎以平方的速度上升至1。因此，随着激励频率的增加，传递到车体的振动将减少。然而，对于具有速度比例阻尼特性的弹性悬置，系统的本征频率随着速度增加而增加，因而其隔离度的增长会比较缓慢：也就是说高频振动的传递比例会越高，进而进入驾驶舱的高频噪音更明显。

用于确定弹性体悬置传动特性的测试台

用于测试发动机悬置传递特性的测试台架大体上设计原理相同，液压作动器安装在封闭的负载框架中，使得测试部件的一侧可以被动态地加载（输入），另一侧动态位移响应（输出）产生的反作用力可由安装在发动机悬置响应一侧和负载之间的力传感器测得。在测试期间，同时测量发动机悬置输入处的位移激励和发动机悬置输出端的反作用力，并使用上述公式得出动态刚度和相位角。


图4：液压激励系统中的传动悬置的动刚度测量（垂直振动方向等于车辆的横向）

图4显示了使用液压作动器或液压激励器在悬置上进行动态测量的布置，垂直振动方向对应于车辆横向，用于检查与横向加速度有关的悬置传递特性。为了模拟实际工况，静态支撑模拟Z向的悬置重量和车辆在x方向上的恒定加速度，根据用户试验要求的不同，除了主激励方向之外，还可以添加反向动态载荷。为此在负载框架中安装了额外的液压激励器，然而这个步骤大大降低了测试台架的可用频宽。


图5：液压悬置刚度测试系统的基本配置和机械弹簧质量系统

图4中，负载框架的实心柱是清晰可见的，这些支柱将液压作动器的下轭（固定的被测试装置，DUT）和上轭架之间的力流关闭。这种基本配置如图5所示，与机械弹簧质量系统相当，如果需要，可以反转作动器和力传感器的位置。等效的机械弹簧质量图表明，除了试件的弹簧-质量-阻尼器系统以外，测试台也必须考虑为振动系统。带有液压激励器和力传感器的负载框只能用于没有发生结构共振的频率范围内，第一阶刚体模态是微不足道的，因为它通常在低频下是解耦的。

显然，夹具的谐振质量和位于激振器和力传感器之间的悬置比例质量可以引入自激振动，从而影响测量结果的精密度，特别是在高频范围内刚度耦合的情况下。液压弹性悬置测试台理论上可以在高达约1000Hz的频率范围内使用，但在此高频下实现的位移振幅仅为约0.05mm，由于在测试台架中要避免共振非常困难，所以在较高的工作频率下的悬置动刚度测试不能采用液压激励方式。

频率高达2000Hz的发动机悬置高频动刚度测试台

高频噪音是影响车内乘客声学舒适度的重要因素，发动机和传动系统是这种噪音的主要激励源。具有涡轮增压器，可变阀控制器，驱动链和平衡轴的高性能发动机及新能源汽车的发展使得研究高频振动传递到车身的问题上变得越来越重要。通常，声学工程师只是在推出新车型之前才面对这些问题，但是现在需要在新车型开发早期发现问题时就提出节约时间和费用的解决方案。

德国沃尔夫斯堡大众汽车公司（Volkswagen AG）委托德国m+p国际公司开发出了一种高频试验台，用于检测发动机悬置的振动传递特性，频率高达2000Hz，而液压激振器无法在此频率下工作，因此采用电动激振器。在图6中，左图是试验台的基本配置，激振器通过隔振器悬挂在焊接的机架中，机架的侧板支撑一个500kg质量的惯性质量。试验件使用特殊的夹具固定在激振器的衔铁上，上端夹具与预载质量块之间为高刚度的三轴向力传感器，惯性质量由空气弹簧轻柔地支撑。因此，在频率高于25Hz的测试中，由被试件、空气弹簧和惯性质量组成的系统已经处于其低频临界范围外。

在超临界范围外，轻轻地安装在垂直方向的惯性质量承载着试样的动态反作用力，不会在测试框架中引入任何振动，因此机架的本征频率不会被激发，这是进行高频动刚度测试的重要先决条件。

如前所述，发动机悬置的动态特性高度依赖于诸如预载荷或温度等参数，高频试验台通过控制支撑惯性质量块的空气弹簧座与激振台预载荷补偿的空气弹簧座之间的压力差来完美的实现预加载，降低压力差会增加预载荷，而增加压力差会降低预载荷。在测试操作期间，静态预载荷被连续监测和闭环控制，以保持所需的值，根据惯性质量的大小，上述台架可以产生高达5kN的预载荷。


图6：高频试验台（左）和预载荷控制的质量的基本配置（右）

试样上的动态反作用力通过上端刚性夹具和（同样刚度）力测量传感器直接连接到惯性质量，这种方法有可能使惯性质量激发到弹性振动，这可能会导致测量结果不准确。因此，我们对惯性质量块的固有共振特性进行了分析测试，研究弹性弯曲，扭转和纵向振动以及惯性质量相对于板簧元件（沿径向工作的）的刚体振动。图7显示了频率尽可能接近测试范围的振动模态，左边的图像显示了3.5Hz特征频率的刚体倾斜振荡，并且所有发现的刚体模态频率都低于15Hz，扭转模态（如右图所示）具有3500Hz的本征频率，惯性质量的所有弹性本征频率都高于2500Hz。


刚体倾斜运动共振频率约3.5Hz 扭转运动频率约3500Hz
所有刚体模态频率<15Hz 所有结构模态> 2500Hz
图7：惯性质量振动模态

上述研究的结果证实了高频试验台选择的思路，测试台架在整个频率范围内满足高精度要求，对加速度，速度和位移的相关性如图8所示，即振动列线图。在85至1577Hz的频率范围内，使用较低的位移范围值（0.001mm）进行测试，加速度从85Hz的0.03g增加到1577Hz时的最大加速度10g。除此之外，频率在恒定加速度下增加，这导致在2000Hz下0.62微米的位移减小，在10g的加速度限制下，动力矢量（正弦激励）约为5kN。

在最大加速度为40g的另一测试工况下，动力矢量为20kN。


图8：5kN/mm安装刚度的高频试验台架的振动列线图，25 kg的移动质量，正弦激励

在85-2000Hz的频率范围内，最高和最低加速度的比率为355，为了满足振荡幅度的要求精度，在低频时振动是位移控制的；在大约500Hz以上的频率（以0.001mm位移的1g加速度），加速度被用作控制参数，在自动测试操作期间，使用m+p VibControl系统执行振动控制和测量数据采集和分析。

高达2000 Hz频率下的发动机悬置的振动传递特性

在产品开发初期，复合材料悬置的高频动态特性研究已成为大众汽车公司研究车辆声学特性的重要工具。随着知识和经验的获取，尽管没有预先优化的原型车可用，但是一些零件已可在开发阶段进行修改，图9显示了三个几何尺寸相同的液压阻尼发动机悬架的动刚度曲线，三个悬置在500Hz频率以下的发动机动刚度相同，但在较高频率下，其动刚度存在显著差异。很明显，这些差异显著影响车体的振动传播。


图9：频率范围达到2000 Hz的三个结构相同的发动机悬置的动刚度测试曲线

进一步的研究表明，液压悬置膜的结构改进可以显著降低发动机悬置在高于500Hz的高频范围内的动态刚度，图10提供了优化件和标准件之间的动态刚度特性比较曲线。


图10：标准悬置件和优化悬置件之间动刚度的差异

图11中显示了车内发动机悬置前后2个测量点加速度值，标准件和优化件的加速度并排显示，上面的图像显示了悬置前方测点加速度，下图显示了悬置后方测点加速度，右下方面板颜色显示了优化悬置基点加速度水平的降低。这显示加速度的降低与车辆内部的声品质显著提高有极大关系。


图11：发动机悬置前后的加速度
左：原标准悬置 右：优化悬置