基于OPAX的动力总成悬置系统隔振性能评价

陈 克，徐征涵

(沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159)

动力总成悬置系统是连接动力总成和车身的弹性元件，其作用是衰减和隔离由动力总成传递到车身的激励。悬置系统吸收振动的能力称为悬置的隔振性能。目前，大部分学者都是利用悬置主、被动端的振动加速度计算隔振率，对悬置隔振性能进行评价[1]，并对隔振率不达标的悬置，通过优化匹配弹性元件的刚度、阻尼等系统参数的方法[2]，使其达到最优的隔振效果。

但这种评价方法只适用于单个悬置本身，并不能准确反映动力总成悬置系统在整车环境下的振动激励及对车内振动造成的影响。因此，本文利用传递路径分析方法，建立振动传递路径，并根据整车振动试验数据，计算出隔振率并进行传递路径贡献量分析，实现对动力总成悬置系统的综合评价。

1 OPAX传递路径模型建立

整车的NVH(Noise、Vibration、Harshness)问题都可以用“激励源—路径—接受者”这一模型来解释，即车辆的激励源(如动力总成、排气管等)通过车身或连接件传递振动信号，引起车内振动。OPAX方法是在传递路径分析(Transfer Path Analysis，TPA)和工况传递路径分析(Operational Transfer Path Analysis，OTPA)基础上发展而来，借鉴了OTPA简便的优点，避开了传统TPA方法工作量大的缺点，同时又能保证所测得结果的精确度[3]。

根据OPAX技术思想，本文将汽车座椅导轨作为目标点，方向盘、驾驶室地板作为指示点，建立由动力总成、悬置系统、车身到目标点与指示点之间包含81条路径的传递路径模型，如图1所示。图1中指示点的作用是通过其数据识别工作载荷，以提高载荷识别精度。

图1 车内传递路径模型

任一目标点的振动是由多条路径矢量叠加的结果，其振动总贡献量可表示为

(1)

式中：yk(ω)为第k个目标点总贡献量；Hki(ω)为各悬置被动端至该目标点的第i条路径上的频响函数；Fi(ω)为第i条路径输入端的结构载荷；n为结构传递路径的总数目；ω表示频率。

利用OPAX方法建立参数化载荷识别模型，并用悬置动刚度法求解各路径输入端的结构载荷，表示为[4]

(2)

式中：aai(ω)、api(ω)分别表示各悬置主、被动端振动加速度；mi、ci、ki分别表示第i条路径上弹性元件的质量、阻尼及刚度；j为复数虚部。

理论上，指示点与目标点一样，其振动响应也是由多条路径叠加的结果。因此，任一指示点的振动响应可表示为[5]

(3)

其中

式中：uq(ω)为第q个额外指示点的振动响应；Hqi(ω)为各悬置被动端至该指示点的第i条路径的频响函数。

对运行工况下采集的指示点数据作阶次分析，若指示点的响应信号中包含有m个阶次切片，每个切片中包含有r个转速采样点，则式(3)可用分块矩阵的形式表示为

[Aq][X]=[Bq]

(4)

其中

[Aq]=[D1…Di…Dn]

[X]矩阵的求解结果即为式(2)中待识别的参数，从而可计算得到各路径的结构载荷力，并结合试验测得的各路径到目标点的频响函数，代入式(1)即可计算出每条路径对目标点的振动贡献量。

2 整车振动试验

2.1 工况数据采集

本试验以某SUV为试验对象，驾驶室座椅导轨为目标点；所用试验仪器主要为西门子公司的LMS Test.Lab振动噪声测试配套设备；在目标点、指示点及悬置主、被动端合适位置布置三向加速度传感器；采样频率为6400Hz，带宽为采样频率的一半即3200Hz，添加汉宁窗；利用软件自带工具去除环境噪声。试验在空旷室内、原地匀加速工况下(1500～3000r/min)进行，测试时间为30s。以座椅导轨X方向为例，采得各测点时域数据信号如图2所示。

图2 座椅导轨X方向时域数据图

2.2 频响函数测量

为方便测量，采用互易法进行测量悬置被动端处到车内目标点座椅导轨的频响函数。保持传感器位置不变，用规格为086D05的激励力锤(量程为±22.24kN)在座椅导轨三方向进行锤击激励，每个位置敲击5次，在悬置被动端测量响应，求平均得到频响函数；对比频响函数与相干函数，判断其精度，相干系数越大，频响函数结果越可靠[6]。以左悬置Z方向到座椅导轨X方向的频响函数为例，如图3所示。

图3 左悬置Z方向到座椅导轨X方向的频响 函数及相干性曲线

由图3可以看出，在整个0～3200Hz频率范围内左悬置Z方向与座椅导轨X方向平均相干系数为0.9，非常接近1，证明采集到的频响函数比较可靠。

2.3 各方向振动比较

由测得的工况数据，得出座椅导轨各方向的振动曲线如图4所示。

图4 座椅导轨各方向振动曲线

从图4中可以看出，在1500～2800r/min范围内，座椅导轨在X方向的振动都高于其他方向，并且在2655r/min附近达到峰值，为0.0151g。所以，本文着重对座椅导轨X方向进行研究。

3 动力总成激励下悬置隔振率分析

工程上定义悬置隔振率[7]为

(5)

式中：M、N分别表示主、被动端频域信号下振动加速度计算出的overall level(OA)曲线。隔振率越接近100%，证明隔振性能越好。

OA曲线表示整个频带上的总有效值，计算OA的方式如下：将整个时域数据切割成无数个瞬时切片，计算每一帧时域数据的瞬时频谱；然后计算这个瞬时频谱内的总均方根值，即RMS(Root Mean Square)值，再将每帧时域数据所对应的RMS值连成曲线，便得到OA曲线。RMS的计算公式为

(6)

式中：s表示瞬时频谱f1～f2之间取样点的个数；A0表示f1对应的幅值；As表示f2所对应的幅值；At代表第t个取样点的幅值。

将振动试验得到的三个悬置主、被动端X方向的时域数据代入式(6)中，分别得出各悬置主、被动端RMS值。将RMS值代入式(5)中，得到图5所示的隔振率曲线。

图5 各悬置三方向隔振率

从图5中可看出，三个悬置各方向隔振率在1500～3000r/min区间内均表现较好，达到90%以上。为进一步研究悬置系统对车内的具体影响，利用传递路径的方法进行计算分析。

4 动力总成隔振性能分析

由振动试验测得的工况数据，根据参数化载荷识别模型计算出结构载荷，再结合测得的频响函数代入式(1)中获得各个路径的贡献量，并进行分析。图6为汽车匀加速工况、1500～3000r/min转速范围内，各个路径对于座椅导轨X方向的振动贡献量。由于贡献量的合成是各路径贡献量分量矢量的和，不仅关注幅值的大小，还需要确定各路径贡献量与目标点之间的相位关系。

图6 各路径贡献量分析图

图6中特殊标注的部分表示汽车在2655r/min附近转速范围内，实测值、拟合值和右悬置X方向贡献量同时达到振动峰值，贡献能量达到0.021g。图7为2655r/min下各路径贡献量矢量关系图。

图7 各路径贡献量矢量关系图

由图7可以看出，右悬置X方向在此转速下为正贡献，而响应点在此转速下振动幅值为0.0151g，说明右悬置X方向对于响应点结构振动影响较大。根据贡献量排序可以看出，在1500～3000r/min转速范围内，对于汽车座椅的导轨X方向，右悬置X方向为主要贡献路径，其次是后悬置X方向。

5 结论

利用OPAX传递路径的方法对某款SUV车的隔振性能进行分析，测量各悬置主、被动侧的振动加速度并计算隔振率，同时针对动力总成对车内目标点的振动贡献量进行分析。虽然广义隔振率均较好，达到90%以上，但其振动仍传入车内，引起车内部件的振动。因此，在研究动力总成悬置隔振性能时，单考虑悬置本身的隔振率作为评价其振动对车内影响的指标是不全面的。在隔振率的基础上采用传递路径的研究方法，可以准确反映动力总成对车内振动造成的影响程度，并且较为直观的看出引起车内振动的源头，为进一步改善汽车舒适性及汽车振动优化提供思路。