汽车动力总成惯性参数测试台支架分析及优化

胡 勇

(广东科学技术职业学院汽车工程学院，广东 珠海 519090)

汽车动力总成惯性参数测试台所测对象的体积较大，质量大，移动困难。为了保证测试安全，支架必须有较大的强度[1]。目前，针对铁架和钢架类的有限元分析集中在立体车库支架、建筑物支架、吊塔等方面，而对汽车动力总成惯性参数测试台的支架有限元仿真分析较少，为进一步研究测试台固有频率和变形对测量误差的影响，有必要对汽车动力总成惯性参数测试台的支架和摆盘进行模态及静力学分析[2-5]。

1 支架有限元分析模型

1.1 模态分析数学模型

系统的模态方程可表示为[6]：

(1)

分析运动系统的模态时，F常常为零。略去阻尼矩阵C，其动力性能求解的基本方程如下：

(2)

令

μ=X·sin(ωt)

(3)

式中：X为振幅；ω为固有频率；t为时间。

将式(3)代入式(2)中，可得：

K-ω2·M·μ=0

(4)

求解式(4)与式(2)，所得结果就是该系统的固有频率与振型。

1.2 支架有限元模型

测试台支撑支架结构简单，下摆盘通过3根钢绳与上摆盘连接，形成平行三线摆。下摆盘能承受1 200 kg的动力总成。下摆盘由圆盘、加固圆柱和加固钢槽组成，加固钢槽选用8#钢槽[7]。支撑支架实物和下摆盘实物如图1所示。

图1 支撑支架实物和下摆盘实物图

由于钢管、侧柱、横梁、上摆盘等是用螺栓连接在一起的，因此杆件之间可以传递力和力矩。支架总体高度为6.53 m，因此可对支架作以下假设：支架不与其他结构有干涉，独立矗立于密闭空间；忽略室内风力风速、地面激励等因素；不考虑待测动力总成放置前后支架的运动对支架的影响；不考虑支架总成及加载后待测动力总成的重力对地面的影响；支架无变形、缺陷。网格处理时需要对吊孔以及对仿真结果影响较小的螺栓孔等局部结构进行理想化处理，忽略对结果没有明显影响的支架过渡焊角等，假定地面硬度足够不会发生变形。最终测试台支架网格有186 623个单元、261 119个节点。螺栓连接选择刚性RIGID单元连接。安装支座与钢管焊接后，再与地面用膨胀螺栓连接，形成固定结构，地面约束为6自由度全约束[8]。其模型及约束如图2所示。

图2 有限元模型及约束图

2 支架有限元分析

支架未放置汽车动力总成时，主要承受支架本体、上摆盘、横梁和顶端横梁、下摆盘(用于悬挂下摆盘的钢绳的质量可以略去)的质量等。本文将Hypermesh中的支架有限元模型放在ABAQUS中进行计算，分析了前10阶自由振型，计算出其固有频率。表1 是支架的固有频率，图 3～6展示了含下摆盘的测试台支架前4阶振型情况。

表1 含下摆盘的测试台支架固有频率

图3 1阶模态

图4 2阶模态

图5 3阶模态

图6 4阶模态

实际上，测试台可能受到的外部激励有地面的激励和测试时下摆盘摆动而产生的摆动激励，在外部激励情况下，测试台可能会形成共振。

3 测试台支架的优化及分析

3.1 结构优化

测试台的质量主要集中在测试台顶端，造成上端太重。由于测试台支架太高，顶端离最下端约束的地方太远，其固有频率不高，因此可以通过减少顶端的质量、增加地面强度、改变结构或在结构上进行优化时改变支撑元件等方式来提高测试台支架的固有频率。称重法的原理要求摆线的长度和扭摆半径是有一定比例的，比值需要大于10[9]。为方便运送待测动力总成，修建了强度足够的高2 m左右的台阶和一条深2 m的斜沟。此外，将支架高度由6.0 m改为2.1 m，3根钢管立柱厚度由8 mm改为20 mm，工字梁的厚度加大10 mm，测试台改进方案和支架如图7所示。

图7 测试台改进方案和支架示意图

3.2 优化后支架的模态分析

表2显示了优化后支架模态分析结果，图8～11展示了测试台支架前4阶振型情况。

表2 测试台满载工况支架固有频率

图8 优化后1阶模态

图9 优化后2阶模态

图10 优化后3阶模态

图11 优化后4阶模态

4 优化后的静力学分析

4.1 测试台支架的应力

应力分析如图12所示。下摆盘最大应力为154.3 MPa，位置在下摆盘边缘。支架的最大应力为117.7 MPa，位置在上摆盘安装孔处。

图12 测试台支架的应力云图

4.2 测试台支架的变形

从图13中可以看出，由于上摆盘和顶端横梁承受的主要是吊力，其也有相应变形。下摆盘最大变形量为3.61 mm，位于下摆盘边缘；支架最大变形量为1.57 mm，位于上摆盘。

图13 支架及下摆盘变形图

5 结束语

本文对现有的某测试台支架进行了有限元分析，测试台支架前10阶振型情况显示其固有频率较低。根据测试台测试原理，针对其支架的固有频率较低易被激发的可能对测试方案进行了新的工程设计，有限元分析结果说明优化后的支架固有频率有较大提高，下摆盘和支架都存在变形，分别为3.61 mm和1.57 mm，达到了设计要求。下摆盘和支架的变形对动力总成惯性参数的测量精度有一定影响，但本文侧重于测试台支架的有限元分析，对环境、地面以及误差等方面没有展开研究，下一步工作可在如何减少测量总成惯性参数的误差上展开研究，如进一步研究测试台支架的固有频率与试验误差之间的关系、测试台的摆盘变形与实验误差之间的关系。