0 引言

车辆动力总成悬置系统是指动力总成与车架或车身之间的弹性连接系统,它包括车辆动力总成及其悬置元件,其作用是隔离动力总成的振动向车身传递,并控制外部激励引起的动力总成系统振动和冲击,它是影响车辆NVH性能的关键子系统[1-5]。对于汽车而言,该系统设计的优劣直接影响汽车的乘坐舒适性,就装甲车辆而言,它还影响车载武器系统射击精度及其观瞄稳定性[6-8]。试验表明,某型装甲车辆动力总成悬置系统寿命总体不高,其中发动机右侧悬置最易损坏,其寿命较其他3点悬置寿命更短。针对此问题,项目组对包含发动机在内的动力总成及其悬置上、下位置振动情况及其支撑力进行了测量,发现了其寿命短是由于该处位置悬置系统隔振率低,造成悬置支撑力大造成的,据此结论提出了优化改进的措施建议。

1 测量信号及系统介绍

1.1 测量信号及位置

如图1所示,某型装甲车的动力总成安装在车体尾部,下方通过悬置系统与车体底甲板转接。

为获取全面的振动信号及其传递信息,为其故障诊断提供足够的试验数据支撑,测量的信号及布置的测点如下:

1) 在4个动力总成悬置垫块上事先布置应变力传感器测量动力总成悬置的三维传递力(应变力传感器布置见图2)。应变力传感器布置在每个悬置垫块的4个侧面上,每面均粘贴2组电阻应变片,总共组成4组全桥电路:其中3组应变电路分别测试悬置垫块X、Y、Z方向传递力,另外1组应变电路为垂直传递力的备用通道。

2) 在动力总成悬置上下方8个位置共布置8个三向加速度传感器,测量取8个位置的振动加速度信号(加速度传感器布置见图3—图6);每个振动加速度传感器采用磁铁吸附形式安装在悬置垫块上下位置现有平面处。

1.2 测试系统组成

如图7所示,测试设备采用2台32通道INV306动态测试系统、2台BZ2668动态应变仪和1台BZ2704-32四合一放大器,配置8个三向加速度传感器和16组应变力传感器,分别进行悬置上下三向振动加速度和悬置垫块三轴传递力载荷测试。每个工况采用多组试验,单组工况分批次测试。系统具备在线测试采集功能,最高采样速率204.8 kHz。

INV306动态测试系统技术指标如下:

1) 输入方式:AC;

2) 电压量程:±20、±50、±100、±200、±500 mV;±1、±2、±5 V;

3) 电压示值误差:不大于0.3%;

4) 通讯方式:千兆以太网通讯;

5) 模数转换器:24位A/D(每通道独立),低噪声,失真小;

6) 频响范围:120 dB动态范围;

7) 高速度,每路12 kHz采样。

考虑动力总成存在高频振动,本次测试采样频率设置为12.8 kHz,低通抗混滤波设置为5 kHz。

2 台架模拟试验及数据处理

2.1 试验加载工况

为全面检测动力总成的振动情况,动力总成台架试验模拟车速工况见表1—表3。

发动机加载扭矩及功率依据该动力总成发动机-变速箱万有特性曲线,具体见图8—图10。

2.2 动力总成悬置隔振率分析

针对动力总成悬置隔振率试验,对振动加速度信号做了以下分析:

根据下面公式计算各悬置振动隔振率T为

(1)

由表1—表3及图11—图13可知:

1) 在垂直方向上该动力总成悬置系统4个悬置垫块中隔振效果较差的是发动机右侧悬置垫块,在0～40 km/h模拟车速下隔振率位于40%～70%,其他位置悬置垫块隔振率均在70%以上。

2) 在左右方向上该动力总成悬置系统4个悬置垫块隔振效果较差的是发动机右侧悬置和变速箱左侧悬置,它们的隔振率在40%～70%之间波动。

3) 在前后方向上该动力总成悬置系统4个悬置垫块隔振效果最差的是发动机左侧悬置垫块,在所有模拟车速工况下,其隔振率在50%～70%之间变动。

2.3 动力总成悬置传递力分析

为进一步探查发动机右侧悬置易损的原因,对4个位置的悬置支撑力进行了测试与数据分析。分析结果见表4—表6及图14—图16。

1) 读取该动力总成悬置系统4个悬置点三轴力传感器信号;绘制转速-悬置传递力曲线图。

2) 分析判断该动力总成悬置系统的4个悬置垫块的传递载荷情况,为悬置系统优化提供基础数据。

由表4—表6及图14—图16可知:

1) 动力总成悬置垫块垂直方向的动态传递力最大,有效值接近15 000 N;其次是前后方向的动态传递力,其有效值接近12 000 N;最小的是左右方向的动态传递力,其有效值接近10 500 N。

2) 在垂直方向上该动力总成悬置系统4个悬置垫块中动态传递力最大的是变速箱右侧悬置垫块,其次是发动机右侧悬置垫块,造成的原因是这2个悬置垫块的隔振率较差相关。

3) 在前后方向上该动力总成悬置系统4个悬置垫块中动态传递力最大的是变速箱左侧悬置垫块和发动机左侧悬置垫块,造成的原因也是这2个位置悬置垫块的隔振率较差相关。

4) 在左右方向上该动力总成悬置系统4个悬置垫块中动态传递力最大的是发动机右侧悬置垫块。这说明动力总成悬置垫块隔振率越差,则动态传递力越大。

3 动力总成悬置系统优化设计建议

动力总成悬置系统隔振性能事关装甲装备武器射击精度及乘坐舒适性,合理地匹配悬置系统参数是提高整车人机环境性能的关键。从上述的隔振传递率及动态支撑力分析上可以看出,该型装甲车悬置系统中4个位置的悬置及其不同方向隔振率相差较大,隔振效果不理想,需要对动力总成悬置系统进行优化。相关的优化设计方法较多[3-7],在此不赘述,只提出几点注意事项:

1) 要考虑每个悬置的承重分配,从单个悬置系统来说,支撑的等效质量、刚度与阻尼一起组成一个悬置系统,因此悬置系统的优化要考虑支撑的质量块的重量,在充分考虑系统可维修性与悬置结构尺寸一致的情况下,尽量使得每个悬置的隔振率达到近似最优。

2) 目前,多采用优化方法对悬置系统的刚度参数进行优化,匹配合理的悬置系统刚度,以减小发动机传递到支承系统的振动[9-16]．但悬置系统的结构形式、几何位置及悬置系统的结构、刚度和阻尼等特性直接影响悬置系统的减振性能,因此,在匹配悬置系统参数时不但要考虑悬置系统的刚度,还要考虑悬置系统的阻尼。

3) 由于装甲车辆动力传动系统的功率较大,尤其是发动机振动大,频率范围宽,其不仅在垂直方向上对整车振动影响较大,其侧倾力矩对整车仪表及电子元器件工作稳定性均有较大的影响,因此在对垂直向刚度、阻尼等动力学参数优化的同时,要结合其结构设计,同时对前后方向、左右方向的动力学参数进行优化。

4) 方向固有振动频率必须远离车辆俯仰方向的固有振动频率和车辆悬架系统俯仰的固有振动频率,并且应尽可能高些,以避免由路面输入响应引起的低频振动。

5) 动力总成在各个方向上的振动位移应给予限制,使动力总成不致与周围其他零部件发生碰撞和运动干涉,特别是在常用的起步、制动、转向等包含短时工况下动力总成位移不能过大。同样,悬置的变形量不能过大,过大的侧向变形容易使橡胶悬置发生剪切破坏,过大的垂向变形则会降低悬置的使用寿命。通常,实际工程要求动力总成各个方向的最大位移均不应超过10 mm,悬置垂向变形不超过10 mm。

4 结论

本项目以某型装甲车辆动力总成及其悬置系统为研究对象,测取了9种工况下测试悬置上下振动加速度信号和悬置垫块传递的动态力信号,经对试验数据进行分析研究,得到以下结论:

该型车辆悬置系统4个位置的悬置隔振性能相差较大,是造成整体隔振水平不理想的重要原因;在垂直方向上该动力总成悬置系统4个悬置隔振效果最差的是发动机右侧悬置。其悬置垫块动态传递力最大,这是该位置悬置寿命最低的直接原因。建议从承重、发动机工作频率范围、悬置结构、形式及其刚度、阻尼、多向隔振要求上考虑对该型车辆的动力总成悬置系统进行优化,以提升动力总成悬置系统总体隔振效果。

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Vibration isolation performance test and characteristic analysis of a powertrain mount based on vibration isolation rate and dynamic transmission force testing

LI Xin, CAO Yu, XIAO Jie, CHEN Lu

(Department of Vehicle Chassis, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Abstract：A fault diagnosis test was conducted to address the issue of damage to the right engine mount in the powertrain of a certain type of armored vehicle, which has a shorter lifespan compared to other point mounts. By measuring the vibration acceleration at the upper and lower support positions of the powertrain mount, as well as the support force data of the four suspension system pads, analysis and research have found that among the four support points of the suspension system, the vertical vibration isolation rate of the right engine mount support point is the highest, and the vertical support force of the mount is greater than that of the other three positions. This is precisely the direct reason for the low service life of the suspension system at this location. Finally, optimization suggestions were proposed based on the test analysis results. It is recommended to consider optimizing the powertrain suspension system of this type of vehicle from the aspects of load-bearing, engine operating frequency range, suspension structure, form and stiffness, damping, and multi-directional vibration isolation requirements, in order to improve the overall vibration isolation effect of the powertrain suspension system.

Key words：armored vehicles; powertrain suspension; vibration acceleration; support force; vibration isolation rate

本文引用格式：李欣,曹宇,肖洁,等.基于隔振率及动态传递力测试的某动力总成悬置隔振性能试验与特性分析[J].兵器装备工程学报,2024,45(5):93-99,150.

Citation format：LI Xin, CAO Yu, XIAO Jie, et al.Vibration isolation performance test and characteristic analysis of a powertrain mount based on vibration isolation rate and dynamic transmission force testing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2024,45(5):93-99,150.

中图分类号：U463.3

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2024)05-0093-07

收稿日期：2023-09-18;

修回日期：2023-11-05;

录用日期：2024-01-16

作者简介：李欣(1978—),男,硕士,正高级工程师,E-mail:icewaterli@sina.com。

通信作者：陈璐(1998—),女,硕士,助理工程师,E-mail:cl15010050748@163.com。

doi：10.11809/bqzbgcxb2024.05.014

科学编辑 汪国胜 博士(中国兵器工业集团第201研究所 研究员)

责任编辑 贺 柳