賽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)動剛度分析

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賽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)動剛度分析

　　【摘要】：在設(shè)計開發(fā)新的汽車過程中，汽車的安全性和舒適性越來越受到重視。發(fā)動機主要是通過發(fā)動機懸置與車身相連接的，發(fā)動機懸置是發(fā)動機傳遞振動和噪聲到車身的主要路徑。賽車的速度比一般的民用車高，速度越快意味著在發(fā)動機振動越明顯，越容易引發(fā)車架與發(fā)動機共振。因此，對發(fā)動機懸置動剛度分析可以驗證結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，保護動力總成。

　　回顧汽車動剛度分析的研究現(xiàn)狀，使用仿真數(shù)據(jù)對汽車的剛度進行分析并與目標值進行對比已成為汽車設(shè)計工作的一個趨勢。本課題將運用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，分析對比不同發(fā)動機懸置的剛度性能，選擇合適的發(fā)動機懸置系統(tǒng)，從而提高發(fā)動機懸置系統(tǒng)的動力特性和壽命。這樣的研究工作將具有一定的借鑒和參考價值。

　　【關(guān)鍵詞】：方程式賽車，懸置系統(tǒng)，動剛度，有限元

　　1 Formula SAE_China簡介

　　中國大學生方程式汽車大賽(簡稱“FSAE”)是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。目的是培養(yǎng)學生的設(shè)計制造能力、成本控制能力和團隊溝通協(xié)作能力，使學生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺;同時通過活動創(chuàng)造學術(shù)競爭氛圍，為院校間的交流提供一個平臺，進而推動學科建設(shè)的提升。

　　在比賽過程中，參賽隊員能充分將所學的理論知識運用于實踐中。同時，還學習到組織管理、市場營銷、物流運輸、汽車運動等多方面知識，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團隊合作精神，成為符合社會需求的全面人才。

　　2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　2.1 賽車懸置系統(tǒng)

　　2.1 結(jié)構(gòu)要求

　　一般情況下賽車的懸置系統(tǒng)必須滿足的要求：

　　動力總成的重量盡可能的均勻分配在每個懸置點上;

　　承受賽車行駛過程中作用于動力總成上的動態(tài)力，例如賽車加速或減速時，在動力總成上會產(chǎn)生的縱向動態(tài)力;賽車轉(zhuǎn)向時，動力總成承受的橫向動態(tài)力;

　　承受動力總成產(chǎn)生的往復(fù)慣性力及力矩;

　　隔離由于發(fā)動機激勵而引起的車架的振動;

　　隔離輪胎經(jīng)過路肩引起的車身振動傳遞到動力總成

　　2.2 懸置系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

　　賽車的設(shè)計向著提高發(fā)動機功率和輕量化的方向發(fā)展,采用新型高強度輕質(zhì)材料和輕量化的設(shè)計，讓賽車的整車質(zhì)量不斷下降。然而發(fā)動機的質(zhì)量的卻難以減輕, 導(dǎo)致發(fā)動機在整車質(zhì)量中所占比例有所上升。所以發(fā)動機是主要的振源，對賽車的性能有重要的影響。

　　結(jié)合民用汽車的技術(shù)，國內(nèi)外汽車主采用的幾種懸置形式：

　　彈性元件式，這種結(jié)構(gòu)的發(fā)動機懸置的減振和降噪是通過橡膠元件彈性變形來達到的，結(jié)構(gòu)簡單但是橡膠元件的阻尼特性是固定的。

　　充液式，沖液的懸置尤如懸架的減振器那樣, 帶有阻尼節(jié)流和壓縮，可以吸收和減少發(fā)動機傳給車身的振動和噪聲。

　　主動控制式，一種能產(chǎn)生和發(fā)動機傳來振動相反波長的振動裝置,懸置中都裝有電子控制模塊的振動裝置可以主動抵消發(fā)動機的振動。

　　結(jié)合民用汽車的技術(shù)，國內(nèi)外主要采用了以下幾種技術(shù)：

　　改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過合理設(shè)計各種結(jié)構(gòu)形式、加大連接區(qū)域的面積、加內(nèi)襯板、或者加強肋。使懸置系統(tǒng)的動剛度提高。

　　應(yīng)用CAE技術(shù)，進行數(shù)值模擬分析，縮短開發(fā)時間，減少實驗費用。

　　采用新材料，在相同的工況下，懸置系統(tǒng)的剛度更好，使用壽命更長。

　　如圖1-1為長安汽車北京研究院懸置系統(tǒng)，使用實車進行試驗。

　　圖1-1.實車試驗

　　如圖2-1為通過改進結(jié)構(gòu)，增加加強肋、加大連接區(qū)域的面積、在結(jié)構(gòu)上布置了梁結(jié)構(gòu)，并運用有限元模擬。

　　圖2-1.有限元模擬

　　整車NVH性能的有限元分析方法，其優(yōu)點在于可以在沒有實物樣車的工程化設(shè)計階段，較為準確地評價整車的NVH性能，并提出改進方案，盡可能在設(shè)計階段解決車身結(jié)構(gòu)及包裝上可能存在的NVH 問題，大大的減少開發(fā)成本。

　　3 懸置系統(tǒng)仿真有限元法

　　隨著計算機技術(shù)和非線性有限元程序的發(fā)展, 采用有限元法使懸置系統(tǒng)模擬的結(jié)果精度越來越高。因此, 使用仿真數(shù)據(jù)對汽車的剛度進行分析并與目標值進行對比已成為汽車設(shè)計工作的一個趨勢。動剛度表征了結(jié)構(gòu)在動載荷下抵抗變形的能力，動剛度不足將對車身疲勞壽命和整車乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響。懸置系統(tǒng)一般采用頻率響應(yīng)分析來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析,預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性,驗證設(shè)計能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結(jié)構(gòu)破壞，也是計算線形結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動激勵下的響應(yīng)的方法.單自由度系統(tǒng)是振動分析的基礎(chǔ)，在進行復(fù)雜系統(tǒng)特殊模態(tài)振動分析時，通常構(gòu)造該系統(tǒng)的單自由度模型。如圖3-1為某副車架有限元模型。

　　圖3-1.某副車架有限元模型

　　通常，我們對發(fā)動機懸置進行加速度傳遞函數(shù)響應(yīng)分析，引起某個頻率的響應(yīng)峰值的原因是該頻率下的剛度過低，但并不一定是該接附點的附近局部區(qū)域的剛度過低引起，因此需要利用直接頻率響應(yīng)分析、靈敏度分析等方法找到引起該響應(yīng)峰值的剛度較低的部件或局部區(qū)域，通過優(yōu)化改進該部件或局部區(qū)域的剛度來降低該響應(yīng)峰值。影響懸置系統(tǒng)數(shù)值模擬的主要因素有：單元尺寸、焊點間距、接區(qū)域的面積等。如圖4-1所示優(yōu)化前后的頻率響應(yīng)曲線，優(yōu)化后成效明顯，不僅僅提高了關(guān)注頻率范圍內(nèi)懸置點動剛度，也大大改善了高頻段的動剛度。

　　圖4-1.動剛度結(jié)果對比

　　4 總結(jié)

　　借鑒以上的研究技術(shù)，結(jié)合懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求，建立不同的懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)選出最優(yōu)方案，再對最終方案進行優(yōu)化，直至關(guān)注頻率范圍內(nèi)懸置點動剛度達到預(yù)期要求。

　　為此，本課題將從以下方面進行研究：

　　(1)利用UG三維建模軟件建立不同結(jié)構(gòu)的懸置系統(tǒng)模型。

　　(2)利用HyperMesh前處理軟件建立整車有限元模型。

　　(3)利用Nastran求解器進行仿真求解。

　　(4)分析對比不同結(jié)構(gòu)懸置系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線。

　　(5)選出最優(yōu)方案，進行優(yōu)化處理，再次進行仿真分析。

　　(6)得出結(jié)論。

　　本課題的研究目標就是對大學生方程式賽車的發(fā)動機懸置系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對所設(shè)計的懸置系統(tǒng)再進行整車頻率響應(yīng)仿真分析，選取最優(yōu)的設(shè)計方案，驗證結(jié)構(gòu)能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結(jié)構(gòu)破壞。有可能的話，還可以選用不同的材料進行分析，達到輕量化設(shè)計的結(jié)果。

　　由于目前國內(nèi)對汽車懸置系統(tǒng)動剛度分析的研究還處于發(fā)展階段，因此本課題研究對方程式賽車懸置系統(tǒng)動剛度相關(guān)的研究工作具有一定的借鑒和參考價值。

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