賽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)動(dòng)剛度分析

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賽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)動(dòng)剛度分析

　　【摘要】：在設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)主要是通過發(fā)動(dòng)機(jī)懸置與車身相連接的，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置是發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞振動(dòng)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(dòng)機(jī)振動(dòng)越明顯，越容易引發(fā)車架與發(fā)動(dòng)機(jī)共振。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置動(dòng)剛度分析可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，保護(hù)動(dòng)力總成。

　　回顧汽車動(dòng)剛度分析的研究現(xiàn)狀，使用仿真數(shù)據(jù)對(duì)汽車的剛度進(jìn)行分析并與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比已成為汽車設(shè)計(jì)工作的一個(gè)趨勢(shì)。本課題將運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，分析對(duì)比不同發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的剛度性能，選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的動(dòng)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(jià)值。

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

　　1 Formula SAE_China簡(jiǎn)介

　　中國大學(xué)生方程式汽車大賽(簡(jiǎn)稱“FSAE”)是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、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(xué)生的設(shè)計(jì)制造能力、成本控制能力和團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，使學(xué)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(tái);同時(shí)通過活動(dòng)創(chuàng)造學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為院校間的交流提供一個(gè)平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升。

　　在比賽過程中，參賽隊(duì)員能充分將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中。同時(shí)，還學(xué)習(xí)到組織管理、市場(chǎng)營銷、物流運(yùn)輸、汽車運(yùn)動(dòng)等多方面知識(shí)，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，成為符合社會(huì)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(dòng)力總成的重量盡可能的均勻分配在每個(gè)懸置點(diǎn)上;

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

　　承受動(dòng)力總成產(chǎn)生的往復(fù)慣性力及力矩;

　　隔離由于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)而引起的車架的振動(dòng);

　　隔離輪胎經(jīng)過路肩引起的車身振動(dòng)傳遞到動(dòng)力總成

　　2.2 懸置系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

　　賽車的設(shè)計(jì)向著提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和輕量化的方向發(fā)展,采用新型高強(qiáng)度輕質(zhì)材料和輕量化的設(shè)計(jì)，讓賽車的整車質(zhì)量不斷下降。然而發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量的卻難以減輕, 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在整車質(zhì)量中所占比例有所上升。所以發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的振源，對(duì)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(dòng)機(jī)懸置的減振和降噪是通過橡膠元件彈性變形來達(dá)到的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)傳給車身的振動(dòng)和噪聲。

　　主動(dòng)控制式，一種能產(chǎn)生和發(fā)動(dòng)機(jī)傳來振動(dòng)相反波長的振動(dòng)裝置,懸置中都裝有電子控制模塊的振動(dòng)裝置可以主動(dòng)抵消發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

　　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(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過合理設(shè)計(jì)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(qiáng)肋。使懸置系統(tǒng)的動(dòng)剛度提高。

　　應(yīng)用CAE技術(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，縮短開發(fā)時(shí)間，減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)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(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)。

　　圖1-1.實(shí)車試驗(yàn)

　　如圖2-1為通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)，增加加強(qiáng)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(yùn)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(diǎn)在于可以在沒有實(shí)物樣車的工程化設(shè)計(jì)階段，較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)整車的NVH性能，并提出改進(jìn)方案，盡可能在設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(duì)汽車的剛度進(jìn)行分析并與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比已成為汽車設(shè)計(jì)工作的一個(gè)趨勢(shì)。動(dòng)剛度表征了結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷下抵抗變形的能力，動(dòng)剛度不足將對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析,預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性,驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)破壞，也是計(jì)算線形結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)的方法.單自由度系統(tǒng)是振動(dòng)分析的基礎(chǔ)，在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)特殊模態(tài)振動(dòng)分析時(shí)，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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置進(jìn)行加速度傳遞函數(shù)響應(yīng)分析，引起某個(gè)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(diǎn)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(jìn)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：?jiǎn)卧叽�、焊點(diǎn)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(diǎn)動(dòng)剛度，也大大改善了高頻段的動(dòng)剛度。

　　圖4-1.動(dòng)剛度結(jié)果對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)選出最優(yōu)方案，再對(duì)最終方案進(jìn)行優(yōu)化，直至關(guān)注頻率范圍內(nèi)懸置點(diǎn)動(dòng)剛度達(dá)到預(yù)期要求。

　　為此，本課題將從以下方面進(jìn)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(jìn)行仿真求解。

　　(4)分析對(duì)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(jìn)行優(yōu)化處理，再次進(jìn)行仿真分析。

　　(6)得出結(jié)論。

　　本課題的研究目標(biāo)就是對(duì)大學(xué)生方程式賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)所設(shè)計(jì)的懸置系統(tǒng)再進(jìn)行整車頻率響應(yīng)仿真分析，選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)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(jìn)行分析，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)果。

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

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