賽車(chē)發(fā)動(dòng)機懸置系統動(dòng)剛度分析
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【摘 要】：在設計開(kāi)發(fā)新的汽車(chē)過(guò)程中，汽車(chē)的安全性和舒適性越來(lái)越受到重視。發(fā)動(dòng)機主要是通過(guò)發(fā)動(dòng)機懸置與車(chē)身相連接的，發(fā)動(dòng)機懸置是發(fā)動(dòng)機傳遞振動(dòng)和噪聲到車(chē)身的主要路徑。賽車(chē)的速度比一般的民用車(chē)高，速度越快意味著(zhù)在發(fā)動(dòng)機振動(dòng)越明顯，越容易引發(fā)車(chē)架與發(fā)動(dòng)機共振。因此，對發(fā)動(dòng)機懸置動(dòng)剛度分析可以驗證結構的疲勞壽命，保護動(dòng)力總成。
回顧汽車(chē)動(dòng)剛度分析的研究現狀，使用仿真數據對汽車(chē)的剛度進(jìn)行分析并與目標值進(jìn)行對比已成為汽車(chē)設計工作的一個(gè)趨勢。本課題將運用有限元數值模擬技術(shù)，分析對比不同發(fā)動(dòng)機懸置的剛度性能，選擇合適的發(fā)動(dòng)機懸置系統，從而提高發(fā)動(dòng)機懸置系統的動(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(chē)，懸置系統，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(chē)大賽(簡(jiǎn)稱(chēng)“FSAE”)是一項由高等院校汽車(chē)工程或汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車(chē)設計與制造比賽。各參賽車(chē)隊按照賽事規則和賽車(chē)制造標準，在一年的時(shí)間內自行設計和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現的小型單人座休閑賽車(chē)，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節的比賽。目的是培養學(xué)生的設計制造能力、成本控制能力和團隊溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺;同時(shí)通過(guò)活動(dòng)創(chuàng )造學(xué)術(shù)競爭氛圍，為院校間的交流提供一個(gè)平臺，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設的提升。
在比賽過(guò)程中，參賽隊員能充分將所學(xué)的理論知識運用于實(shí)踐中。同時(shí)，還學(xué)習到組織管理、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、物流運輸、汽車(chē)運動(dòng)等多方面知識，培養了良好的人際溝通能力和團隊合作精神，成為符合社會(huì )需求的全面人才。
2 國內外研究現狀
2.1 賽車(chē)懸置系統
2.1 結構要求
一般情況下賽車(chē)的懸置系統必須滿(mǎn)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(chē)行駛過(guò)程中作用于動(dòng)力總成上的動(dòng)態(tài)力，例如賽車(chē)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(chē)轉向時(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)生的往復慣性力及力矩;
隔離由于發(fā)動(dòng)機激勵而引起的車(chē)架的振動(dòng);
隔離輪胎經(jīng)過(guò)路肩引起的車(chē)身振動(dòng)傳遞到動(dòng)力總成
2.2 懸置系統研究現狀
賽車(chē)的設計向著(zhù)提高發(fā)動(dòng)機功率和輕量化的方向發(fā)展,采用新型高強度輕質(zhì)材料和輕量化的設計，讓賽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量不斷下降。然而發(fā)動(dòng)機的質(zhì)量的卻難以減輕, 導致發(fā)動(dòng)機在整車(chē)質(zhì)量中所占比例有所上升。所以發(fā)動(dòng)機是主要的振源，對賽車(chē)的性能有重要的影響。
結合民用汽車(chē)的技術(shù)，國內外汽車(chē)主采用的幾種懸置形式：
彈性元件式，這種結構的發(fā)動(dòng)機懸置的減振和降噪是通過(guò)橡膠元件彈性變形來(lái)達到的，結構簡(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, 帶有阻尼節流和壓縮，可以吸收和減少發(fā)動(dòng)機傳給車(chē)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)機傳來(lái)振動(dòng)相反波長(cháng)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)機的振動(dòng)。
結合民用汽車(chē)的技術(shù)，國內外主要采用了以下幾種技術(shù)：
改進(jìn)結構設計，通過(guò)合理設計各種結構形式、加大連接區域的面積、加內襯板、或者加強肋。使懸置系統的動(dòng)剛度提高。
應用CAE技術(shù)，進(jìn)行數值模擬分析，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少實(shí)驗費用。
采用新材料，在相同的工況下，懸置系統的剛度更好，使用壽命更長(cháng)。
如圖1-1為長(cháng)安汽車(chē)北京研究院懸置系統，使用實(shí)車(chē)進(jìn)行試驗。
圖1-1.實(shí)車(chē)試驗
如圖2-1為通過(guò)改進(jìn)結構，增加加強肋、加大連接區域的面積、在結構上布置了梁結構，并運用有限元模擬。
圖2-1.有限元模擬
整車(chē)NVH性能的有限元分析方法，其優(yōu)點(diǎn)在于可以在沒(méi)有實(shí)物樣車(chē)的工程化設計階段，較為準確地評價(jià)整車(chē)的NVH性能，并提出改進(jìn)方案，盡可能在設計階段解決車(chē)身結構及包裝上可能存在的NVH 問(wèn)題，大大的減少開(kāi)發(fā)成本。
3 懸置系統仿真有限元法
隨著(zhù)計算機技術(shù)和非線(xiàn)性有限元程序的發(fā)展, 采用有限元法使懸置系統模擬的結果精度越來(lái)越高。因此, 使用仿真數據對汽車(chē)的剛度進(jìn)行分析并與目標值進(jìn)行對比已成為汽車(chē)設計工作的一個(gè)趨勢。動(dòng)剛度表征了結構在動(dòng)載荷下抵抗變形的能力，動(dòng)剛度不足將對車(chē)身疲勞壽命和整車(chē)乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響。懸置系統一般采用頻率響應分析來(lái)實(shí)現對結構的動(dòng)態(tài)特性分析,預測結構的持續動(dòng)力特性,驗證設計能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)引起的結構破壞，也是計算線(xiàn)形結構在穩態(tài)振動(dòng)激勵下的響應的方法.單自由度系統是振動(dòng)分析的基礎，在進(jìn)行復雜系統特殊模態(tài)振動(dòng)分析時(shí)，通常構造該系統的單自由度模型。如圖3-1為某副車(chē)架有限元模型。
圖3-1.某副車(chē)架有限元模型
通常，我們對發(fā)動(dòng)機懸置進(jìn)行加速度傳遞函數響應分析，引起某個(gè)頻率的響應峰值的原因是該頻率下的剛度過(guò)低，但并不一定是該接附點(diǎn)的附近局部區域的剛度過(guò)低引起，因此需要利用直接頻率響應分析、靈敏度分析等方法找到引起該響應峰值的剛度較低的部件或局部區域，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)該部件或局部區域的剛度來(lái)降低該響應峰值。 影響懸置系統數值模擬的主要因素有：?jiǎn)卧叽�、焊點(diǎn)間距、接區域的面積等。如圖4-1所示優(yōu)化前后的頻率響應曲線(xiàn)，優(yōu)化后成效明顯，不僅僅提高了關(guān)注頻率范圍內懸置點(diǎn)動(dòng)剛度，也大大改善了高頻段的動(dòng)剛度。
圖4-1.動(dòng)剛度結果對比
4 總結
借鑒以上的研究技術(shù)，結合懸置系統的結構要求，建立不同的懸置系統結構模型，對結構進(jìn)行有限元分析，根據分析結構選出最優(yōu)方案，再對最終方案進(jìn)行優(yōu)化，直至關(guān)注頻率范圍內懸置點(diǎn)動(dòng)剛度達到預期要求。
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構的懸置系統模型。
(2)利用HyperMesh前處理軟件建立整車(chē)有限元模型。
(3)利用Nastran求解器進(jìn)行仿真求解。
(4)分析對比不同結構懸置系統的頻率響應曲線(xiàn)。
(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)得出結論。
本課題的研究目標就是對大學(xué)生方程式賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機懸置系統進(jìn)行結構設計，針對所設計的懸置系統再進(jìn)行整車(chē)頻率響應仿真分析，選取最優(yōu)的設計方案，驗證結構能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)引起的結構破壞。有可能的話(huà)，還可以選用不同的材料進(jìn)行分析，達到輕量化設計的結果。
由于目前國內對汽車(chē)懸置系統動(dòng)剛度分析的研究還處于發(fā)展階段，因此本課題研究對方程式賽車(chē)懸置系統動(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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