張志明 張繼明 王江濤

摘要：本文通過建立系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用，對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置振動(dòng)的敏進(jìn)行激勵(lì)分析。首先利用AVL-EXOTE軟件，進(jìn)行曲軸等各系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力，包括缸壓、主軸軸承載荷、閥系力、活塞側(cè)向敲擊力等，然后進(jìn)行征整機(jī)振動(dòng)分析，輸出包括各懸上、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等各向振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用，對(duì)各輸入的敏感性進(jìn)行分析，得到主軸承座載荷最為敏感，以及該載荷到懸置振動(dòng)的傳遞函數(shù)，確認(rèn)支架、曲軸模態(tài)、主軸承座激勵(lì)等對(duì)懸置振動(dòng)有著重要貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);懸上振動(dòng);系統(tǒng)識(shí)別;敏感度分析

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中，NVH性能越來越引起大家的重視，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)懸上振動(dòng)作為整車振動(dòng)的一個(gè)重要激勵(lì)源，不僅影響著整車舒適性，同時(shí)也會(huì)引起車內(nèi)噪聲，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)NVH開發(fā)中，懸上振動(dòng)的控制就顯得尤為重要。

然而發(fā)動(dòng)機(jī)的工況負(fù)責(zé)，激勵(lì)較多，如各缸燃燒壓力，各主軸承座載荷，活塞側(cè)向力、閥系激勵(lì)等，要準(zhǔn)確分析和識(shí)別懸置振動(dòng)的敏感激勵(lì)，是懸上振動(dòng)控制的重要內(nèi)容?；谙到y(tǒng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用，可以快速有效識(shí)別敏感激勵(lì)，傳遞函數(shù)等，從而有效快捷的進(jìn)行懸上振動(dòng)改善。

懸置振動(dòng)的整體分析控制思路如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)眾多，如何快速識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)的敏感激勵(lì)，關(guān)鍵傳遞路徑，都成為發(fā)動(dòng)機(jī)懸置振動(dòng)控制的關(guān)鍵難點(diǎn)，如圖2所示。

本文旨在基于懸置系統(tǒng)識(shí)別，整機(jī)振動(dòng)仿真分析，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)懸置振動(dòng)的預(yù)測分析，以及懸置振動(dòng)敏感激勵(lì)的識(shí)別，為懸置振動(dòng)的改善，提供重要的改進(jìn)建議。分為以下三部分：

1.基于動(dòng)力學(xué)、有限元分析的懸置振動(dòng)預(yù)測。

2.利用系統(tǒng)識(shí)別算法，結(jié)合上述分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行輸入（激勵(lì)力）、輸出（懸置振動(dòng)）之間的數(shù)學(xué)算法模型。

3.基數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行懸置振動(dòng)各激勵(lì)力的敏感度分析。為懸置振動(dòng)改進(jìn)提供有限方向。

1 懸上振動(dòng)仿真分析

基于AVL-EXCITE軟件，進(jìn)行各系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的分析，包括曲軸動(dòng)力學(xué)、閥系動(dòng)力學(xué)活塞動(dòng)力學(xué)等，并將激勵(lì)力加載到整機(jī)有限元模型中，計(jì)算得到懸上振動(dòng)。

1.1 多體動(dòng)力學(xué)與有限元相結(jié)合的整機(jī)表面振動(dòng)仿真

多體動(dòng)力學(xué)（ MBD）與有限元（FEM）相結(jié)合的整機(jī)表面振動(dòng)分析流程如圖3所示。缸內(nèi)氣體壓力通過一維性能仿真得到。首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到機(jī)體受到的激勵(lì)載荷結(jié)果。然后建立整機(jī)有限元模型，并通過模態(tài)縮減法進(jìn)行模型縮減，得到方便計(jì)算的整機(jī)縮減模型。最后將缸壓和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)加載到整機(jī)縮減模型上，建立整機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)分析模型，得到整機(jī)振動(dòng)結(jié)果。通過整機(jī)振動(dòng)分析得到整機(jī)表面振動(dòng)速度，進(jìn)行邊界元分析，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲進(jìn)行分析計(jì)算^[4，5]。

整機(jī)激勵(lì)載荷分析過程說明如下：

1.缸壓激勵(lì)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力曲線可以通過一維性能仿真獲得。在有試驗(yàn)樣機(jī)的情況下，通過試驗(yàn)測試可以得到更為精確的缸壓激勵(lì)。

2.正時(shí)系統(tǒng)激勵(lì)

正時(shí)系統(tǒng)的激勵(lì)主要包括兩個(gè)部分：氣門落座的敲擊力、凸輪軸承對(duì)軸承座的載荷和氣門彈簧對(duì)彈簧座的激勵(lì)，正時(shí)鏈導(dǎo)板和張緊器的固定螺栓對(duì)缸體的激勵(lì)力。正時(shí)系統(tǒng)的激勵(lì)通過多體動(dòng)力學(xué)仿真分析得到。

3.活塞敲擊力激勵(lì)

活塞敲擊力是在缸內(nèi)爆發(fā)壓力的驅(qū)動(dòng)下，活塞隨曲柄連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)力去和由于問隙導(dǎo)致的拍擊力。為了精確計(jì)算活塞在氣缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，需要考慮活塞和缸套的輪廓以及熱變形。

4.曲軸主軸承載荷激勵(lì)

曲軸主軸承載荷是引起整機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要激勵(lì)源。主軸承載荷不單獨(dú)計(jì)算，在進(jìn)行整機(jī)振動(dòng)計(jì)算時(shí)自動(dòng)生成并加載在缸體軸承座對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

整機(jī)有限元模型的建立及模態(tài)縮減是重要的一環(huán)。

整機(jī)有限元模型包括缸體、缸蓋、下缸體、油底殼、鏈殼、缸蓋罩、各個(gè)附件、變速箱殼體、懸置、進(jìn)排氣歧管等。不包含曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣系統(tǒng)、前端帶系等運(yùn)動(dòng)件。整機(jī)有限元網(wǎng)格主要由實(shí)體單元和殼單元組成，主要連接螺栓用BEAM梁單元模擬。整機(jī)網(wǎng)格數(shù)90萬。

由于整機(jī)模型的網(wǎng)格數(shù)達(dá)到90萬，直接進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析計(jì)算量十分龐大。進(jìn)行模態(tài)縮減不僅可以大大縮減計(jì)算的時(shí)間，同時(shí)能夠保證計(jì)算精度。模態(tài)縮減法基于模態(tài)綜合理論^[6]。

1.2 整機(jī)振動(dòng)分析

結(jié)合動(dòng)力學(xué)，有限元模型的建立，可以計(jì)算得到需求轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下的懸置振動(dòng)。論文中以5000rpm，全負(fù)荷的懸置振動(dòng)輸出為例，進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別及敏感性分析。

2 基于系統(tǒng)識(shí)別的懸置振動(dòng)預(yù)測及驗(yàn)證

基于以上的分析，即得到了主軸承座力、閥系激勵(lì)、活塞激勵(lì)等載荷共同作用下的懸置振動(dòng)。

以激勵(lì)力作為輸入，懸上振動(dòng)作為輸出，進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別。

其中輸入48組，列舉主軸承座載荷、凸輪軸載荷，分別如圖5、圖6所示;輸出為懸置及缸體測點(diǎn)的振動(dòng)等，共計(jì)21組，如圖7所示，均為時(shí)域數(shù)據(jù)。

2.1 系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

基于MATLAB的system identification功能，對(duì)上述輸入、輸出進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸上振動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)是本次測試的被測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在MATLAB中結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別工具箱（System Identification Toolhox）開發(fā)，該系統(tǒng)的主要功能為對(duì)給定的振動(dòng)輸入輸出時(shí)程，選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)模型進(jìn)行識(shí)別。

工程應(yīng)用中，通常要求戶提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別，系統(tǒng)的擬合度達(dá)到85%。

基于MATLAB軟件，利用simulink中system identification功能，進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別程序的二次開發(fā)。分析界面如圖8所示。

該二次開發(fā)集成了數(shù)據(jù)輸入、系統(tǒng)識(shí)別，并支持線性、非線性等算法、求逆、敏感度分析等功能。本論文中，分析對(duì)象近似線性，故采用了線性系統(tǒng)識(shí)別算法，且進(jìn)行了各輸入的敏感性分析。

目前關(guān)于系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)原理比較成熟，如下。

（1）“線性輸入，輸出多項(xiàng)式模型（Linear input-output polynomial models）”是一類應(yīng)用最為廣泛的多輸人多輸出線性系統(tǒng)模型。對(duì)與大多數(shù)線性系統(tǒng)都能得到較好的辨識(shí)結(jié)果。

采用算子形式，可以將輸入輸出多項(xiàng)式模型表示為如下的形式：

式子中，u_i（t）是第i個(gè)輸入，n_u是輸入變量的個(gè)數(shù)，y（t）是輸出，e（t）是噪聲，nk_i是第i項(xiàng)輸入的延遲，A、C、D、B_i、F_i是多項(xiàng)式，q是時(shí)移算子：q^-ny（t）=y（t-nT）。

最常用的線性輸入/輸出多項(xiàng)式模型是ARX模型，ARX是簡化的線性輸入輸出多項(xiàng)式模型，其噪聲模型具有1/A形式，噪聲與系統(tǒng)相互耦合，適用于使用高信噪比的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。該模型表示為：

對(duì)于該模型，需要辨識(shí)的是多項(xiàng)式的系數(shù)。

（2）狀態(tài)空間模型使用狀態(tài)變量（SV）和一階差分（微分）方程組描述系統(tǒng)。狀態(tài)變量通過輸入輸出數(shù)據(jù)計(jì)算：

x（kT+T）=Ax（kT）+Bu（kT）+Ke（kT）

（4）

y（kT）=Cx（kT）+Du（kT）+e（kT）

（5）

x（0） =x₀

（6）

其中T是采樣周期，u（kT）是kT時(shí)間點(diǎn)的輸入，y（kT）是kT時(shí)間的輸出;x是一組狀態(tài)變量;A、B、C、D、K是矩陣需要識(shí)別的模型參數(shù)。

進(jìn)行懸置振動(dòng)的CAE預(yù)測分析時(shí)，是基于模態(tài)頻響算法，為線性分析，故本文中選擇state-spce狀態(tài)空間模型來進(jìn)行識(shí)別。

2.2 算法精度驗(yàn)證及效率提升

基于該算法，即實(shí)現(xiàn)了CAE的三維計(jì)算到O維公式算法，其精度保證，也是方法應(yīng)用的重要前提。

系統(tǒng)識(shí)別中validation模塊，可以對(duì)預(yù)測精度進(jìn)行初步確認(rèn)。如圖9所示，紅線是系統(tǒng)是系統(tǒng)識(shí)別算法計(jì)算的懸置振動(dòng)，與藍(lán)線有限元計(jì)算的結(jié)果幾乎重合，滿足工程應(yīng)用。

同時(shí)從3維到0維算法后，計(jì)算效率大大提升，由之前的一個(gè)工況10個(gè)小時(shí)，縮短為3分鐘，為參數(shù)優(yōu)化等分析提供了可行性。

3 懸置振動(dòng)敏感度分析

基于MATLAB的system idenlificafion功能，對(duì)上述輸入、輸出進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別。主要包括傳遞函數(shù)、貢獻(xiàn)度分析等，來評(píng)價(jià)各輸入的敏感性。

傳遞函數(shù)分析結(jié)果如圖10所示。橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為為單位載荷下的振動(dòng)響應(yīng)。在650Hz左右，有明顯峰值，與懸置支架模態(tài)共振吻合，這也表明提高剛度，改善共振，對(duì)降低振動(dòng)有著明顯的作用。

通過系統(tǒng)識(shí)別，可以得到各輸入的敏感性，見圖11所示，而后續(xù)懸置振動(dòng)的控制，則需要結(jié)合曲軸動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)行主軸承座載荷的控制，同時(shí)盡量提高模態(tài)，來降低共振。

結(jié)合上圖可知，主軸承座載荷為懸置振動(dòng)的主要激勵(lì)源，則缸壓、曲軸剛度等都是影響懸置振動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo)項(xiàng)，在分析中需予以管控。

4 改善效果

在機(jī)型開發(fā)中，通過曲軸剛度、懸置支架模態(tài)的提高，較好的改善了懸置振動(dòng)，如圖12所示。200～800Hz懸置振動(dòng)下降3～5dB左右，車內(nèi)噪聲，下降1.3dB（ A）。

5 主要結(jié)論

1.建立了動(dòng)力學(xué)計(jì)算激勵(lì)，在基于整機(jī)有限元模型，進(jìn)行懸上振動(dòng)的仿真方法。

2.建立了基于Matlab中system identification功能的系統(tǒng)識(shí)別程序開發(fā)，并且驗(yàn)證了算法精度，滿足開發(fā)需求。

3.通過系統(tǒng)識(shí)別發(fā)現(xiàn)，主軸承座載荷是懸置振動(dòng)的最敏感因素，而缸壓、曲軸的共振、懸置支架的共振均是懸置振動(dòng)控制的關(guān)鍵因素。為懸置振動(dòng)改進(jìn)提供了重要參考。

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