基于虛擬技術(shù)的車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲研究與優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在全球汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，汽車行業(yè)正經(jīng)歷著深刻變革，人們對汽車性能的要求日益嚴苛。作為汽車的核心部分，車用動力總成的性能直接關(guān)乎車輛的整體表現(xiàn)，其不僅要滿足動力性與經(jīng)濟性的要求，還需在振動噪聲控制方面達到更高標準。隨著汽車市場競爭愈發(fā)激烈，各大汽車制造商都在不遺余力地提升產(chǎn)品品質(zhì)，動力總成的振動噪聲問題已成為衡量汽車品質(zhì)的關(guān)鍵指標之一，對汽車的舒適性、可靠性以及市場競爭力有著深遠影響。振動噪聲問題給汽車帶來多方面的負面影響。從舒適性角度來看，動力總成產(chǎn)生的振動和噪聲會通過底盤、車身等部件傳遞至車內(nèi)，嚴重干擾駕駛員和乘客。車內(nèi)噪音過大會影響駕乘人員之間的交流，長時間處于這種環(huán)境中，還會使人產(chǎn)生疲勞、煩躁等不適感，降低出行體驗。振動也會讓駕乘人員感受到顛簸和搖晃，破壞車內(nèi)的舒適氛圍。以豪華轎車為例，消費者對其靜謐性和舒適性有著極高期望，若動力總成的振動噪聲問題得不到有效解決，即便車輛在其他方面表現(xiàn)出色，也難以滿足消費者需求，進而影響產(chǎn)品口碑和市場銷量。從可靠性層面分析，過度的振動可能引發(fā)動力總成部件的疲勞損壞。動力總成內(nèi)部的發(fā)動機、變速器、傳動系統(tǒng)等部件在運行時，本身就承受著復(fù)雜的載荷。若振動過大，這些部件所受的應(yīng)力會大幅增加，加速零部件的磨損和疲勞，縮短其使用壽命，增加維修成本和故障風(fēng)險。當(dāng)發(fā)動機的振動超出正常范圍，可能導(dǎo)致活塞、連桿等部件過早損壞，影響發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。在汽車設(shè)計研發(fā)階段，傳統(tǒng)的通過物理樣機測試來發(fā)現(xiàn)和解決振動噪聲問題的方法，成本高昂且周期漫長。制作物理樣機需要投入大量的人力、物力和時間，每次測試后若發(fā)現(xiàn)問題，對設(shè)計進行修改和優(yōu)化又要重復(fù)制作樣機和測試的過程，極大地增加了研發(fā)成本，延長了產(chǎn)品上市周期。虛擬預(yù)測與分析技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了新途徑。虛擬預(yù)測與分析技術(shù)基于計算機仿真和數(shù)值計算方法，能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段對動力總成的結(jié)構(gòu)振動噪聲特性進行精準預(yù)測和深入分析。借助該技術(shù)，工程師可以在計算機上構(gòu)建動力總成的虛擬模型，模擬其在各種工況下的運行狀態(tài)，提前獲取振動噪聲數(shù)據(jù)。在設(shè)計新車型的動力總成時，利用有限元分析軟件對發(fā)動機缸體進行模態(tài)分析，預(yù)測其固有頻率和振型，判斷是否存在共振風(fēng)險；通過多體動力學(xué)仿真，模擬動力總成在不同行駛工況下的動態(tài)響應(yīng)，分析振動傳遞路徑和噪聲輻射特性。基于這些預(yù)測結(jié)果，工程師能夠有針對性地優(yōu)化設(shè)計方案，如調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)、改進材料選擇、優(yōu)化零部件布局等，有效降低振動噪聲水平。這不僅能減少物理樣機的制作次數(shù)和試驗成本，還能顯著縮短研發(fā)周期，使產(chǎn)品更快地推向市場，增強企業(yè)的市場競爭力。綜上所述，研究車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲的虛擬預(yù)測與分析技術(shù)，對于提升汽車性能、改善駕乘體驗、降低研發(fā)成本以及增強汽車企業(yè)的市場競爭力都具有重要意義，是推動汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲虛擬預(yù)測與分析技術(shù)的研究起步較早，取得了豐碩成果。美國、德國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其汽車企業(yè)和科研機構(gòu)投入大量資源，開展深入研究。美國通用汽車公司運用先進的多體動力學(xué)仿真技術(shù)，對動力總成在各種工況下的動態(tài)響應(yīng)進行精確模擬。通過建立高精度的動力總成多體動力學(xué)模型，考慮發(fā)動機、變速器、傳動系統(tǒng)等部件之間的復(fù)雜相互作用，以及各部件的彈性變形和非線性特性，有效預(yù)測了動力總成的振動傳遞路徑和振動量級。研究結(jié)果表明，在特定工況下，動力總成的某些部件振動幅值超出設(shè)計預(yù)期，可能導(dǎo)致零部件疲勞損壞和車內(nèi)振動噪聲加劇?；诖?，通用汽車對動力總成的結(jié)構(gòu)和懸置系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整了關(guān)鍵部件的剛度和阻尼參數(shù)，改進了懸置系統(tǒng)的布局和隔振性能。優(yōu)化后，動力總成的振動得到有效抑制，車內(nèi)振動噪聲水平顯著降低，提升了車輛的舒適性和可靠性。德國寶馬公司采用有限元法與邊界元法相結(jié)合的方法，對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)噪聲進行深入研究。利用有限元軟件對發(fā)動機缸體、缸蓋等部件進行細致的網(wǎng)格劃分和模態(tài)分析，獲取部件的固有頻率和振型。在此基礎(chǔ)上，通過邊界元法計算發(fā)動機表面的振動速度，并將其作為邊界條件，求解發(fā)動機的輻射噪聲。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機在中高頻段的噪聲主要由某些薄壁部件的振動引起。針對這一問題，寶馬公司采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和添加阻尼材料的方法進行改進。對薄壁部件的結(jié)構(gòu)進行加強，增加其剛度，同時在關(guān)鍵部位添加高阻尼材料，有效抑制了部件的振動，降低了發(fā)動機的輻射噪聲，提升了車輛的靜謐性。日本豐田汽車公司則專注于動力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，通過虛擬仿真技術(shù)研究懸置系統(tǒng)的隔振性能。建立動力總成-懸置-車身的耦合動力學(xué)模型，考慮懸置系統(tǒng)的非線性特性和不同工況下的激勵，分析懸置系統(tǒng)對振動傳遞的影響。研究結(jié)果顯示，懸置系統(tǒng)的剛度和阻尼匹配不合理會導(dǎo)致振動傳遞率增加，影響車內(nèi)舒適性。豐田汽車根據(jù)仿真結(jié)果，對懸置系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，采用新型的橡膠材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了懸置系統(tǒng)的隔振效果，有效減少了動力總成振動向車身的傳遞，降低了車內(nèi)噪聲水平。國內(nèi)在車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲虛擬預(yù)測與分析技術(shù)方面的研究雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，各大汽車企業(yè)和科研院校加大了對該領(lǐng)域的研究投入，取得了一系列具有重要應(yīng)用價值的成果。清華大學(xué)在動力總成振動噪聲預(yù)測與控制方面開展了大量前沿研究工作。采用數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合的方法，對混合動力汽車動力總成的振動噪聲特性進行深入分析。建立混合動力汽車動力總成的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型，考慮發(fā)動機、電機、變速器等部件的協(xié)同工作以及不同工況下的激勵，通過數(shù)值模擬預(yù)測動力總成的振動響應(yīng)和噪聲輻射。同時，搭建混合動力汽車動力總成試驗平臺，進行實際工況下的振動噪聲測試，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。研究發(fā)現(xiàn)，混合動力汽車在發(fā)動機與電機切換工況下，動力總成會產(chǎn)生較大的振動和噪聲。針對這一問題，清華大學(xué)提出了基于主動控制技術(shù)的振動噪聲抑制方法，通過在動力總成關(guān)鍵部位安裝傳感器和執(zhí)行器，實時監(jiān)測振動信號并反饋控制執(zhí)行器產(chǎn)生反向作用力，有效抑制了動力總成在切換工況下的振動和噪聲，提升了混合動力汽車的舒適性和性能。吉林大學(xué)則在動力總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面取得了顯著進展。利用拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化技術(shù)，對發(fā)動機缸體、變速器殼體等關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以降低部件的振動響應(yīng)和輻射噪聲。通過建立發(fā)動機缸體的有限元模型，將振動響應(yīng)和輻射噪聲作為優(yōu)化目標，以材料體積分數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸為約束條件，采用拓撲優(yōu)化算法對缸體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，去除不必要的材料，優(yōu)化材料分布，提高缸體的剛度和強度，降低振動響應(yīng)。同時，采用形狀優(yōu)化技術(shù)對變速器殼體的外形進行優(yōu)化，減少其振動模態(tài)與激勵頻率的耦合，降低輻射噪聲。優(yōu)化后的發(fā)動機缸體和變速器殼體在保證結(jié)構(gòu)強度和功能的前提下，振動響應(yīng)和輻射噪聲明顯降低，提高了動力總成的整體性能。上海交通大學(xué)針對電動汽車動力總成的電磁振動噪聲問題展開深入研究。建立電動汽車動力總成的電磁-機械耦合模型，考慮電機的電磁激勵、結(jié)構(gòu)振動以及兩者之間的相互作用，通過數(shù)值模擬分析電磁振動噪聲的產(chǎn)生機理和傳播特性。研究表明，電機的電磁力諧波是導(dǎo)致動力總成電磁振動噪聲的主要原因之一?；诖?，上海交通大學(xué)提出了優(yōu)化電機電磁設(shè)計和采用電磁屏蔽技術(shù)的方法來降低電磁振動噪聲。通過優(yōu)化電機的繞組布局、磁極形狀等參數(shù)，減少電磁力諧波的產(chǎn)生；同時，在電機周圍設(shè)置電磁屏蔽層，有效阻擋電磁干擾的傳播，降低了動力總成的電磁振動噪聲，提高了電動汽車的NVH性能。盡管國內(nèi)外在車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲虛擬預(yù)測與分析技術(shù)方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在模型精度方面，雖然現(xiàn)有的建模方法能夠考慮多種因素，但在處理復(fù)雜的非線性問題和多物理場耦合問題時，模型的精度仍有待提高。例如，在動力總成的實際運行中，部件之間的接觸非線性、材料的非線性以及熱-結(jié)構(gòu)-聲學(xué)等多物理場的耦合作用非常復(fù)雜，目前的模型難以準確描述這些現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際情況存在一定偏差。在計算效率方面，隨著模型復(fù)雜度的增加，計算量大幅上升，計算時間過長，難以滿足工程實際中快速迭代設(shè)計的需求。特別是在進行整車級別的動力總成振動噪聲分析時，由于涉及大量的部件和復(fù)雜的工況，計算效率問題更加突出。此外，在試驗驗證方面，雖然試驗技術(shù)不斷發(fā)展，但仍存在一些困難。例如，在模擬動力總成的極端工況時，試驗條件難以精確控制，試驗結(jié)果的準確性和重復(fù)性受到影響，這也限制了虛擬預(yù)測與分析技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要研究內(nèi)容圍繞車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲的虛擬預(yù)測與分析技術(shù)展開，從理論分析、模型建立、仿真計算到實驗驗證，進行全方位、多層次的研究。在理論分析層面，深入剖析車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲的產(chǎn)生機理，全面梳理其傳遞路徑。詳細分析發(fā)動機內(nèi)部活塞、曲軸、連桿等運動部件在工作過程中產(chǎn)生的周期性激勵力，這些激勵力如何引發(fā)發(fā)動機機體的振動，并進一步通過發(fā)動機懸置系統(tǒng)傳遞至車身。研究變速器齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的沖擊和振動，以及它們在傳動系統(tǒng)中的傳播特性，明確不同激勵源在不同工況下對動力總成振動噪聲的貢獻程度。同時，深入研究振動噪聲的傳播特性，包括結(jié)構(gòu)傳播和空氣傳播兩種方式，分析振動在不同材料和結(jié)構(gòu)中的衰減規(guī)律，以及噪聲在空氣中的輻射特性，為后續(xù)的虛擬預(yù)測與分析提供堅實的理論基礎(chǔ)。在模型建立階段，運用先進的建模技術(shù)，構(gòu)建高精度的動力總成多體動力學(xué)模型和有限元模型。在多體動力學(xué)模型構(gòu)建中，充分考慮發(fā)動機、變速器、傳動系統(tǒng)等部件之間的復(fù)雜連接關(guān)系和相互作用，將各個部件視為剛體或柔性體，通過合適的約束和力元來模擬部件之間的連接和載荷傳遞。采用多柔體動力學(xué)方法，考慮關(guān)鍵部件的彈性變形，如發(fā)動機缸體、變速器殼體等，以更準確地描述動力總成在復(fù)雜工況下的動態(tài)響應(yīng)。在有限元模型建立時，對動力總成的關(guān)鍵部件進行精細的網(wǎng)格劃分，確保模型能夠準確反映部件的幾何形狀和力學(xué)特性。針對發(fā)動機缸體，采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，保證網(wǎng)格質(zhì)量和計算精度?？紤]材料的非線性特性，如材料的塑性變形和疲勞特性，以及部件之間的接觸非線性，模擬部件之間的接觸狀態(tài)和力的傳遞，提高模型的準確性和可靠性。利用專業(yè)的仿真軟件，對動力總成在多種工況下的振動噪聲進行全面的仿真計算。運用多體動力學(xué)仿真軟件，模擬動力總成在怠速、加速、勻速行駛等不同工況下的動態(tài)響應(yīng)，獲取各部件的位移、速度、加速度等運動參數(shù)，分析動力總成的整體振動特性。通過有限元分析軟件，計算動力總成關(guān)鍵部件的應(yīng)力、應(yīng)變分布，評估部件的強度和疲勞壽命。采用邊界元法或統(tǒng)計能量分析法，預(yù)測動力總成的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，分析噪聲的頻率特性和空間分布，確定主要的噪聲源和噪聲傳播路徑。在仿真過程中，考慮多種因素對振動噪聲的影響，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負載、路面不平度等，通過參數(shù)化分析，研究這些因素對動力總成振動噪聲的影響規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。為驗證虛擬預(yù)測與分析技術(shù)的準確性和可靠性，精心設(shè)計并開展一系列實驗。搭建動力總成振動噪聲測試實驗平臺，采用先進的傳感器技術(shù)，如加速度傳感器、力傳感器、聲壓傳感器等，準確測量動力總成在實際工況下的振動和噪聲數(shù)據(jù)。在發(fā)動機缸體、變速器殼體等關(guān)鍵部位布置加速度傳感器，測量部件的振動響應(yīng)；在車內(nèi)和車外合適位置布置聲壓傳感器，采集噪聲信號。通過實驗，獲取動力總成在不同工況下的振動噪聲數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進行詳細對比分析?；趯Ρ冉Y(jié)果，對模型進行修正和完善，提高模型的精度和可靠性。利用實驗數(shù)據(jù)驗證仿真模型的有效性，為虛擬預(yù)測與分析技術(shù)的實際應(yīng)用提供有力支持。在研究方法上，采用理論分析、數(shù)值仿真和實驗驗證相結(jié)合的綜合研究方法。理論分析為整個研究提供基礎(chǔ)和指導(dǎo)，通過對振動噪聲產(chǎn)生機理和傳播特性的深入研究，明確研究方向和重點。數(shù)值仿真作為核心研究手段，利用計算機強大的計算能力，對動力總成的復(fù)雜動態(tài)行為進行模擬分析，快速獲取大量的性能數(shù)據(jù)，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。實驗驗證則是檢驗理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果的重要手段，通過實際測量獲取真實數(shù)據(jù)，確保研究結(jié)果的準確性和可靠性。將理論分析、數(shù)值仿真和實驗驗證有機結(jié)合，相互驗證、相互補充，形成一個完整的研究體系，確保研究工作的科學(xué)性和有效性。二、車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲基礎(chǔ)2.1車用動力總成系統(tǒng)組成車用動力總成作為汽車的核心部件，猶如汽車的“心臟”與“動力傳輸中樞”，對汽車的動力性、經(jīng)濟性、舒適性以及可靠性起著決定性作用。它主要涵蓋發(fā)動機、變速器、驅(qū)動軸和萬向節(jié)等關(guān)鍵部件，這些部件緊密協(xié)作，共同實現(xiàn)動力的產(chǎn)生、傳遞與轉(zhuǎn)換，確保汽車的正常行駛。發(fā)動機作為動力總成的動力源，是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的關(guān)鍵裝置。其工作原理基于一系列復(fù)雜的機械運動和能量轉(zhuǎn)換過程。以常見的四沖程汽油發(fā)動機為例，它的工作循環(huán)由進氣、壓縮、做功和排氣四個沖程構(gòu)成。在進氣沖程，活塞向下運動，進氣門開啟，空氣與燃油的混合氣被吸入氣缸；壓縮沖程中，活塞向上運動，進氣門和排氣門均關(guān)閉，混合氣被壓縮，溫度和壓力升高；做功沖程時，火花塞點燃混合氣，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動活塞向下運動，通過連桿帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，輸出機械能；排氣沖程里，活塞向上運動，排氣門開啟，燃燒后的廢氣排出氣缸。發(fā)動機內(nèi)部的活塞、曲軸、連桿等運動部件在高速運轉(zhuǎn)過程中，承受著巨大的機械應(yīng)力和熱負荷，它們的精確設(shè)計和制造工藝直接影響發(fā)動機的性能和可靠性。變速器在動力總成中扮演著調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩，以適應(yīng)不同行駛工況需求的重要角色。它主要由齒輪、軸、同步器和箱體等部件組成。通過不同齒輪的嚙合組合，變速器能夠?qū)崿F(xiàn)多個傳動比的切換。在汽車起步時，需要較大的扭矩，變速器會選擇較低的傳動比，使發(fā)動機輸出的扭矩得以放大，驅(qū)動汽車順利起步；在高速行駛時，為了降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，提高燃油經(jīng)濟性，變速器會切換到較高的傳動比。手動變速器通過駕駛員手動操作換擋桿實現(xiàn)換擋，駕駛員需要根據(jù)路況和車速準確判斷換擋時機，操作相對復(fù)雜，但具有較高的駕駛樂趣和操控性；自動變速器則利用液壓控制系統(tǒng)或電子控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)換擋，駕駛更加輕松便捷，但在傳動效率和成本方面存在一定的局限性。近年來，隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了雙離合變速器（DCT）和無級變速器（CVT）等新型變速器。雙離合變速器結(jié)合了手動變速器和自動變速器的優(yōu)點，具有換擋速度快、傳動效率高的特點；無級變速器則通過鋼帶或鏈條在兩個可變直徑的帶輪之間傳遞動力，實現(xiàn)了傳動比的連續(xù)變化，使汽車的加速更加平穩(wěn)，燃油經(jīng)濟性更好。驅(qū)動軸負責(zé)將變速器輸出的動力傳遞到驅(qū)動輪，它通常由傳動軸和萬向節(jié)組成。傳動軸是一根實心或空心的軸，具有較高的強度和剛度，能夠承受較大的扭矩。在前置后驅(qū)的汽車中，傳動軸將變速器輸出的動力傳遞到后橋的差速器；在前置前驅(qū)或后置后驅(qū)的汽車中，傳動軸則將動力傳遞到前橋或后橋的驅(qū)動輪。萬向節(jié)的作用是在傳動軸與變速器或驅(qū)動輪之間傳遞動力時，能夠適應(yīng)兩者之間的相對位置變化和角度變化。由于汽車在行駛過程中，懸架系統(tǒng)會隨著路面不平而上下運動，導(dǎo)致傳動軸與變速器或驅(qū)動輪之間的夾角不斷變化，萬向節(jié)能夠保證動力的平穩(wěn)傳遞，避免因角度變化而產(chǎn)生的動力損失和振動。常見的萬向節(jié)有十字軸式萬向節(jié)和等速萬向節(jié)。十字軸式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但在傳遞動力時會產(chǎn)生一定的不等速性；等速萬向節(jié)則能夠保證在任何角度下都能實現(xiàn)等速傳動，廣泛應(yīng)用于前置前驅(qū)和四輪驅(qū)動的汽車中。萬向節(jié)作為連接傳動軸與其他部件的關(guān)鍵元件，在動力傳遞過程中起著至關(guān)重要的作用。除了前面提到的適應(yīng)角度變化的功能外，萬向節(jié)還能夠吸收和緩沖因路面沖擊和動力傳遞不平穩(wěn)而產(chǎn)生的振動和沖擊，保護傳動系統(tǒng)的其他部件免受損壞。在一些高性能汽車或越野汽車中，對萬向節(jié)的性能要求更高，需要采用更加先進的材料和制造工藝，以確保其在惡劣工況下的可靠性和耐久性。這些部件在動力傳輸過程中緊密相連，相互協(xié)作。發(fā)動機產(chǎn)生的動力首先傳遞到變速器，變速器根據(jù)行駛工況對動力進行調(diào)節(jié)后，通過驅(qū)動軸和萬向節(jié)將動力傳遞到驅(qū)動輪，驅(qū)動汽車行駛。任何一個部件出現(xiàn)故障或性能不佳，都可能影響整個動力總成的工作效率和汽車的行駛性能。若發(fā)動機的燃燒效率低下，會導(dǎo)致動力輸出不足，影響汽車的加速性能和最高車速；變速器的換擋不順暢，會產(chǎn)生頓挫感，降低駕駛舒適性；驅(qū)動軸或萬向節(jié)的損壞，會導(dǎo)致動力傳遞中斷，使汽車無法正常行駛。2.2結(jié)構(gòu)振動和噪聲的產(chǎn)生原理機械振動，是指物體在平衡位置附近做往復(fù)運動的現(xiàn)象，這是一種常見的物理現(xiàn)象，廣泛存在于自然界和各種工程領(lǐng)域中。其運動狀態(tài)可由位移、速度和加速度等物理量來描述。當(dāng)一個質(zhì)量塊連接在彈簧上，并受到外部激勵時，質(zhì)量塊就會在彈簧的彈性力作用下，圍繞平衡位置做往復(fù)振動，這是機械振動的一個簡單模型。在車用動力總成中，機械振動的產(chǎn)生源于各構(gòu)件之間復(fù)雜的相互作用。以發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)為例，該機構(gòu)由活塞、連桿和曲軸等部件組成。活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運動，連桿則將活塞的直線運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。在這個過程中，活塞的往復(fù)運動產(chǎn)生了慣性力，由于活塞的運動速度和加速度是不斷變化的，在加速階段，活塞的加速度方向與運動方向相同，慣性力較?。欢跍p速階段，加速度方向與運動方向相反，慣性力增大。這種慣性力會通過連桿傳遞到曲軸上，使曲軸受到周期性的扭轉(zhuǎn)和彎曲作用，從而引發(fā)曲軸的振動。同時，燃燒過程中產(chǎn)生的氣體壓力也會對活塞和曲軸產(chǎn)生沖擊作用。當(dāng)火花塞點燃混合氣時，氣缸內(nèi)的氣體迅速膨脹，產(chǎn)生高溫高壓的氣體，這些氣體對活塞頂部施加巨大的壓力，推動活塞向下運動。在這個過程中，氣體壓力的變化是非常劇烈的，會對活塞和曲軸產(chǎn)生瞬間的沖擊，進一步加劇了曲柄連桿機構(gòu)的振動。變速器中的齒輪嚙合過程也是產(chǎn)生振動的重要原因。由于齒輪在制造和裝配過程中不可避免地存在誤差，如齒形誤差、齒距誤差和安裝偏心等，這些誤差會導(dǎo)致齒輪在嚙合時，齒面間的接觸力分布不均勻。在齒輪嚙合的起始階段，由于齒形誤差的存在，齒面間的接觸點可能不在理想的嚙合線上，從而產(chǎn)生額外的沖擊力；隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，齒距誤差會使齒面間的接觸力發(fā)生周期性變化，當(dāng)一個齒距較大的齒輪與另一個齒距較小的齒輪嚙合時，在嚙合點處會產(chǎn)生較大的沖擊和振動。這些不均勻的接觸力會使齒輪產(chǎn)生振動，并通過軸和軸承傳遞到變速器殼體上。此外，齒輪在高速旋轉(zhuǎn)時，還會受到離心力的作用，離心力的大小與齒輪的轉(zhuǎn)速和質(zhì)量分布有關(guān)。當(dāng)齒輪的質(zhì)量分布不均勻時，離心力會使齒輪產(chǎn)生不平衡振動，進一步加劇了變速器的振動。振動是噪聲產(chǎn)生的根源，當(dāng)動力總成部件發(fā)生振動時，會引起周圍空氣的振動，進而產(chǎn)生聲波，形成噪聲。以發(fā)動機為例，發(fā)動機工作時產(chǎn)生的振動通過發(fā)動機機體傳遞到周圍空氣中，使空氣分子產(chǎn)生疏密變化，形成縱波，即聲波。噪聲的特性，包括頻率、幅值和相位等，與振動的特性密切相關(guān)。振動的頻率決定了噪聲的音調(diào)高低，高頻振動產(chǎn)生高音調(diào)的噪聲，而低頻振動產(chǎn)生低音調(diào)的噪聲。發(fā)動機中活塞的高速往復(fù)運動，會產(chǎn)生高頻的振動，從而導(dǎo)致發(fā)動機發(fā)出尖銳的噪聲；而曲軸的低速旋轉(zhuǎn)振動，會產(chǎn)生低頻的噪聲，使發(fā)動機發(fā)出低沉的轟鳴聲。振動的幅值則影響噪聲的響度，幅值越大，噪聲越響亮。當(dāng)發(fā)動機在高負荷工況下運行時，各部件所受的力增大，振動幅值也相應(yīng)增大，此時發(fā)動機發(fā)出的噪聲會更加響亮。不同頻率的噪聲對人的聽覺感受和車內(nèi)環(huán)境有著不同的影響。低頻噪聲，頻率范圍通常在20Hz-200Hz之間，如發(fā)動機的轟鳴聲，雖然聽起來較為低沉，但容易使人產(chǎn)生疲勞和不適感，長時間暴露在低頻噪聲環(huán)境中，還可能對人的心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。中頻噪聲，頻率范圍在200Hz-2000Hz之間，如變速器齒輪嚙合產(chǎn)生的噪聲，較為尖銳，會干擾車內(nèi)人員的交談和聽覺感受，影響駕駛舒適性。高頻噪聲，頻率高于2000Hz，如一些電子設(shè)備發(fā)出的尖銳噪聲，會讓人感到煩躁和不安，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致聽力下降。2.3噪聲產(chǎn)生的主要來源2.3.1發(fā)動機激勵發(fā)動機作為汽車動力的核心來源，其內(nèi)部復(fù)雜的運動過程和強烈的能量轉(zhuǎn)換是產(chǎn)生振動噪聲的主要源頭。在發(fā)動機內(nèi)部，活塞、曲軸、連桿等運動部件的高速運轉(zhuǎn)，以及氣體爆發(fā)壓力、活塞側(cè)向拍擊力等因素，都對振動噪聲的產(chǎn)生有著至關(guān)重要的影響。活塞在氣缸內(nèi)進行高速往復(fù)直線運動，其運動速度和加速度呈現(xiàn)出復(fù)雜的周期性變化。在一個工作循環(huán)中，活塞從氣缸頂部運動到底部，再從底部返回頂部，這個過程中，活塞的速度和加速度不斷改變。在行程的兩端，活塞需要瞬間改變運動方向，這就導(dǎo)致其加速度急劇變化，產(chǎn)生較大的慣性力。根據(jù)牛頓第二定律F=ma（其中F為慣性力，m為活塞質(zhì)量，a為加速度），活塞質(zhì)量雖然相對較小，但由于加速度的瞬間變化非常大，因此產(chǎn)生的慣性力不容小覷。這種慣性力會通過連桿傳遞到曲軸上，使曲軸受到周期性的沖擊和扭轉(zhuǎn)作用，進而引發(fā)曲軸的振動。在四沖程發(fā)動機中，活塞每完成一次往復(fù)運動，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，活塞的慣性力就會對曲軸產(chǎn)生兩次沖擊，這種周期性的沖擊是導(dǎo)致曲軸振動的重要原因之一。曲軸在工作過程中，不僅要承受活塞通過連桿傳遞的慣性力，還要承受自身旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力。曲軸是一個高速旋轉(zhuǎn)的部件，其轉(zhuǎn)速通常在每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)甚至更高。由于曲軸的質(zhì)量分布并非完全均勻，在高速旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生離心力。離心力的大小與曲軸的轉(zhuǎn)速的平方成正比，與質(zhì)量分布的不均勻程度也密切相關(guān)。當(dāng)曲軸的質(zhì)量分布不均勻時，離心力會使曲軸產(chǎn)生彎曲變形，從而引發(fā)振動。曲軸的各個曲拐在制造和裝配過程中，可能存在尺寸偏差和位置偏差，這些偏差會導(dǎo)致曲軸的質(zhì)量分布不均勻，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大的離心力，加劇曲軸的振動。連桿作為連接活塞和曲軸的重要部件，在發(fā)動機工作過程中起到了傳遞力和運動的關(guān)鍵作用。連桿在工作時，既受到活塞傳來的往復(fù)慣性力，又受到曲軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力，這兩種力的共同作用使得連桿承受著復(fù)雜的交變載荷。由于連桿的結(jié)構(gòu)并非完全剛性，在交變載荷的作用下，會產(chǎn)生彈性變形，這種變形會導(dǎo)致連桿的長度和角度發(fā)生微小變化，進而影響活塞和曲軸的運動精度，引發(fā)振動。連桿的材料性能、制造工藝以及裝配質(zhì)量等因素，也會對連桿的受力和變形情況產(chǎn)生影響，從而間接影響發(fā)動機的振動噪聲水平。若連桿的材料強度不足，在承受較大載荷時容易發(fā)生變形甚至斷裂；制造工藝不佳，會導(dǎo)致連桿的尺寸精度和表面質(zhì)量不高，增加其在工作時的磨損和振動；裝配質(zhì)量不好，會使連桿與活塞、曲軸之間的配合精度下降，產(chǎn)生額外的沖擊和振動。氣體爆發(fā)壓力是發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的另一個重要激勵源。當(dāng)火花塞點燃混合氣時，氣缸內(nèi)的氣體迅速燃燒膨脹，產(chǎn)生高溫高壓的氣體。這些氣體對活塞頂部施加巨大的壓力，推動活塞向下運動。氣體爆發(fā)壓力的大小和變化規(guī)律與發(fā)動機的燃燒過程密切相關(guān)，在燃燒初期，氣體爆發(fā)壓力迅速上升，達到峰值后逐漸下降。這種急劇變化的氣體爆發(fā)壓力會對活塞和曲軸產(chǎn)生強烈的沖擊作用，使發(fā)動機產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲。在發(fā)動機的高負荷工況下，混合氣的燃燒更加劇烈，氣體爆發(fā)壓力的峰值更高，對發(fā)動機的沖擊也更大，此時發(fā)動機的振動噪聲會明顯增大?；钊麄?cè)向拍擊力也是導(dǎo)致發(fā)動機振動噪聲的一個重要因素。在發(fā)動機工作過程中，活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運動時，由于活塞與氣缸壁之間存在一定的間隙，活塞會在氣缸內(nèi)發(fā)生擺動，從而產(chǎn)生側(cè)向力。當(dāng)活塞從一個方向運動到另一個方向時，活塞的側(cè)面會與氣缸壁發(fā)生撞擊，產(chǎn)生側(cè)向拍擊力。這種側(cè)向拍擊力會引起氣缸壁的振動，并通過氣缸體傳遞到發(fā)動機的其他部件，進而產(chǎn)生噪聲。活塞與氣缸壁之間的間隙大小、活塞的形狀和表面質(zhì)量以及潤滑條件等因素，都會影響活塞側(cè)向拍擊力的大小。若活塞與氣缸壁之間的間隙過大，活塞在運動過程中的擺動幅度會增大，側(cè)向拍擊力也會相應(yīng)增大；活塞的形狀設(shè)計不合理或表面質(zhì)量不高，會導(dǎo)致活塞與氣缸壁之間的接觸不均勻，增加側(cè)向拍擊力；潤滑條件不好，會使活塞與氣缸壁之間的摩擦力增大，也會加劇側(cè)向拍擊力的產(chǎn)生。2.3.2變速器影響變速器作為動力總成的關(guān)鍵部件之一，在汽車的動力傳輸和換擋過程中，會產(chǎn)生振動和噪聲，對動力總成整體的振動噪聲水平有著顯著影響。變速器內(nèi)部的齒輪嚙合過程是產(chǎn)生振動和噪聲的主要原因之一。齒輪在制造和裝配過程中，不可避免地會存在各種誤差，如齒形誤差、齒距誤差、安裝偏心等。這些誤差會導(dǎo)致齒輪在嚙合時，齒面間的接觸力分布不均勻，從而產(chǎn)生振動和噪聲。齒形誤差會使齒輪在嚙合時，齒面間的接觸點不在理想的嚙合線上，從而產(chǎn)生額外的沖擊力；齒距誤差會使齒輪在嚙合過程中，齒面間的接觸力發(fā)生周期性變化，當(dāng)一個齒距較大的齒輪與另一個齒距較小的齒輪嚙合時，在嚙合點處會產(chǎn)生較大的沖擊和振動。齒輪在高速旋轉(zhuǎn)時，還會受到離心力的作用。當(dāng)齒輪的質(zhì)量分布不均勻時，離心力會使齒輪產(chǎn)生不平衡振動，進一步加劇了變速器的振動和噪聲。換擋操作也是變速器產(chǎn)生振動和噪聲的一個重要因素。在換擋過程中，需要通過同步器使待嚙合的齒輪達到相同的轉(zhuǎn)速，以便順利實現(xiàn)換擋。然而，在實際操作中，由于駕駛員的操作習(xí)慣、換擋時機的把握以及同步器的性能等因素的影響，換擋過程可能會出現(xiàn)沖擊和頓挫現(xiàn)象，從而產(chǎn)生振動和噪聲。當(dāng)駕駛員在換擋時操作不熟練，未能準確把握換擋時機，導(dǎo)致待嚙合的齒輪轉(zhuǎn)速不匹配時，在換擋瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊力，使變速器產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲；同步器的性能不佳，如同步時間過長、同步力不足等，也會導(dǎo)致?lián)Q擋過程不平穩(wěn)，產(chǎn)生振動和噪聲。變速器的潤滑條件對其振動噪聲也有著重要影響。良好的潤滑可以減少齒輪、軸承等部件之間的摩擦和磨損，降低振動和噪聲的產(chǎn)生。若潤滑不足或潤滑油的質(zhì)量不佳，會導(dǎo)致部件之間的摩擦增大，產(chǎn)生熱量和磨損，進而引發(fā)振動和噪聲。當(dāng)變速器內(nèi)的潤滑油量不足時，齒輪和軸承等部件無法得到充分的潤滑，在高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生干摩擦，導(dǎo)致溫度升高，磨損加劇，產(chǎn)生強烈的振動和噪聲；潤滑油的粘度不合適，在低溫環(huán)境下粘度太大，流動性差，無法及時到達各個潤滑部位，也會增加部件之間的摩擦和磨損，產(chǎn)生振動和噪聲。變速器的箱體結(jié)構(gòu)和剛度也會影響其振動噪聲水平。變速器箱體是支撐和保護內(nèi)部零部件的重要結(jié)構(gòu)，其剛度和阻尼特性對振動的傳遞和輻射有著重要影響。若箱體的剛度不足，在受到內(nèi)部部件的振動激勵時，會產(chǎn)生較大的變形和振動，從而輻射出噪聲。箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，如壁厚不均勻、加強筋布置不當(dāng)?shù)?，會?dǎo)致箱體的剛度分布不均勻，在某些部位容易產(chǎn)生共振，進一步加劇振動和噪聲的產(chǎn)生。2.3.3傳動系統(tǒng)作用傳動系統(tǒng)在動力傳輸過程中，由于驅(qū)動軸、萬向節(jié)等部件的工作特性和狀態(tài)變化，會產(chǎn)生振動噪聲，對整車的舒適性和性能產(chǎn)生影響。驅(qū)動軸在工作時，需要高速旋轉(zhuǎn)并傳遞扭矩。由于制造工藝、材料特性以及裝配誤差等因素的影響，驅(qū)動軸可能存在不平衡現(xiàn)象。當(dāng)驅(qū)動軸不平衡時，在高速旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生離心力，這個離心力會使驅(qū)動軸產(chǎn)生振動。離心力的大小與驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速的平方成正比，與不平衡質(zhì)量和不平衡半徑的乘積成正比。當(dāng)驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速較高時，即使是微小的不平衡量也會產(chǎn)生較大的離心力，從而引發(fā)強烈的振動。這種振動不僅會通過傳動系統(tǒng)傳遞到車身，影響駕乘舒適性，還會導(dǎo)致驅(qū)動軸及其相關(guān)部件的疲勞損壞，降低傳動系統(tǒng)的可靠性。在一些后驅(qū)汽車中，由于驅(qū)動軸較長，更容易出現(xiàn)不平衡問題，在高速行駛時，會感覺到明顯的車身振動和噪聲。萬向節(jié)作為連接驅(qū)動軸和其他部件的關(guān)鍵元件，在動力傳輸過程中起著重要作用。它需要在不同角度和工況下實現(xiàn)動力的平穩(wěn)傳遞。然而，萬向節(jié)在工作過程中，由于自身結(jié)構(gòu)特點和工作條件的限制，會產(chǎn)生一定的振動和噪聲。十字軸式萬向節(jié)在傳遞動力時，會存在不等速性，即輸出軸的轉(zhuǎn)速會隨著輸入軸的轉(zhuǎn)角變化而產(chǎn)生波動。這種不等速性會導(dǎo)致傳動系統(tǒng)產(chǎn)生周期性的沖擊和振動，進而產(chǎn)生噪聲。萬向節(jié)的磨損、潤滑不良以及安裝不當(dāng)?shù)葐栴}，也會加劇其振動和噪聲的產(chǎn)生。當(dāng)萬向節(jié)的十字軸磨損嚴重時，會導(dǎo)致其與萬向節(jié)叉之間的間隙增大，在傳遞動力時會產(chǎn)生松動和沖擊，產(chǎn)生較大的噪聲；萬向節(jié)的潤滑不足，會使各部件之間的摩擦增大，產(chǎn)生熱量和磨損，進一步加劇振動和噪聲。傳動系統(tǒng)中的其他部件，如差速器、半軸等，也會對振動噪聲產(chǎn)生一定的影響。差速器在工作時，需要根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)，將發(fā)動機的扭矩合理地分配到左右驅(qū)動輪上。在這個過程中，差速器內(nèi)部的齒輪嚙合和行星齒輪的運動，會產(chǎn)生一定的振動和噪聲。半軸作為連接差速器和驅(qū)動輪的部件，在傳遞扭矩時，也會因為自身的變形和受力不均勻而產(chǎn)生振動。這些部件產(chǎn)生的振動和噪聲，會與驅(qū)動軸和萬向節(jié)產(chǎn)生的振動噪聲相互疊加，共同影響整車的振動噪聲水平。三、虛擬預(yù)測技術(shù)原理與方法3.1有限元法基本原理與應(yīng)用有限元法作為一種高效且常用的數(shù)值計算方法，在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲的虛擬預(yù)測與分析中，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其基本原理是將一個原本連續(xù)的求解區(qū)域，通過離散化的方式，分割成有限個相互連接的單元，這些單元通過節(jié)點彼此相連，共同構(gòu)成一個離散的計算模型。在這個模型中，每個單元都具有相對簡單的形狀和特性，通過對這些單元進行單獨的分析和求解，并考慮它們之間的相互作用，最終能夠得到整個連續(xù)體的近似解。這種從局部到整體的分析思路，極大地簡化了復(fù)雜問題的求解過程，使得對各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和物理現(xiàn)象的分析成為可能。以求解一個二維彈性力學(xué)問題為例，假設(shè)我們有一個形狀復(fù)雜的彈性體，受到各種外力的作用。在使用有限元法時，首先將這個彈性體劃分成若干個三角形或四邊形單元，這些單元的頂點就是節(jié)點。對于每個單元，根據(jù)彈性力學(xué)的基本原理，建立其力學(xué)平衡方程。在建立方程的過程中，需要考慮單元的材料特性、幾何形狀以及所受到的外力等因素。通過引入合適的插值函數(shù)，將單元內(nèi)任意點的位移表示為節(jié)點位移的函數(shù)，從而將連續(xù)的位移場離散化。基于虛功原理或變分原理，將這些單元的力學(xué)平衡方程組合起來，形成一個以節(jié)點位移為未知量的線性代數(shù)方程組。這個方程組反映了整個彈性體在外部載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，通過求解這個方程組，就可以得到各個節(jié)點的位移值。一旦得到節(jié)點位移，就可以進一步計算出單元內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變等物理量，從而全面了解彈性體的力學(xué)行為。在車用動力總成部件的模態(tài)分析中，有限元法同樣發(fā)揮著重要作用。模態(tài)分析的主要目的是確定動力總成部件的固有頻率和振型，這些參數(shù)對于理解部件的振動特性至關(guān)重要。通過建立動力總成部件的有限元模型，如發(fā)動機缸體、變速器殼體等，對模型施加合適的邊界條件，然后求解特征值問題，就可以得到部件的固有頻率和相應(yīng)的振型。在建立發(fā)動機缸體的有限元模型時，需要對缸體的幾何形狀進行精確建模，考慮其內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如氣缸、水套、油道等。合理劃分網(wǎng)格，確保網(wǎng)格的質(zhì)量和密度能夠準確反映缸體的力學(xué)特性。通過模態(tài)分析得到的固有頻率和振型信息，可以幫助工程師評估部件在不同工況下的振動風(fēng)險，判斷是否會發(fā)生共振現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)某個固有頻率與發(fā)動機的工作頻率接近，就需要采取相應(yīng)的措施，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)整材料參數(shù)等，以避免共振的發(fā)生，提高部件的可靠性和耐久性。在振動響應(yīng)預(yù)測方面，有限元法能夠考慮多種復(fù)雜因素，如材料非線性、接觸非線性等，從而更準確地模擬動力總成在實際工況下的振動情況。材料非線性是指材料的力學(xué)性能隨著應(yīng)力、應(yīng)變的變化而發(fā)生改變，如金屬材料在高應(yīng)力下可能會出現(xiàn)塑性變形，其彈性模量和屈服強度等參數(shù)會發(fā)生變化。在有限元模型中考慮材料非線性，需要采用合適的本構(gòu)模型來描述材料的力學(xué)行為，如塑性力學(xué)中的屈服準則和硬化規(guī)律等。接觸非線性則是指部件之間的接觸狀態(tài)在振動過程中會發(fā)生變化，接觸力的大小和分布也會隨之改變。在動力總成中，發(fā)動機與變速器之間的連接部位、齒輪與齒輪之間的嚙合部位等都存在接觸非線性問題。為了準確模擬這些接觸非線性現(xiàn)象，在有限元分析中需要采用接觸單元來模擬部件之間的接觸行為，考慮接觸表面的摩擦、分離和穿透等情況。通過考慮這些復(fù)雜因素，有限元法能夠更真實地預(yù)測動力總成在不同工況下的振動響應(yīng)，為振動噪聲的控制和優(yōu)化提供更可靠的依據(jù)。在汽車加速工況下，通過有限元分析可以預(yù)測發(fā)動機和變速器的振動響應(yīng)，分析振動傳遞路徑和關(guān)鍵部位的振動幅值，從而為優(yōu)化懸置系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)，以降低振動噪聲的產(chǎn)生。3.2聲學(xué)有限元法在噪聲預(yù)測中的應(yīng)用聲學(xué)有限元法是一種強大的數(shù)值計算方法，在噪聲預(yù)測領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其核心在于將連續(xù)的聲學(xué)求解區(qū)域離散化為有限個單元，通過構(gòu)建單元的聲學(xué)特性方程，并考慮各單元之間的相互連接和作用，最終形成整個求解區(qū)域的聲學(xué)模型，進而求解出該區(qū)域內(nèi)的聲學(xué)物理量，如聲壓、聲速等，實現(xiàn)對噪聲特性的預(yù)測和分析。在實際應(yīng)用中，將聲學(xué)有限元法用于動力總成結(jié)構(gòu)噪聲輻射預(yù)測時，需要經(jīng)歷多個關(guān)鍵步驟。首先是模型離散化，借助專業(yè)的網(wǎng)格劃分技術(shù)，將動力總成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及周圍的聲學(xué)空間劃分成大量的小單元。這些單元的形狀和尺寸需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何特征和聲學(xué)分析的精度要求進行合理選擇。對于動力總成的關(guān)鍵部件，如發(fā)動機缸體、變速器殼體等，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對噪聲輻射影響較大，通常采用較為精細的網(wǎng)格劃分，以準確捕捉結(jié)構(gòu)的細節(jié)和聲學(xué)特性的變化；而對于遠離噪聲源且聲學(xué)特性變化相對平緩的區(qū)域，可以采用相對較粗的網(wǎng)格，以減少計算量。在劃分發(fā)動機缸體的聲學(xué)有限元模型時，對于缸體的薄壁部位、內(nèi)部的氣道和油道等關(guān)鍵區(qū)域，采用尺寸較小的四面體單元進行網(wǎng)格劃分，保證網(wǎng)格能夠準確描述這些區(qū)域的幾何形狀和聲學(xué)特性；而對于缸體周圍的空氣區(qū)域，在遠離缸體的部分，可以適當(dāng)增大單元尺寸，采用較大的六面體單元進行劃分。建立聲學(xué)有限元方程是該方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基于聲學(xué)波動方程以及相應(yīng)的邊界條件，為每個單元建立聲學(xué)方程。聲學(xué)波動方程描述了聲波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，而邊界條件則考慮了結(jié)構(gòu)表面與周圍介質(zhì)的相互作用，如聲壓的連續(xù)性、法向聲速的關(guān)系等。通過對所有單元的聲學(xué)方程進行組裝，形成整個模型的聲學(xué)有限元方程組。在建立動力總成結(jié)構(gòu)噪聲輻射預(yù)測模型時，對于動力總成部件的表面，需要考慮其與空氣的接觸邊界條件，假設(shè)部件表面為剛性邊界，即聲壓在邊界上滿足一定的連續(xù)性條件，法向聲速為零；對于模型的外部邊界，根據(jù)實際情況可以采用無限元或吸收邊界條件，以模擬聲波在無限空間中的傳播或減少邊界反射對計算結(jié)果的影響。求解方程組是獲得噪聲預(yù)測結(jié)果的重要步驟。運用合適的數(shù)值求解算法，對聲學(xué)有限元方程組進行求解，得到各個單元節(jié)點上的聲學(xué)物理量，如聲壓值。常見的求解算法包括直接求解法和迭代求解法。直接求解法如高斯消去法，適用于規(guī)模較小的方程組，能夠直接得到精確解；而迭代求解法如共軛梯度法，對于大規(guī)模的方程組具有更高的計算效率，通過不斷迭代逼近精確解。在動力總成結(jié)構(gòu)噪聲輻射預(yù)測中，由于模型通常較為復(fù)雜，涉及大量的單元和節(jié)點，因此迭代求解法更為常用。通過求解得到的聲壓值，可以進一步計算出聲功率、聲強等噪聲特性參數(shù)，從而全面評估動力總成的噪聲輻射情況。聲學(xué)有限元法在動力總成結(jié)構(gòu)噪聲輻射預(yù)測中具有顯著優(yōu)勢。它能夠精確處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，對于動力總成這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、包含眾多零部件且邊界條件多樣的系統(tǒng)，聲學(xué)有限元法能夠準確地描述其聲學(xué)特性。通過精細的網(wǎng)格劃分和合理的邊界條件設(shè)置，可以準確模擬動力總成各部件的振動對周圍空氣的激勵，以及聲波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播和反射，從而提高噪聲預(yù)測的準確性。與其他方法相比，聲學(xué)有限元法能夠考慮更多的實際因素，如材料的聲學(xué)特性、結(jié)構(gòu)的阻尼等，使預(yù)測結(jié)果更接近實際情況。在考慮動力總成部件的材料阻尼時，聲學(xué)有限元法可以通過在聲學(xué)方程中引入相應(yīng)的阻尼項，準確模擬阻尼對噪聲傳播和衰減的影響，而一些簡化的預(yù)測方法可能無法全面考慮這些因素，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際存在較大偏差。聲學(xué)有限元法在動力總成結(jié)構(gòu)噪聲輻射預(yù)測中有著廣泛的應(yīng)用場景。在汽車設(shè)計階段，工程師可以利用該方法對不同設(shè)計方案的動力總成進行噪聲預(yù)測，評估不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料選擇和布局對噪聲輻射的影響，從而優(yōu)化設(shè)計方案，降低動力總成的噪聲水平。在某款新車型的動力總成設(shè)計中，通過聲學(xué)有限元法對不同發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)和變速器齒輪參數(shù)進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化缸體的壁厚分布和齒輪的齒形參數(shù)可以有效降低動力總成在特定工況下的噪聲輻射，為實際設(shè)計提供了重要依據(jù)。聲學(xué)有限元法還可以用于動力總成噪聲源的識別和定位。通過對不同位置的聲壓分布進行分析，確定主要的噪聲源位置和傳播路徑，為噪聲控制措施的制定提供指導(dǎo)。在動力總成的噪聲控制研究中，通過聲學(xué)有限元法分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的進氣口和變速器的輸出軸附近是主要的噪聲源區(qū)域，針對這些區(qū)域采取隔音、減振等措施，可以有效降低動力總成的整體噪聲水平。3.3多體動力學(xué)模型構(gòu)建與分析在構(gòu)建動力總成系統(tǒng)剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型時，需綜合考慮多方面因素。首先，要對動力總成中的各個部件進行精準的物理建模。將發(fā)動機視為由多個剛體部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其中活塞、連桿、曲軸等作為獨立的剛體，通過合適的運動副和約束來模擬它們之間的連接和相對運動關(guān)系。活塞與連桿通過活塞銷連接，可將其模擬為轉(zhuǎn)動副，以準確描述活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)化為連桿的擺動；連桿與曲軸之間通過曲柄銷連接，同樣采用轉(zhuǎn)動副來模擬連桿帶動曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。對于變速器，可將齒輪、軸、同步器等部件分別建模為剛體，通過齒輪副來模擬齒輪之間的嚙合傳動，考慮齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角等參數(shù)，以精確描述齒輪傳動過程中的運動和受力情況；用移動副模擬同步器的換擋動作，體現(xiàn)其在換擋過程中實現(xiàn)齒輪同步和傳遞扭矩的功能。在處理一些關(guān)鍵部件時，考慮其柔性特性至關(guān)重要。發(fā)動機缸體和變速器殼體在實際工作中會發(fā)生彈性變形，這些變形對動力總成的動態(tài)響應(yīng)有著不可忽視的影響。利用有限元方法對這些部件進行模態(tài)分析，獲取其模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率和振型。這些模態(tài)參數(shù)反映了部件的彈性特性，是將其轉(zhuǎn)化為柔性體的關(guān)鍵依據(jù)。通過模態(tài)綜合技術(shù)，將有限元模型中的模態(tài)信息引入多體動力學(xué)模型中，實現(xiàn)剛體與柔性體的耦合。在ADAMS軟件中，可通過導(dǎo)入ANSYS軟件生成的模態(tài)中性文件（MNF）來實現(xiàn)這一過程。MNF文件包含了部件的模態(tài)信息、質(zhì)量分布、剛度矩陣等數(shù)據(jù)，ADAMS軟件讀取這些數(shù)據(jù)后，能夠在多體動力學(xué)模型中準確模擬柔性體的彈性變形和動態(tài)響應(yīng)。路譜輸入在整車模態(tài)響應(yīng)和噪聲輻射模擬中起著關(guān)鍵作用。實際車輛行駛過程中，路面不平度會通過輪胎傳遞到懸架系統(tǒng)，進而激勵動力總成產(chǎn)生振動。通過采集不同路況下的實際路譜數(shù)據(jù)，如城市道路、高速公路、鄉(xiāng)村土路等，利用濾波和插值等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將這些路譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合多體動力學(xué)模型輸入的形式。在多體動力學(xué)模型中，將處理后的路譜數(shù)據(jù)作為激勵輸入，施加到輪胎與路面接觸點處，模擬車輛在實際行駛過程中的振動激勵。結(jié)合路譜輸入進行整車模態(tài)響應(yīng)和噪聲輻射模擬具有重要意義。通過模擬，可以獲取整車在不同路況下的振動特性，包括動力總成各部件的位移、速度、加速度等響應(yīng)信息，以及車身結(jié)構(gòu)的振動情況。分析這些響應(yīng)信息，能夠明確振動的傳遞路徑和關(guān)鍵部位，找出振動能量集中的區(qū)域和傳遞效率較高的路徑。在某車型的模擬分析中，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的振動通過懸置系統(tǒng)傳遞到車身時，在特定頻率下，懸置系統(tǒng)的某個方向剛度不足，導(dǎo)致振動傳遞率較高，使得車身的某些部位產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)。基于此分析結(jié)果，可以針對性地優(yōu)化懸置系統(tǒng)的剛度和阻尼參數(shù)，調(diào)整懸置的布局和安裝方式，以降低振動傳遞率，減少車身的振動響應(yīng)。通過模擬還能預(yù)測噪聲輻射情況，確定主要的噪聲源和噪聲傳播路徑。利用聲學(xué)有限元法或邊界元法，將多體動力學(xué)模型計算得到的振動響應(yīng)作為邊界條件，計算動力總成和車身表面的聲壓分布，進而得到整車的噪聲輻射特性。在模擬某款SUV車型時，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的進氣噪聲和變速器的齒輪嚙合噪聲是車內(nèi)噪聲的主要來源，且噪聲通過車身的縫隙和孔洞傳播到車內(nèi)。根據(jù)這一結(jié)果，可以采取相應(yīng)的降噪措施，如優(yōu)化進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)性能，采用隔音材料對變速器進行包裹，以及加強車身的密封性能，堵塞噪聲傳播路徑，從而有效降低車內(nèi)噪聲水平，提升整車的舒適性。四、虛擬預(yù)測技術(shù)實例分析4.1某車型動力總成模型建立以某款暢銷的家用轎車為例，該車型搭載一臺1.5L自然吸氣發(fā)動機，匹配6速手動變速器，在市場上具有較高的保有量和廣泛的用戶群體，其動力總成的振動噪聲特性對整車的舒適性和性能有著重要影響，因此對其進行虛擬預(yù)測與分析具有重要的實際意義。在建立該車型動力總成各部件的有限元模型時，首先對發(fā)動機缸體的幾何模型進行處理。由于發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部包含氣缸、水套、油道等眾多精細結(jié)構(gòu)，為了提高計算效率和準確性，需要對幾何模型進行合理簡化。去除一些對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小的細微特征，如鑄造圓角、工藝孔等，但保留關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)特征，如氣缸壁、主軸承座等。利用三維建模軟件，如UG、CATIA等，對簡化后的發(fā)動機缸體進行精確建模，確保模型的幾何形狀與實際部件一致。在建模過程中，嚴格按照設(shè)計圖紙的尺寸進行繪制，保證模型的精度。對于氣缸的內(nèi)徑、活塞的行程等關(guān)鍵尺寸，進行多次核對，確保無誤。設(shè)定材料參數(shù)是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)。發(fā)動機缸體通常采用鋁合金材料，根據(jù)材料手冊和實際測試數(shù)據(jù)，確定其彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，密度為2700kg/m3。這些材料參數(shù)直接影響模型的力學(xué)性能計算結(jié)果，因此必須準確可靠。對于其他部件，如活塞采用鋁合金材料，其彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)也根據(jù)實際情況進行設(shè)定；連桿采用高強度合金鋼，具有較高的強度和韌性，相應(yīng)的材料參數(shù)也進行了合理取值。在對發(fā)動機缸體進行網(wǎng)格劃分時，為了保證計算精度，采用六面體單元進行劃分。六面體單元具有較好的形狀規(guī)則性和計算精度，能夠更準確地模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。在關(guān)鍵部位，如氣缸壁、主軸承座等，適當(dāng)加密網(wǎng)格，以提高對這些部位應(yīng)力和應(yīng)變的計算精度。通過調(diào)整網(wǎng)格尺寸和劃分方式，對不同的網(wǎng)格方案進行對比分析，最終確定了一種既能保證計算精度，又能控制計算量的網(wǎng)格劃分方案。在該方案下，發(fā)動機缸體的網(wǎng)格數(shù)量達到了50萬個，網(wǎng)格質(zhì)量良好，最小內(nèi)角大于30°，最大翹曲度小于15%，滿足有限元分析的要求。對于變速器，同樣進行了詳細的有限元模型建立。在幾何模型處理方面，對變速器的齒輪、軸、同步器、箱體等部件進行精確建模，考慮到齒輪的齒形、模數(shù)、齒數(shù)等參數(shù)對變速器性能的重要影響，在建模過程中對這些參數(shù)進行了準確描述。對于齒輪的齒形，采用漸開線齒形進行建模，確保齒輪嚙合的準確性；對于軸的直徑、長度等尺寸，嚴格按照設(shè)計圖紙進行繪制。在材料參數(shù)設(shè)定上，齒輪和軸采用高強度合金鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3；變速器箱體采用鋁合金材料，其材料參數(shù)與發(fā)動機缸體的鋁合金材料類似，但根據(jù)實際情況進行了微調(diào)。在網(wǎng)格劃分時，對于齒輪的齒面和齒根等關(guān)鍵部位，采用精細的網(wǎng)格劃分，以準確計算齒輪在嚙合過程中的應(yīng)力和變形；對于軸和箱體，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和受力情況，合理分布網(wǎng)格，保證模型的計算精度和效率。在建立驅(qū)動軸和萬向節(jié)的有限元模型時，考慮到驅(qū)動軸的細長結(jié)構(gòu)和萬向節(jié)的復(fù)雜連接方式，采用梁單元和接觸單元相結(jié)合的方法進行建模。對于驅(qū)動軸，將其簡化為梁單元，根據(jù)其材料特性和幾何尺寸，設(shè)定相應(yīng)的梁單元參數(shù)。對于萬向節(jié)，采用接觸單元來模擬其與驅(qū)動軸和其他部件之間的連接，考慮接觸表面的摩擦、分離和穿透等情況，準確模擬萬向節(jié)在動力傳輸過程中的力學(xué)行為。在材料參數(shù)方面，驅(qū)動軸和萬向節(jié)均采用高強度合金鋼，其材料參數(shù)與變速器中的齒輪和軸類似。通過合理的幾何模型處理、材料參數(shù)設(shè)定和網(wǎng)格劃分，建立了高精度的驅(qū)動軸和萬向節(jié)有限元模型，為后續(xù)的虛擬預(yù)測與分析提供了可靠的基礎(chǔ)。4.2模型參數(shù)設(shè)定與激勵加載在完成動力總成各部件有限元模型的建立后，精準設(shè)定模型參數(shù)和合理加載激勵是進行虛擬預(yù)測與分析的關(guān)鍵步驟。這些參數(shù)和激勵的設(shè)置直接影響到仿真結(jié)果的準確性和可靠性，對于深入理解動力總成的振動噪聲特性至關(guān)重要。在模型參數(shù)設(shè)定方面，連接參數(shù)的確定是一個復(fù)雜而關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。以發(fā)動機懸置系統(tǒng)為例，懸置的剛度和阻尼參數(shù)對動力總成的振動傳遞有著重要影響。發(fā)動機懸置系統(tǒng)通常采用橡膠懸置，其剛度和阻尼特性是通過實驗測試和經(jīng)驗公式相結(jié)合的方式來確定的。通過對不同橡膠材料的力學(xué)性能測試，獲取其彈性模量、剪切模量等參數(shù)，再根據(jù)懸置的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，利用相關(guān)的彈性力學(xué)公式計算出懸置的剛度。在確定阻尼參數(shù)時，考慮到橡膠材料的粘彈性特性，采用動態(tài)力學(xué)分析（DMA）等實驗方法，測量橡膠在不同頻率和溫度下的損耗因子，以此為依據(jù)確定阻尼系數(shù)。在某款發(fā)動機懸置系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定中，通過實驗測試得到橡膠材料的彈性模量為5MPa，剪切模量為2MPa，根據(jù)懸置的結(jié)構(gòu)尺寸計算出其在三個方向上的剛度分別為：垂直方向5000N/m，橫向3000N/m，縱向4000N/m；阻尼系數(shù)在垂直方向為100Ns/m，橫向80Ns/m，縱向90Ns/m。這些參數(shù)的準確設(shè)定，能夠更真實地模擬發(fā)動機懸置系統(tǒng)在實際工作中的隔振性能，為后續(xù)的振動分析提供可靠的基礎(chǔ)。材料屬性的設(shè)定同樣不容忽視。發(fā)動機缸體常用的鋁合金材料，其彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)的準確取值對模型的力學(xué)性能計算結(jié)果有著直接影響。根據(jù)材料手冊和實際測試數(shù)據(jù)，該鋁合金材料的彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，密度為2700kg/m3。對于變速器齒輪，采用高強度合金鋼，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。這些材料屬性的精確設(shè)定，能夠保證模型在受力分析時準確反映部件的力學(xué)響應(yīng)，提高仿真結(jié)果的準確性。在激勵加載方面，發(fā)動機激勵的加載是模擬動力總成振動噪聲的重要環(huán)節(jié)。發(fā)動機激勵主要包括氣體爆發(fā)壓力、慣性力等。氣體爆發(fā)壓力是發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的瞬時高壓，其加載方式較為復(fù)雜。通常通過實驗測量獲取發(fā)動機在不同工況下的氣體爆發(fā)壓力曲線，再將這些曲線作為載荷輸入到有限元模型中。在某工況下，發(fā)動機的氣體爆發(fā)壓力在活塞下行過程中迅速上升，達到峰值10MPa后逐漸下降，在一個工作循環(huán)內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的周期性變化。將這樣的氣體爆發(fā)壓力曲線按照活塞的運動規(guī)律加載到發(fā)動機缸體的活塞頂部，能夠準確模擬氣體爆發(fā)壓力對缸體的沖擊作用。慣性力的加載則根據(jù)活塞、曲軸、連桿等運動部件的質(zhì)量和運動加速度來計算。通過多體動力學(xué)分析，獲取各運動部件在不同時刻的加速度，再根據(jù)牛頓第二定律F=ma（其中F為慣性力，m為部件質(zhì)量，a為加速度）計算出慣性力的大小和方向。在發(fā)動機的高速運轉(zhuǎn)工況下，活塞的加速度可達數(shù)千m/s2，根據(jù)活塞質(zhì)量計算出的慣性力對動力總成的振動有著重要影響。將計算得到的慣性力加載到相應(yīng)的部件上，能夠模擬運動部件的慣性作用對動力總成振動的激勵。對于變速器激勵，齒輪嚙合時產(chǎn)生的動態(tài)嚙合力是主要的激勵源。動態(tài)嚙合力的加載需要考慮齒輪的嚙合頻率、齒面摩擦力以及齒輪的制造誤差等因素。通過齒輪動力學(xué)分析，計算出不同工況下齒輪的動態(tài)嚙合力，再將其加載到變速器齒輪的齒面上。在變速器的換擋過程中，由于齒輪轉(zhuǎn)速的變化和同步器的作用，動態(tài)嚙合力會發(fā)生劇烈變化，將這種變化的動態(tài)嚙合力準確加載到模型中，能夠模擬換擋過程對變速器振動噪聲的影響。傳動系統(tǒng)激勵主要來自驅(qū)動軸的不平衡力和萬向節(jié)的不等速性。驅(qū)動軸的不平衡力根據(jù)其不平衡質(zhì)量和轉(zhuǎn)速來計算，通過動平衡測試獲取驅(qū)動軸的不平衡質(zhì)量和位置，根據(jù)公式F=mω2r（其中F為不平衡力，m為不平衡質(zhì)量，ω為角速度，r為不平衡半徑）計算出不平衡力的大小。在某高速行駛工況下，驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速為3000r/min，不平衡質(zhì)量為0.1kg，不平衡半徑為0.01m，計算得到不平衡力為314N。將這個不平衡力加載到驅(qū)動軸上，能夠模擬驅(qū)動軸不平衡對傳動系統(tǒng)振動的影響。萬向節(jié)的不等速性則通過建立萬向節(jié)的運動學(xué)模型，計算出輸出軸的轉(zhuǎn)速波動，將這種轉(zhuǎn)速波動轉(zhuǎn)化為激勵力加載到傳動系統(tǒng)中，以模擬萬向節(jié)不等速性對振動噪聲的影響。4.3振動噪聲虛擬預(yù)測結(jié)果分析通過對某車型動力總成在不同工況下的虛擬預(yù)測，得到了豐富的振動響應(yīng)和聲輻射結(jié)果，這些結(jié)果為深入分析動力總成的振動噪聲特性與規(guī)律提供了重要依據(jù)。在怠速工況下，動力總成的振動響應(yīng)相對較小，但仍存在一些值得關(guān)注的問題。從振動響應(yīng)云圖可以看出，發(fā)動機缸體的某些部位，如氣缸蓋與缸體的結(jié)合處、主軸承座附近，振動幅值相對較大。這是因為在怠速工況下，雖然發(fā)動機的轉(zhuǎn)速較低，但由于活塞的往復(fù)運動和燃燒過程的周期性，仍然會產(chǎn)生一定的激勵力，這些激勵力在缸體的局部區(qū)域引起了較大的振動響應(yīng)。在氣缸蓋與缸體的結(jié)合處，由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和剛度變化，振動能量容易在此處聚集，導(dǎo)致振動幅值增大；主軸承座附近則承受著曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性力和活塞連桿機構(gòu)的作用力，這些力的作用使得主軸承座附近的振動響應(yīng)較為明顯。從噪聲輻射云圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的進氣口和排氣口附近是主要的噪聲源區(qū)域。這是因為在怠速工況下，發(fā)動機的進氣和排氣過程會產(chǎn)生氣流脈動，這些脈動氣流在進出發(fā)動機時，與進氣管道和排氣管道的壁面相互作用，產(chǎn)生噪聲。進氣口的噪聲主要是由于空氣高速進入發(fā)動機時，在進氣口處形成的湍流和壓力波動引起的；排氣口的噪聲則主要是由于高溫高壓的廢氣排出發(fā)動機時，在排氣口處產(chǎn)生的激波和膨脹波引起的。這些噪聲會通過空氣傳播，對車內(nèi)和車外的噪聲環(huán)境產(chǎn)生影響。在加速工況下，動力總成的振動響應(yīng)和聲輻射明顯增大。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的迅速提高，活塞、曲軸等運動部件的慣性力和加速度急劇增大，導(dǎo)致動力總成的振動響應(yīng)顯著增強。從振動響應(yīng)云圖可以看到，發(fā)動機缸體、變速器殼體以及驅(qū)動軸等部件的振動幅值都有較大幅度的增加。發(fā)動機缸體在加速工況下，受到的氣體爆發(fā)壓力和慣性力的作用更加劇烈，使得缸體的振動響應(yīng)在多個方向上都有明顯增大；變速器殼體則由于齒輪的高速嚙合和換擋過程中的沖擊，振動響應(yīng)也明顯增強；驅(qū)動軸在加速工況下，承受的扭矩和轉(zhuǎn)速的變化更加頻繁，其不平衡力和彎曲應(yīng)力也相應(yīng)增大，導(dǎo)致振動響應(yīng)增大。噪聲輻射也隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而顯著增加。在加速工況下，發(fā)動機的燃燒過程更加劇烈，產(chǎn)生的噪聲能量也更大。除了進氣口和排氣口的噪聲進一步增大外，發(fā)動機缸體和變速器殼體等部件的振動也會輻射出更多的噪聲。發(fā)動機缸體的振動會通過周圍的空氣傳播，形成結(jié)構(gòu)噪聲；變速器殼體的振動則會通過齒輪嚙合和軸的轉(zhuǎn)動，將噪聲傳遞到周圍的空氣中。這些噪聲相互疊加，使得車內(nèi)和車外的噪聲水平明顯升高，對駕乘舒適性產(chǎn)生較大影響。在勻速行駛工況下，動力總成的振動響應(yīng)和聲輻射相對較為穩(wěn)定。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速保持在一定范圍內(nèi)，各部件的受力狀態(tài)相對穩(wěn)定，因此振動響應(yīng)和聲輻射也相對較小且穩(wěn)定。從振動響應(yīng)云圖可以看出，動力總成各部件的振動幅值相對較小，且分布較為均勻。發(fā)動機缸體的振動主要集中在一些關(guān)鍵部位，如活塞運動區(qū)域和曲軸支承部位，但振動幅值明顯小于加速工況；變速器殼體的振動也相對較小，齒輪的嚙合噪聲和軸的轉(zhuǎn)動噪聲相對穩(wěn)定。噪聲輻射云圖顯示，此時的主要噪聲源仍然是發(fā)動機的進氣口和排氣口，但噪聲強度相對加速工況有所降低。在勻速行駛工況下，發(fā)動機的進氣和排氣過程相對平穩(wěn)，氣流脈動較小，因此進氣口和排氣口的噪聲也相對較小。動力總成其他部件的振動輻射噪聲也相對穩(wěn)定，對車內(nèi)和車外的噪聲環(huán)境影響較小，車內(nèi)的噪聲水平相對較低，駕乘舒適性較好。通過對不同工況下動力總成振動噪聲的分析，可以總結(jié)出一些規(guī)律。振動響應(yīng)和聲輻射與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，振動響應(yīng)和聲輻射越大。不同工況下，動力總成的主要振動部位和噪聲源有所不同。在怠速工況下，主要振動部位集中在發(fā)動機缸體的局部區(qū)域，主要噪聲源是進氣口和排氣口；在加速工況下，動力總成各部件的振動響應(yīng)都明顯增大，噪聲源除了進氣口和排氣口外，發(fā)動機缸體和變速器殼體等部件的振動輻射噪聲也顯著增加；在勻速行駛工況下，動力總成的振動響應(yīng)和聲輻射相對穩(wěn)定，主要噪聲源仍然是進氣口和排氣口，但噪聲強度相對較低。五、實驗驗證與對比分析5.1實驗方案設(shè)計與實施為了驗證虛擬預(yù)測與分析技術(shù)的準確性和可靠性，針對某車型動力總成振動噪聲開展了一系列實驗。實驗在專業(yè)的汽車測試實驗室中進行，實驗室配備了先進的測試設(shè)備和完善的測試環(huán)境，能夠模擬各種實際工況，確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性。在實驗設(shè)備選擇方面，選用了高精度的加速度傳感器和聲學(xué)傳感器。加速度傳感器采用德國某知名品牌的ICP型加速度傳感器，該傳感器具有高精度、高靈敏度和寬頻率響應(yīng)范圍的特點，能夠準確測量動力總成各部件的振動加速度。其頻率響應(yīng)范圍為0.5Hz-10kHz，靈敏度為100mV/g，測量精度可達±1%。聲學(xué)傳感器則選用丹麥某品牌的1/2英寸自由場預(yù)極化電容式傳聲器，該傳聲器在聲學(xué)測量領(lǐng)域具有卓越的性能，頻率響應(yīng)平坦，在20Hz-20kHz的頻率范圍內(nèi)，靈敏度變化小于±1dB，能夠精確采集動力總成產(chǎn)生的噪聲信號。為了保證傳感器的測量精度，在實驗前對所有傳感器進行了嚴格的校準，采用標準振動臺和標準聲源對加速度傳感器和聲傳感器進行校準，確保傳感器的測量誤差在允許范圍內(nèi)。測點布置是實驗方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在動力總成的關(guān)鍵部件上布置加速度傳感器，以測量部件的振動響應(yīng)。在發(fā)動機缸體的氣缸蓋、主軸承座、油底殼等部位，以及變速器殼體的輸入軸、輸出軸、齒輪箱等部位均布置了加速度傳感器。這些部位是動力總成振動的主要部位，通過測量這些部位的振動響應(yīng)，可以全面了解動力總成的振動特性。在發(fā)動機缸體的氣缸蓋中心位置布置一個加速度傳感器，用于測量氣缸蓋在垂直方向的振動加速度；在主軸承座的側(cè)面布置兩個加速度傳感器，分別測量主軸承座在水平和垂直方向的振動加速度，以獲取主軸承座在不同方向上的振動情況。在車內(nèi)和車外的關(guān)鍵位置布置聲學(xué)傳感器，用于采集噪聲信號。在駕駛員右耳位置、副駕駛員右耳位置以及后排乘客左耳位置各布置一個聲學(xué)傳感器，以測量車內(nèi)不同位置的噪聲水平，評估噪聲對駕乘人員的影響。在車外，距離車輛1m處，圍繞車輛四周均勻布置四個聲學(xué)傳感器，分別測量車輛前方、后方、左側(cè)和右側(cè)的噪聲，分析噪聲在車外的傳播特性。測試工況設(shè)定參考了實際駕駛過程中的常見工況，包括怠速、加速、勻速行駛和減速等工況。在怠速工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在800r/min，變速器處于空檔，車輛靜止，測量動力總成在穩(wěn)定怠速狀態(tài)下的振動噪聲。在加速工況下，將變速器掛入一檔，緩慢踩下油門踏板，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速逐漸升高到3000r/min，記錄加速過程中動力總成的振動噪聲變化。在勻速行駛工況下，將變速器掛入合適檔位，使車輛保持60km/h的速度勻速行駛，測量動力總成在穩(wěn)定行駛狀態(tài)下的振動噪聲。在減速工況下，松開油門踏板，讓車輛自然減速，記錄減速過程中動力總成的振動噪聲變化。每個工況重復(fù)測試三次，取平均值作為測試結(jié)果，以提高實驗數(shù)據(jù)的可靠性。在實驗實施過程中，嚴格按照實驗方案進行操作。在安裝傳感器時，確保傳感器與被測部件緊密接觸，安裝位置準確無誤，避免因傳感器安裝不當(dāng)而影響測量結(jié)果。在測試過程中，實時監(jiān)測傳感器的測量數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。對測試過程中出現(xiàn)的異常情況，及時進行分析和處理，保證實驗的順利進行。在加速工況測試時，若發(fā)現(xiàn)某個傳感器測量的振動加速度異常增大，立即停止測試，檢查傳感器的安裝和連接情況，排除故障后重新進行測試。5.2實驗數(shù)據(jù)采集與處理在完成實驗方案設(shè)計與實施后，準確采集和有效處理實驗數(shù)據(jù)是驗證虛擬預(yù)測結(jié)果的關(guān)鍵步驟。通過精心布置的傳感器，成功采集到動力總成在不同工況下的振動和噪聲數(shù)據(jù)，隨后運用多種信號處理技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行深入分析，以獲取有價值的信息。在振動數(shù)據(jù)采集方面，加速度傳感器按照預(yù)定的測點布置方案，緊密安裝在動力總成的關(guān)鍵部件上。在發(fā)動機缸體的氣缸蓋、主軸承座、油底殼等部位，以及變速器殼體的輸入軸、輸出軸、齒輪箱等部位，加速度傳感器精準地捕捉到部件的振動加速度信號。這些信號以電信號的形式輸出，通過專用的信號傳輸線連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高速、高精度的采集卡，能夠以高達10kHz的采樣頻率對振動信號進行采集，確保能夠捕捉到振動信號的高頻成分。在采集過程中，為了避免信號干擾，對信號傳輸線進行了良好的屏蔽處理，并采用差分輸入方式，提高信號的抗干擾能力。噪聲數(shù)據(jù)采集同樣嚴格按照測點布置方案進行。在車內(nèi)，聲學(xué)傳感器被精確放置在駕駛員右耳位置、副駕駛員右耳位置以及后排乘客左耳位置，用于測量車內(nèi)不同位置的噪聲水平；在車外，距離車輛1m處，圍繞車輛四周均勻布置的四個聲學(xué)傳感器，分別采集車輛前方、后方、左側(cè)和右側(cè)的噪聲信號。聲學(xué)傳感器將接收到的聲壓信號轉(zhuǎn)換為電信號，同樣傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對噪聲信號的采樣頻率設(shè)置為50kHz，以保證能夠準確記錄噪聲信號的細節(jié)信息。在噪聲數(shù)據(jù)采集過程中，對測試環(huán)境的背景噪聲進行了監(jiān)測和記錄，以便在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中進行扣除，提高數(shù)據(jù)的準確性。在數(shù)據(jù)處理階段，采用了一系列先進的信號處理技術(shù)。濾波是數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)之一，通過低通濾波器去除振動和噪聲信號中的高頻干擾成分，這些高頻干擾可能來自于周圍環(huán)境中的電磁干擾、設(shè)備自身的電氣噪聲等。采用截止頻率為2kHz的巴特沃斯低通濾波器對振動信號進行濾波處理，有效去除了高頻干擾，使信號更加平滑，便于后續(xù)分析。通過高通濾波器去除低頻漂移和直流分量，低頻漂移可能是由于傳感器的零點漂移、測試設(shè)備的基線波動等原因引起的，直流分量則會影響信號的分析和處理。采用截止頻率為0.5Hz的高通濾波器對噪聲信號進行處理，去除了低頻漂移和直流分量，突出了噪聲信號的有效成分。頻譜分析是深入了解振動噪聲特性的關(guān)鍵技術(shù)。運用快速傅里葉變換（FFT）算法，將時域的振動和噪聲信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，得到信號的頻譜圖。通過分析頻譜圖，可以清晰地確定振動噪聲的主要頻率成分。在發(fā)動機怠速工況下的振動信號頻譜分析中，發(fā)現(xiàn)150Hz和300Hz附近存在明顯的峰值，進一步分析得知，150Hz的峰值對應(yīng)發(fā)動機的二階往復(fù)慣性力頻率，300Hz的峰值對應(yīng)發(fā)動機的四階往復(fù)慣性力頻率，這表明發(fā)動機的往復(fù)運動是怠速工況下振動的主要激勵源。除了濾波和頻譜分析，還采用了其他信號處理技術(shù)，如時域平均、相干分析等。時域平均技術(shù)用于減少信號中的隨機噪聲，提高信號的信噪比。通過對多次采集的振動和噪聲信號進行時域平均處理，有效降低了隨機噪聲的影響，使信號的特征更加明顯。相干分析則用于確定振動和噪聲信號之間的相關(guān)性，判斷噪聲是否由特定的振動源引起。在分析變速器的振動和車內(nèi)噪聲之間的關(guān)系時，通過相干分析發(fā)現(xiàn)，在某些頻率下，變速器的振動信號與車內(nèi)噪聲信號具有較高的相干性，表明這些頻率下的車內(nèi)噪聲主要是由變速器的振動引起的，為進一步的噪聲控制提供了依據(jù)。5.3虛擬預(yù)測與實驗結(jié)果對比將虛擬預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，是評估虛擬預(yù)測模型準確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過細致對比不同工況下動力總成關(guān)鍵部位的振動加速度和噪聲聲壓級，深入剖析兩者的一致性與差異，能夠為進一步優(yōu)化虛擬預(yù)測模型提供有力依據(jù)。在怠速工況下，對比發(fā)動機缸體特定測點的振動加速度，虛擬預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定的一致性，但也有細微差異。在某一測點，虛擬預(yù)測的振動加速度峰值為0.8m/s2，實驗測量值為0.85m/s2，相對誤差約為5.9%。從頻譜分析結(jié)果來看，虛擬預(yù)測與實驗數(shù)據(jù)在主要頻率成分上基本一致，都在150Hz和300Hz附近出現(xiàn)明顯峰值，這與發(fā)動機的二階和四階往復(fù)慣性力頻率相對應(yīng)。然而，在一些高頻段，虛擬預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定偏差。這可能是由于在虛擬預(yù)測模型中，對發(fā)動機內(nèi)部一些復(fù)雜的非線性因素，如活塞與氣缸壁之間的摩擦、氣體流動的湍流效應(yīng)等，考慮不夠全面。雖然在模型中對這些因素進行了簡化處理，但實際發(fā)動機工作過程中，這些非線性因素會對振動特性產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致虛擬預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在高頻段出現(xiàn)差異。在加速工況下，變速器殼體某測點的振動加速度對比結(jié)果顯示，虛擬預(yù)測值與實驗值的趨勢基本相同，但在數(shù)值上存在一定差異。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，虛擬預(yù)測和實驗測量的振動加速度都呈現(xiàn)出增大的趨勢。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000r/min時，虛擬預(yù)測的振動加速度為1.5m/s2，實驗測量值為1.7m/s2，相對誤差約為11.8%。這種差異可能是由于在多體動力學(xué)模型中，對變速器齒輪嚙合的動態(tài)過程模擬不夠精確。實際齒輪嚙合過程中，由于齒面磨損、潤滑油膜的變化等因素，會導(dǎo)致齒輪間的接觸力和摩擦力發(fā)生復(fù)雜變化，而虛擬預(yù)測模型難以完全準確地模擬這些復(fù)雜的動態(tài)過程，從而導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在偏差。對于車內(nèi)噪聲聲壓級，在勻速行駛工況下，虛擬預(yù)測與實驗結(jié)果在整體趨勢上較為一致。在車速為60km/h時，虛擬預(yù)測的車內(nèi)噪聲聲壓級為65dB(A)，實驗測量值為67dB(A)，相對誤差約為3%。從噪聲的頻率分布來看，虛擬預(yù)測和實驗數(shù)據(jù)在主要噪聲頻率成分上也基本相符，都在500Hz-1000Hz頻段出現(xiàn)較大的噪聲峰值。然而，在一些特定頻率點上，兩者仍存在一定差異。在800Hz左右，虛擬預(yù)測的噪聲聲壓級略低于實驗測量值，這可能是因為在聲學(xué)有限元模型中，對車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境的模擬存在一定的局限性。車內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境受到座椅、內(nèi)飾材料等多種因素的影響，這些因素的聲學(xué)特性較為復(fù)雜，難以在模型中精確描述，從而導(dǎo)致在某些頻率點上虛擬預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。總體而言，虛擬預(yù)測與實驗結(jié)果在趨勢和主要特征上具有一定的一致性，表明虛擬預(yù)測模型能夠在一定程度上準確反映動力總成的振動噪聲特性。但在某些細節(jié)和特定工況下，仍存在一定的差異。這些差異主要源于虛擬預(yù)測模型對實際物理過程的簡化以及對一些復(fù)雜因素考慮的不足。為了提高虛擬預(yù)測模型的準確性和可靠性，需要進一步完善模型，更全面地考慮各種非線性因素、動態(tài)過程以及復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境，同時結(jié)合更多的實驗數(shù)據(jù)對模型進行校準和驗證，以不斷優(yōu)化虛擬預(yù)測技術(shù)，使其更好地應(yīng)用于車用動力總成結(jié)構(gòu)振動噪聲的預(yù)測與分析。六、基于分析結(jié)果的優(yōu)化策略6.1動力總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計根據(jù)虛擬預(yù)測與實驗分析結(jié)果，對動力總成結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，旨在從根本上降低振動噪聲的產(chǎn)生。在優(yōu)化過程中，主要采取改進部件形狀和加強結(jié)構(gòu)剛度等措施，以提高動力總成的性能和可靠性。改進部件形狀是優(yōu)化動力總成結(jié)構(gòu)的重要手段之一。對于發(fā)動機缸體，通過對其幾何形狀進行優(yōu)化，可以有效改善其受力狀況，減少振動的產(chǎn)生。在傳統(tǒng)的發(fā)動機缸體設(shè)計中，氣缸壁的厚度通常是均勻的，但在實際工作中，氣缸壁不同部位所承受的壓力和溫度分布并不均勻。通過優(yōu)化設(shè)計，使氣缸壁的厚度根據(jù)受力和溫度分布進行合理調(diào)整，在承受壓力較大的部位適當(dāng)增加壁厚，以提高其強度和剛度；在溫度較高的部位，優(yōu)化冷卻水道的形狀和布局，以增強冷卻效果，降低熱應(yīng)力。通過這樣的優(yōu)化設(shè)計，不僅可以減少氣缸壁的變形和振動，還能提高發(fā)動機的熱效率和可靠性。變速器齒輪的齒形優(yōu)化也是改進部件形狀的重要方面。齒輪的齒形直接影響其嚙合性能和傳動效率，進而影響變速器的振動噪聲水平。傳統(tǒng)的齒輪齒形多采用標準的漸開線齒形，但在實際應(yīng)用中，這種齒形在高速重載工況下容易產(chǎn)生較大的沖擊和振動。通過采用修形齒形，如齒頂修緣、齒向修形等，可以改善齒輪的嚙合性能，減少齒面間的沖擊和滑動，降低振動噪聲的產(chǎn)生。齒頂修緣是指將齒輪的齒頂部分適當(dāng)修薄，使齒輪在進入嚙合時，齒面間的接觸力逐漸增加，避免突然加載產(chǎn)生的沖擊；齒向修形則是對齒面進行沿齒向的修整，以補償齒輪在制造和安裝過程中產(chǎn)生的誤差，使齒面接觸更加均勻，減少振動和噪聲。加強結(jié)構(gòu)剛度是降低動力總成振動噪聲的另一個關(guān)鍵措施。在發(fā)動機缸體的設(shè)計中，合理增加加強筋的數(shù)量和優(yōu)化其布局，可以顯著提高缸體的整體剛度。加強筋可以有效地分散缸體所承受的載荷，減少局部應(yīng)力集中，從而降低振動的幅度。在發(fā)動機缸體的主軸承座附近增加加強筋，能夠增強主軸承座的支撐剛度，減少曲軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動對缸體的影響；在氣缸壁之間設(shè)置合適的加強筋，可以提高氣缸壁的穩(wěn)定性，減少活塞運動時對氣缸壁的沖擊引起的振動。對于變速器殼體，采用高強度材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以提高其剛度。傳統(tǒng)的變速器殼體多采用鋁合金材料，雖然鋁合金具有重量輕、成本低等優(yōu)點，但在剛度方面存在一定的局限性。采用高強度的合金鋼材料或新型的復(fù)合材料，可以提高變速器殼體的剛度，減少其在齒輪嚙合時產(chǎn)生的變形和振動。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，優(yōu)化變速器殼體的壁厚分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加一些關(guān)鍵部位的壁厚，設(shè)置合理的加強筋和肋板，以提高殼體的整體剛度和強度。通過這些措施，可以有效降低變速器的振動噪聲水平，提高其可靠性和耐久性。6.2材料選擇與阻尼處理選擇合適的材料是降低動力總成振動噪聲的關(guān)鍵策略之一，不同材料因其獨特的物理特性，在抑制振動和噪聲方面發(fā)揮著不同的作用。鋁合金材料在發(fā)動機缸體制造中應(yīng)用廣泛，其具有密度低、質(zhì)量輕的顯著特點，這使得發(fā)動機的整體重量得以減輕，不僅有利于提高燃油經(jīng)濟性，還能降低車輛的整體負荷。鋁合金還具備良好的導(dǎo)熱性，能夠有效地將發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保證發(fā)動機在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，提高其工作效率和可靠性。然而，鋁合金材料在剛度和阻尼性能方面存在一定的局限性。在發(fā)動機高負荷運轉(zhuǎn)時，由于受到較大的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用，鋁合金缸體可能會產(chǎn)生較大的變形，從而導(dǎo)致振動加劇。鋁合金的阻尼性能相對較差，難以有效吸收和耗散振動能量，使得振動在缸體內(nèi)部傳播并輻射出噪聲。為了彌補鋁合金材料的不足，新型復(fù)合材料逐漸受到關(guān)注并應(yīng)用于動力總成部件的制造。碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）是一種典型的新型復(fù)合材料，它由碳纖維和基體樹脂組成。碳纖維具有高強度、高模量的特性，能夠為復(fù)合材料提供優(yōu)異的力學(xué)性能；基體樹脂則起到