（光学工程专业论文）发动机液阻悬置动特性分析研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 液阻悬置结构紧凑、重量轻、隔振性能好，是发动机隔振元件中一类较新的 产品。由于其能在不同的激振频率和激振振幅下提供不同的刚度和阻尼，隔振效 果优于传统的橡胶悬置，因此在国产汽车上应用的越来越普遍。本文以某一国产 轿车的液阻悬置为研究对象，对悬置的结构和减振原理、建模方法、悬置动特性 和基于动态响应的参数化分析进行了深入研究。 首先针对所研究的惯性通道解耦膜式液阻悬置结构特点，利用振动理论和流 体力学的原理进行数学推导，采用集总参数法建立单质量液阻悬置的非线性力学 模型和数学模型。该模型充分考虑了橡胶结构、流体振荡、通道压力损失以及惯 性通道形状等因素对悬置动特性的影响。对液体在惯性通道中流动的阻尼参数采 用c f x 流固耦合分析的方法进行拟合，试验证明该结果的正确性和模型的可靠性。 然后对液阻悬置的非线性动特性进行参数化分析，研究橡胶主簧参数、惯性 通道参数和液体物理性质参数对悬置动特性的影响对比分析表明，液阻悬置的动 刚度特性受橡胶主簧和液压减振机构的共同影响，阻尼特性受液压机构影响比较 大。总结各参数对悬置动特性的影响规律，并对液阻悬置的设计方法和结构参数 的选择进行了初步的探讨。 最后，基于动力总成悬置系统的动态响应，对液阻悬置的主要参数进行研究。 在不同的悬置结构参数下，液阻悬置有不同的动特性，通过其动刚度和阻尼角的 大小及频率分布来调节液阻悬置的隔振特性。优化后的液阻悬置动特性能够满足 悬置系统理想动特性的要求，从而可以降低并迅速衰减汽车怠速运转时发动机的 振动，提高汽车的乘坐舒适性。 关键词：发动机液阻悬置，动特性，动态特性，隔振性能 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a bs t r a c t t h eh y d r a u l i c a l l yd a m p e dm o u n t ( h d m ) i san e w l yv i b r a t i o ni s o l a t o ro fv e h i c l e e n g i n es y s t e m t h ed y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n go fh d m c a l lb e 宜e q u e n c ya n d a m p l i t u d e d e p e n d e n t , w h i c hp r o v i d e sb e t t e r v i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c et h a n c o n v e n t i o n a le l a s t o m e r i cm o u n t s ，t h u sa l ew i d e l yu s e di nv e h i c l e t h es t r u c t u r eo fh y d r a u l i cd a m p e dm o u n ta n di s o l a t i o np r i n c i p l e ，d y n a m i c c h a r a c t e r sa n dp a r a m e t r i ca n a l y s i sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , c o n s i d e r i n g t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r so fi n e r t i a t r a c k - d e c o u p l i n g h y d r a u l i c a l l yd a m p e dm o u n t , t h en o n l i n e a rm e c h a n i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e du s i n gt h el u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d t h ei n f l u e n c eo f r u b b e rs t r u c t u r e ，f l u i d o s c i l l a t o r y , a n dp r e s s u r el o s si ni n e r t i at r a c ka sw e l l 嬲t h es h a p eo fi n e r t i at r a c ko nt h e c h a r a c t e ro fh d ma r ec o n s i d e r e di nt h ee s t a b l i s h e dm o d e l t h ed a m p i n gp a r a m e t e ro f f l u i di ni n e r t i at r a c ki so b t a i n e du s i n gf l u i d - s o l i dc o u p l i n gm e t h o db a s e do ns o f t w a r e c f x t h ec o r r e c t n e s so fe s t a b l i s h e dm o d e li sv a l i d a t e du s i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s s e c o n d l y , t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r so fh d m a l ei n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo f r u b b e rs p r i n 吕p a r a m e t e r so fi n e r t i at r a c ka n dp h y s i c sc h a r a c t e r so ff l u i do nt h ed y n a m i c c h a r a c t e r so fi - i d ma r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed y n a m i cs t i f f n e s s c h a r a c t e ro fh d mi si n f l u e n c e db yb o t hr u b b e rs p n n ga n dh y d r a u l i cv i b r a t i o na b s o r b e r t h ed e s i g nm e t h o da n ds e l e c t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ea l s od i s c u s s e d f i n a l l y , b a s e d0 1 1t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fe n g i n em o u n t i n gs y s t e m ，t h ep r i m a r y p a r a m e t e r so fh d m a l ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i m i z e dd y n a m i cc h a r a c t e r so fh d mc a n s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fe n g i n em o u n t i n gs y s t e m ，t h u s c a r ll a r g e l yd e c r e a s et h e v i b r a t i o no fv e h i c l ei ni d l ec o n d i t i o na n di m p r o v et h ef i d ec o m f o r t k e y w o r d s ：e n g i n eh y d r a u l i c a l l yd a m p e dm o u n t , d y n a m i cc h a r a c t e r , v i b r a t i o n p e r f o r m a n c e l i 学位论文独创性声明 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：彩_ 庄 导师签名： 方闫玉栲 签字日期：错司粕 签字日期：护矿多罗 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程 ) ，愿意将本人燃士学位论文篡轴盎率：飘缉缰貔玉莲私睦垒懈 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、 中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中 全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可 以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库， 在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规 定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名：堇旦主擅 6 年6 其qb 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 l 绪论 1 1 研究的背景和意义 悬置作为发动机与车身底盘弹性连接的重要元件，不仅具有承载的功能，更 为重要的是隔离发动机在工作时产生的振动向车体的传递，对动力总成与车架之 间传递的振动进行双向隔离，对降低车内振动和噪声起着重要的作用。乘坐舒适 性是汽车尤其是轿车的一项重要性能指标。动力总成悬置系统的振动隔离特性对 汽车的乘坐舒适性有着很重要的影响。性能良好的动力总成悬置系统不仅可以减 少动力总成振动向车架的传递，降低车内噪声，从而提高乘坐舒适性，而且可以 更好地保护动力总成。 动力总成的隔振主要包括两个方面【l 5 】：一是低频共振区大振幅振动时，限制 振动幅值和快速衰减振动的问题，通常称为“支承”问题，要求悬置在低频下具有大 刚度、大阻尼特性；二是降低动力总成高频小振幅振动诱发的乘员高频噪声问题， 通常称为“控制”问题，要求悬置在高频下具有低动刚度、小阻尼特性。这两方面的 要求互相冲突，因此悬置不断发展的根本点在于如何更好的协调这两种要求。 传统的橡胶悬置由于橡胶材料的局限性，不可能在这两个方面得到良好的协 调，而液阻悬置( h y d r a u l i c a l l yd a m p e dm o u n t ，r r d m ) 元件可以很好地解决这一矛盾 1 8 - 9 。液阻悬置，又称为液体阻力型橡胶隔振器，是在传统橡胶悬置基础上增加了 内部液体阻力机构而成，它具有优良的隔振、减振和降噪性能【2 卜3 2 】。其优良的隔 振、减振和降噪性能主要表现为：在低频域具有大阻尼、高动刚度特性，既可以 有效的隔离、衰减在发动机怠速和汽车低速行驶在不平路面上时动力总成的稳态 振动，又可以很好的控制、衰减在汽车起步、加速、转弯、制动和发动机启动、 停机等非稳态工况下动力总成的大位移冲击运动和非稳态振动；在高频域具有小 阻尼、低动刚度特性，可以在较宽频带内客服橡胶主簧的动态硬化效应，显著的 扩大动力总成悬置系统的有效隔振频率范围，因此可较好的隔离动力总成的高频 振动，降低汽车在高速行驶中的车内振动和噪声( 尤其是b o o m i n g 声) 、改善汽车的 乘坐舒适性。 本论文拟基于某发动机动力总成液阻悬置系统，结合发动机动力总成在整车 内布置情况，从对惯性通道一解耦膜式液压阻尼悬置的结构分析和减振原理，到 悬置系统物理和数学模型的建立、悬置参数非线性动态特性分析，再到液阻悬置 各项参数对悬置特性影响规律的总结，对动力总成液阻悬置系统进行比较系统化 的分析工作，这些研究可以为悬置系统的参数修改提供技术支持，进而为提高该 车乘坐舒适性指明方向。具有一定的学术价值和实用意义。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 国内外的研究现状 在早期的汽车上，发动机直接连接于车架，由于振动的直接传递及反作用力 常常造成曲轴箱和支架的损坏。到了上世纪二十年代，设计师们开始使用橡胶垫 支承来隔离发动机振动的能量，降低车身的振动和车内的噪声，减少曲轴箱的破 坏。由于橡胶悬置结构简单，成本低，因此得到广泛应用，并且一直沿用至今 2 2 - 2 5 1 。 但是橡胶悬置也有缺点：橡胶本身的特性决定了其动刚度和阻尼滞后角随频率呈 线性变化，而且阻尼滞后角很小。橡胶悬置的这个特点使得要设计一个满足所有 要求的悬置很困难。高刚度大阻尼悬置在低频时可以提供很好的隔振性能，但在 高频时性能很差，而且会出现高频动态硬化现象；而低刚度小阻尼可以很好的隔离 噪声，却在低频时降低了隔振性能。在这种情况之下，迫切需要对悬置元件进行 结构上的变革，于人们又研制出具有频变刚度和阻尼的液压阻尼式橡胶悬置。与 橡胶悬置相比液阻悬置是一大进步。可是般的被动式液阻悬置在高频下的高动 刚度不利于衰减振动，进而人们又推出了主动控制式液阻悬置盼2 0 2 2 1 。与被动式 液阻悬置相比其，它具有的低频高阻尼和高频低刚度的特性使减振降噪效果更加 理想。关于悬置系统的发展，国内外有关这方面的研究从上世纪二十年代至今一 直没间断过，电子计算机的出现更为这一领域研究提供了快捷手段，应用现代高 新技术的产品及研究方法不断涌现。特别是大型汽车c a e 软件的出现( 如 m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a d a m s 、a b a q u s 等) 为这一问题的分析和解决提 供了强有力的支持【4 】【1 1 】。 国外方面 国外关于发动机液压阻尼悬置的研究较早，本世纪四十年代r i c h e rh a r d i n g 6 和s t r a c h o u s k y l 7 l 提出将液压减振结构和橡胶组成一个整体减振结构的思想，并在 美国申请了专利，但其结构复杂，安装不方便，实际应用有限。1 9 6 2 年，美国通 用汽车公司的r i c h a r dr a s m u s s e n t 8 】先申请了液阻悬置的专利。从7 0 年代末开始， 世界各大汽车企业相继开展了液阻悬置的研究和应用。 1 9 7 9 年，液阻悬置第一次被原西德的大众公司用于a u d i 五缸发动机，经实验 证明，舒适性明显提高。1 9 8 1 年，原西德生产的p o r s c h e 9 4 4 轿车动力总成使用的 液阻悬置。阻尼最大值出现在6 h z 附近，滞后角最大达到2 8 度，远远高于橡胶悬 置。1 9 8 2 年，日本在f r ( 发动机前置后驱) 式轿车上应用液阻悬置以降低怠速振 动。1 9 8 3 年三菱公司豪华g a l a n t 轿车安装电控节流阀开度的液阻悬置，减振降噪 效果良好。1 9 8 4 年日本开发的既能降低发动机振动又可以降低空腔b o o m 声的液 柱共振式的液阻悬置，它对1 0 h z 振动衰减率为0 5 ，1 0 0 h z 附近动静比小于2 ，减 振降噪效果良好。1 9 8 4 年原西德f r e u d e n b c r g m o g u l a s t i k 公司和e s c a n 公司在f r 式六缸发动机上安装了解耦式液阻悬置，最多可降低车内噪声3 5 d b 。同年，液 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 阻悬置被用于德国大众a u d i 5 e 发动机和日本五十铃公司的p i a z z a 发动机。1 9 8 5 年，原西德奔驰公司在1 9 0 1 9 0 e 和2 0 1 系列汽车上安装了液阻悬置。同年f o r d 公 司将液阻悬置用于s u p e r c a b 轻型货车上，标志着液阻悬置由豪华轿车向普通轿车 和其他车型普及。现在液阻悬置技术在汽车上的应用已经扩展到独立悬架的液力 衬套、支撑垫和驾驶室悬置等，并在航空、船舶等移动机械的隔振上得到日益广 泛的应用，都收到很好的效果【9 】。 日本汽车工业界把被动式液阻悬置的基本结构分为三代，见图1 1 。早期的液 阻悬置的上、下液室之间只有小孔连接，靠液体流过小孔的节流阻尼来衰减发动 机的振动，其大阻尼特性在低频时可以控制发动机的位移，但在高频时会恶化隔 振效果。第二代液阻悬置增加了解耦膜结构，阻尼孔演变成了环形或者螺旋型的 惯性通道，解耦膜的加入很好的解决了悬置的高、低频理想特性之间的矛盾，大 幅度的降低了高频振动传递率。第三代液阻悬置则在上液室中又附加了一个节流 盘，它加宽了液阻悬置的有效减振频带，使得它在很宽的振动频带内都具有良好 的隔振性能。 第一代 第二代第二代 台国圆 节流矾尼孔 惯性通道一解偶膜惯性通道解偶膜+ 节箍盘 图1 1 三代被动式液阻悬置的基本结构 f i g 1 1t h et h r e et y p eb a s i cs t r u e a l r eo fh y d r a u l i cd a m p e d m o u n t 虽然被动式液阻悬置的性能相对于传统的橡胶悬置有了很大的提高，但还存 在一些缺点，这正是人们研究开发半主动式、主动式液阻悬置的原因。从1 9 8 3 年 世界上首次应用半主动式液阻悬置以来【1 0 1 ，德国、美国、法国、英国等国家对半 主动控制式液阻悬置隔振技术开展了深入的研究【l l 一1 2 1 ，并开发出了多种采用不同 控制方式的液阻悬置。 半主动式液阻悬置又可称为“可调式”液阻悬置。利用传感器采集车体和( 或) 发动机的加速度和( 或) 位移信号，当它们超出设定的阈值后，激发作动器，改 变内部结构参数，优化动特性，实现最佳减振降噪的目的【1 2 1 。其控制方式通常有 以下几种： 1 ) 控制节流孔的开度。臼本m i t s u b i s h i 公司的半主动式液阻悬置【l o 】采用这种 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 控制方式。汽车正常行驶状态下，高频小振幅激励占主要成分，电控单元旋转电 磁阀，打开大直径节流孔以减小阻尼，防止出现动态硬化，降低悬置动刚度；在 发动机起动、汽车减速、转弯、制动等准静态工况时，低频大振幅占主要成分， 电控单元接受传感器信号，发出指令控制电磁阀旋转，关闭大直径节流孔，只有 小直径常通孔打开，利用其节流作用，悬置产生较大的阻尼，从而有效地衰减了 动力总成的低频振动。这种悬置结构简单，控制方便。 2 ) 控制液柱共振通道的关闭【1 3 1 4 】。在低频大振幅激励时，控制机构根据采集 到的发动机转速和悬置上下的相对位移信号关闭中间的大节流孔，由惯性通道孔 产生较大的阻尼，从而快速地衰减振动，在高频小振幅激励时，打开中间大节流 孔，利用其液柱共振特性，很好地衰减1 2 0 1 4 0 i - i z 范围内的振动，降低车室空腔 噪鸣声。 3 ) 控制节流通道的长度【l 扣1 6 1 。通过改变节流通道的有效长度和面积，调整惯 性液柱质量，得到多个共振频率，经调节使多个共振频率相邻，从而可以得到宽 频带大阻尼特性，提高了低频减振效果。 4 ) 用电流变液体作为工作介质。电流变液体是一种在电介质中高度极化的悬 浮物( 如硅油或合成烃类物质) ，通过改变电压来控制其粘度，可以很好地提高低 频隔振性能【1 1 1 。电流变液体的粘度随着周围电场强度的变化而迅速变化。虽然电 流变液体电场所需要的电压很高，但通过电流小，因而功率消耗低，有良好的应 用前景，现已广泛应用于电控机械系统，如离合器、液力阀、减振器等。 目前，半主动式液阻悬置控制理论比较成熟，其结构简单，作动器功率消耗 低，成本也较低，因而在国外已经进入了实用阶段。 为了进一步提高液阻悬置的隔振水平，从8 0 年代末，人们开展了主动控制式 液阻悬置的研究【1 2 1 7 2 2 。主动式液阻悬置利用动力消振技术，理论上可使车架振 动响应为零。 文献【1 7 】介绍了一种用压电作动器实现主动控制的液阻悬置，可以完全消除怠 速时四缸机二阶不平衡惯性力产生的位移。它采集与车架连接处的位移( 或加速 度) 信号作为差值信号产生相应的电压信号作用给压电作动器。压电作动器是一 个由多层陶瓷和电极相互交错组成的柱状体，在电压的作用下，产生一个很小的、 与差值信号反相的位移信号( l o i t m ，长度越大，产生的位移就越大) ，经液体幅 值放大机构可以放大至o 0 5 0 1 m m ，从而完全消除振动。压电作动器响应快，有 着广阔的应用前景。 文献【1 s 】介绍了一种电动解耦式液阻悬置。它利用动力消振技术让解耦膜产生 一个与激励力等频率、幅值、反相的位移信号，在宽频带上降低了液阻悬置的动 刚度。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 按控制方式液阻悬置可以分为被动式液阻悬置、半主动式液阻悬置和主动式 液阻悬置三大类。后两种控制方式的液阻悬置的隔振、减振和降噪性能均要优于 被动式液阻悬置。但是由于这两种控制方式的液阻悬置结构复杂，成本高，系统 稳定性差等原因，目前还鲜有应用，国内汽车上到现在还没有应用实例，国外也 只是个别高档轿车在使用，被动式液阻悬置仍然占主导地位。 国外液阻悬置经过多年的发展，结构由简易到复杂，由被动式液阻悬置发展 到半主动式和主动式液阻悬置阶段，现已形成了多种类的液阻悬置产品。 国内方面 国内有关发动机悬置系统的研究始于1 9 8 3 年，由清华大学徐石安、肖德炳与 二汽公司的上官文斌、蒋学峰等人合作开展了研究。他们编制了特征值和振形计 算的程序，给出了发动机有关参数测试的方法及试验装置。在优化问题上以悬置 处动反力幅值最小为目标函数，适当控制系统的固有频率，取得了较好的效果。 1 9 8 5 年，潘旭峰等人结合d d 6 8 0 大客车发动机悬置参数设计问题，应用模糊集理 论，通过移频、解耦，降低悬置处响应力等各种途径，对悬置参数进行了模糊多 目标优化，获得了较为满意的结果。1 9 9 2 年，上官文斌等人又从工程实用角度出 发，给出了动力总成悬置优化设计的方法，在扭矩轴坐标系中建立优化模型，以 系统固有频率为目标函数，充分考虑到系统解耦、撞击中心理论应用、一阶弯曲 模态节点选取等原则，并以此为约束进行优化计算，取得了良好效果。 但是国内上述学者的研究都是仅限于橡胶悬置，无法达到理想的动力总成悬 置隔振特性，无法满足汽车动力总成在较宽频率范围内对悬置系统的隔振要求： 低频时要求大刚度、大阻力，高频时要求小刚度、小阻力。直到1 9 9 4 年，王立公 等人率先在国内对液阻悬置结构发展进行了系统论述，阐述了各种典型的液阻悬 置结构的工作原理和性能特点及其发展趋势。1 9 9 9 年，裘新等人建立了一种轿车 动力总成液阻悬置及幅车架系统的非线性力学模型，进行了系统固有振动特性的 模拟计算，同时对液阻悬置和橡胶悬置的隔振特性进行了对比分析，并得到实验 模态分析结果的证实。2 0 0 1 年，王利荣等人也对国外液阻悬置的研究发展进行了 较系统的评述和总结。2 0 0 2 年，吕振华等人对国内一种轿车的发动机液阻悬置建 立了集总参数的力学和数学模型，进行了动态仿真，并与实验测试结果进行了对 比分析，其研究方法具有一定的指导意义。 同国外相比，现在国内对液阻悬置的研究还比较少，因此研究液阻悬置的动 特性就很有必要，并且很有意义。 1 3 液阻悬置系统的研究方法 鉴于液压悬置的优良性能，人们对液压悬置进行了大量的理论分析和试验研 重庆大学硕士学位论文1 绪论 究，并取得了很多有理论价值和实用意义的成果。对液阻悬置系统的研究大体可 以分为两部分。一是悬置系统的优化设计，包括确定各个悬置的位置和倾斜角度， 合理分配动力总成悬置系统的各向固有频率，以最大限度发挥已有的潜能，这方 面的研究对旧有车型悬置系统的改进和新车型悬置系统的设计有很大的现实意 义；二是液阻悬置元件的结构设计和减振机理的研究，液阻悬置是非线性很强的 复杂元件，在进行设计时，多数研究者希望通过建立精确的模型，进行仿真计算， 有效的预测动刚度及阻尼的频变特性和幅变特性，从而替代台架实验，缩短设计 开发周期。 被动式液阻悬置元件的研究主要集中在三个方面：合理地设计橡胶主簧的 结构和形状，以改善橡胶主簧内部的应力分布，提高其疲劳寿命【1 1 ”】，或者获得 合理的刚度特性组合【3 4 】( 垂向刚度、体积刚度) 。研究具有不同结构的液阻悬置 的动刚度和阻尼的频率特性，并研究结构参数对其动特性的影响规律【1 0 3 5 1 。针 对不同车型和具有不同转速特性的发动机，以力传递率或位移传递率在某一频段 内最小为目标，优化液阻悬置的内部结构参数【l h3 4 3 。 液阻悬置中的橡胶主簧要承受来自动力总成的静、动载荷，并要提供过载保 护，因而是液阻悬置中很重要的部件之一。其工作环境恶劣，而它的疲劳寿命直 接决定了液阻悬置的使用寿命。因而在如何提高橡胶主簧的疲劳寿命这一点上进 行了很多研究。随着大型工程软件a n s y s 、n a s t r a n 的广泛应用，有些学者开 始用有限元方法对橡胶主簧进行建模，分析其内部的应力分布状况，并通过改进 结构，消除应力集中，同时得到合理的侧向刚度、体积刚度和垂向的动态特性组 合。文献【3 6 】提出预压主簧可以降低橡胶主簧的应力峰值和平均应力水平。 为研究方便，在进行液阻悬置元件的动特性研究时，大多将液阻悬置从动力 总成。液阻悬置车架的系统中独立出来，简化为单质量液阻悬置系统，并建立起 单质量液阻悬置的线性力学模型【2 3 3 7 3 8 域非线性力学模型盼2 5 , 3 9 1 。线性模型可 以直接得到液阻悬置动特性的频响函数，因而使得参数分析和参数优化非常容易 进行，但它将流体流经惯性通道内的压力损失与流量的关系线性化，这样就不能 真实地反映液阻悬置的动态特性；而非线性力学模型充分考虑了液阻悬置内部的 结构参数对其动特性的影响，但是加大了宽频带动特性仿真和参数优化的难度， 因此寻求一种合适的力学模型来对液阻悬置的动特性进行仿真分析是许多研究者 的难题。 综上所述，国内有关液阻悬置问题的研究虽然较晚，但这一问题的研究受到 了足够的重视，并取得了一些基础性研究成果。可是同国外相比存在一定的差距， 比如：国内对液阻悬置的研究大多是停留在低频阶段，而高频下的动态特性分析少 有研究；对液阻悬置三维模型的建立和悬置元件结构的优化设计，尚没有一个全 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 面的系统的设计分析过程；还没有形成完整系统的悬置元件设计试验及悬置系统 设计优化分析的理论和方法。本论文从对液阻悬置的动特性进行参数化分析出发， 研究悬置的结构参数对其动特性及动力总成悬置系统动态响应的影响，从而为悬 置元件的结构设计和参数优化提供可靠的依据和分析方法。 1 4 本文研究的内容 本文以国产某轿车动力总成惯性通道液阻悬置为研究对象，在进行了详细的 结构和工作原理分析之后，建立起单质量液阻悬置的非线性模型，并进行动特性 仿真计算。然后进行深入的参数分析，希望得到液阻悬置的结构参数与其动特性 的相互关系，及其对动力总成液阻悬置系统动态响应的影响规律，从而提出一些 产品设计思路，为产品的国产化、系列化作些工作。综上所述，本文的研究内容 如下： 对惯性通道一解耦膜式液压阻尼悬置的结构进行研究，包括弹性支撑部 分、减压减振部分、液阻悬置的密封部分，弄清楚该悬置的橡胶主簧和粘性液体 的减振原理。 结合液阻悬置样件的结构和工作原理，根据振动原理和流体力学理论，对 某些悬置因子进行简化，建立单质量一液阻悬置的非线性力学模型和数学模型。 具体包括：静平衡条件下悬置模型的确定、橡胶主簧模型的确定、橡胶主簧等效 活塞面积的计算、惯性通道流体力学模型的确定。 对液阻悬置进行深入的理论分析，对模型中主要参数值的获取给出取值方 法，进行低频、高频和共振频率下的动特性研究。 对液阻悬置进行参数化分析，研究模型中的主要参数对液阻悬置动特性的 影响规律及影响程度，对液阻悬置的设计方法、参数的选择进行初步的探讨，为 产品开发和系列化提供指导。 利用多体动力学软件a d a m s ，结合a d a m s a r i d e 中的液压模块建立液阻悬 置的动力学模型，建立发动机动力总成悬置系统的六自由度多体动力学模型。基 于动力总成悬置系统的动态响应对液阻悬置的结构参数进行优化分析，将液阻悬 置系统的各项主要参数对动特性的影响直接通过发动机动力总成悬置系统的动态 响应体现出来。 7 重庆大学硕士学位论文 2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 2 1 液阻悬置的结构和工作原理分析 发动机液阻悬置是典型的非线性系统，其动态特性随激励振幅和激振频率的 改变而改变。目前研究者多应用常规建模方法建立时域的参数模型，对悬置元件 进行理论研究。 本国产轿车使用的液阻悬置类型为被动式惯性通道一解耦膜式液阻悬置，以 下简称“液阻悬置”其结构如图21 和图2 2 所示。本章首先对其结构和减振原理 进行较详细的分析，重点研究液阻悬置的动特性，在总结现有模型的基础上考虑 振荡激流以及惯性通道的形状、长度等非线性因素的影响，提出液阻悬置惯性通 道稳态压力损失的理论计算模型，然后对结构进行必要的简化建立单质量一渡 阻悬置的非线性力学模型、数学模型和仿真计算模型。并对其进行理论计算t 为 仿真提供理论依据。 图21 某国产轿车液阻悬置三维模型囝 f i g2t t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo f a c h i n e s e - m a d e c a b 液压悬置是许多部件组成的复杂装置，目前经济型轿车使用最多的浈压悬置 是惯性通道一解耦式液压悬置。这种类型的液压悬置可能在具体的元件形式或者 液体介质等方面略有差别，但是其基本结构和功能都差不多”】。典型的液压悬置 应该具备以下几个特点： 重庆大学硕士学位论文2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 有橡胶主簧，以承受静载和动载荷，同时具有过载保护结构。 至少有两个独立的液室，能使液体在它们之间流动。 图2 2 某国产轿车液阻悬置结构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo fh y d r a u l i cd a m p e dm o u n tu s e di nc h i n e s e - m a d ec a r s 1 联接螺栓2 定位梢3 骨架4 橡胶主簧5 金属骨架6 惯性通道体上半部分 7 解耦膜8 解耦通道体下半部分9 铆钉1 0 底膜1 l 底座 两液室之间有能产生阻尼作用的孔或惯性通道。对于有解耦作用的液压悬 置，还应有解耦盘或解耦膜。有的液压悬置还具有补偿孔。带有补偿孔的液压悬 置可以降低低频空穴噪声。在低频大振幅的激励下，当橡胶主簧向上运动时，由 于液体的粘性和惯性，来不及对上腔作流动补偿，于是在上腔产生真空度，产生 空穴噪声，采用补偿孔是消除空穴噪声的有效措施，但以牺牲低频大振幅时的隔 振能力为代价。 液压悬置内部有液体工作介质，有些多室式液压悬置内部还有气室。 液室与外部应有良好、可靠的密封。研究表明，液压悬置主工作腔内部最 高能达到3 个大气压，任何泄露都将导致液压悬置的性能的降低甚至失效。 2 1 1 液压悬置的结构 广弹性支承 联接螺柱1 是连接发动机支承臂与悬置的关键联接件，要尽量加大该螺柱的 强度和刚度，并进行表面处理以提高其耐腐蚀性。在其与铝芯的镶嵌中，采用了 防止螺钉自转和z 向( 如图2 2 所示) 相对运动的措施。橡胶主簧4 是液阻悬置的主 9 重庆大学硕士学位论立 2 控动机涟阻悬置系统非线性模型的建立 要承力构件，要承受动力总成的垂向和侧向的静、动载荷，并且它的体积刚度对 液阻悬置的动特性有重要影响。由于橡胶主簧的工作环境非常恶劣，因而要求橡 胶材料有耐枷1 0 0 高温性能、高耐疲劳性能、可靠性、耐腐蚀性和耐油性等， 还要求有皇好的与金属的粘接性，所以大多采用天然橡胶或者丁腈胶p ”】。 骨架3 用来将橡胶主簧和联接螺柱l 连接起来。为减轻橡胶主簧的动载荷，金属 骨架选用铝台金材料。为弥补橡胶主簧刚度的不足，橡胶主簧内部有一个薄的杯 形金属骨架5 ，一般采用含硅、锰的钢，以保证强度要求。它的存在保证了橡胶主 簧的形状，并且提高了液阻悬莺的侧向静刚度。正确地设计金属骨架和轩形骨架 的形状对于改善橡胶主簧内部的应力分布、避免粘接处的应力集中很有意义。底 座1 1 是另外一个承力构件，也是液阻悬置密封的关键零件，它同时保护底膜免受 损坏。要求底座剐性好，具有足够的高频隔振性能。一般选用铝合金材料，以尽 量降低液阻悬置本身的自重同时提高它的耐腐蚀性，联接螺栓通过点焊与底座 固联，它的松动也将引起悬置的失效。底座上有通气孔，与大气相通。有的液阻 悬置底座上没有通气孔，从而封闭了一定数量的空气增大了下腔体积刚度”。 图2 , 3 液压悬置结构图1 f i 9 23 t h es 口u c t i l r eo f h y d r a u l i cd a m p e d n l o u l ) t 液压减振 橡胶主簧和底膜构成了液压减振部分的主体，惯性通道体将空腔分成上、下 两个液室，液室内充满了液体。液体一殷为永和乙二醇的混合物，它的粘度特性 重庆大学硕士学位论文2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 稳定对橡胶、金属和塑料等材料的腐蚀性小。底膜l o 呈波纹状，其体积刚度比 橡胶主簧的体积剐度小很多，几乎可以看作是自由变形，它用来吸收液室的体积 变化。惯性通道体用铝台金材料制做- 质量轻，耐腐蚀性好是液阻悬置产生阻 尼效果的主要部分。 图2 4 液压悬置结构图2 f i g2 4 t h es m m i o f h y d r a u t i c d a m p e d m o 叽t 液阻悬置的密封 液阻悬置相当于是在橡胶悬置的基础上并联了一个液力减振器。如果密封不 可靠，液体泄露，将会导致液阻悬置失效，因而，密封是一个很重要的问题。 2 l2 工作原理 当橡胶主簧承受动态载荷上下运动时，产生类似于活塞的泵吸作用。当液阻 悬置受到低频、大振幅的激励时，如果橡腔主簧被压雏，上腔体积减小，压力升 高，迫使液体流经惯性通道被压入下腔；如果橡胶主簧被拉伸，上腔体积增大t 压力减小，下腔内液体流经惯性通道被吸入上腔。这样，液体经惯性通道在上、 下腔之间往复流动。当液体流经惯性通道时，惯性通道内液柱惯性很大，从而产 生沿程能量损失和在惯性通道出、入口时豹局部能量损失。它使得液阻悬置能很 好地耗散振动能量，从而达到衰减振动的目的。 由于一般惯性通道的截面积仅是上液室截面积的几十分之一，所以惯性液柱 的运动速度将是上液室液体运动速度的几十倍。另外由于液压机构对惯性液柱的 放大作用，可以认为液体运动的绝大部分动能集中在惯性拉柱这一小液柱上【2 4 1 。 重庆大学硕士学位论文2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 由于橡胶主簧有一定的体积刚度，在压力增加时，会膨胀变形，占用一部分液体 体积：同时，有一小部分液体经惯性通道流入下腔，这个旁流对低频大振幅振动 时的惯性能量损失有一定的负影响。 在高频小振幅的激励下，惯性通道内液柱的惯性很大，液柱几乎来不及流动。 此时，由于解耦膜在小变形时刚度特别小，解耦通道内的液柱与解耦膜高速振动， 上下腔的压力克服解耦通道内液柱的惯性力而使得液柱具有的动能在解耦通道的 入口和出口处被损失掉了。从而可以降低液阻悬置高频动刚度，消除动态硬化。 2 2 液阻悬置的力学模型 2 2 1 模型假设 为了分析液阻悬置系统的性能，建立描述其本质特性的物理模型是必要的， 它是建立描述悬置非线性特性数学模型的前提。国内外大量的实验显示 2 6 3 0 ，液 阻悬置的流体部分只对其z 向动特性有较大影响，而对侧向( x 、y 向) 的动特性 影响不大，所以本文只建立液阻悬置z 向力学和数学模型。为了保证所建立的模 型具有足够的精确性，突出影响悬置动特性的主要因素，进行如下假设： 上下液室间的液体渗透可以忽略，即上下液室内的液体只能流向惯性通道 或者解耦膜。 上下腔内压力均匀。忽略上下腔中由于液体的运动造成的惯性压力损失。 忽略温度对流体密度和粘度的影响，忽略橡胶主簧的温度变化对其动特性 的影响。 上下液室的体积刚度视为线性。体积刚度是液阻悬置中一个非常重要的参 数，它是指液室内压力变化与体积变化的比值，表示液体抗拒压缩的能力，单位 通常是p a m m 3 ，其倒数称为体积柔度。文献 2 6 4 刁实验表明，液阻悬置上、下液室 的体积刚度随液室体积的增加略有变化，因此将其设为常量是合理的，也就是说 橡胶主簧的静态体积刚度适用于动态的工作过程。 另外相对于附加到液阻悬置上发动机的质量，橡胶主簧的质量可以忽略不计； 对于流体也认为是不可压缩的。 2 2 2 液阻悬置的力学模型 在完成上述准备和假设工作后，建立如图2 5 所示的惯性通道一固定解耦膜式 液阻悬置力学模型。其上端连接发动机，下端连接车架。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 l 玳t k 图2 5 动力总成液阻悬置的力学模型 f i g 2 5t h em e c h a n i c a lm o d e lo f t h ec o m p l e t ep o w e rt r a i nh y d r a u l i cd a m p e dm o u n t 上述力学模型的橡胶主簧部分用刚度系数和阻尼系数来描述，液体部分用其 本身的压力、体积、流量等参量来描述，很清楚的显示出了液压悬置的机械液 压两个部分。在建立数学模型时，对机械部分列振动微分方程式，液体部分列体 积及压力变化关系式。 模型中各项参数的物理意义如下： k 橡胶主簧的储能动刚度值 e 橡胶主簧粘性阻尼系数 聊橡胶主簧端的等效集中质量 彳。橡胶主簧的等效活塞面积 k 上液室的体积刚度( 其体积柔度为g = 1 五) 砭下液室的体积刚度( 其体积柔度为g = 1 疋) 冠、足惯性通道中液体的一次和二次流量阻尼系数 p l 、如上、下液室的压力，压力看作是均匀分布的 q ( r ) 液体经过惯性通道的流量 设发动机端位移激励为五( r ) ，响应力为f l ，以向上为正方向；惯性液柱相对 于惯性通道壁的位移为而( ，) ，从下液室流向上液室的位移为正；车架端的位移为 x 3 ( t ) ，以向上为正；上下液室的压力分别为翻、魏。 重庆大学硕士学位论文 2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 2 3 非线性数学模型的建立 2 3 1 橡胶主簧复刚度模型 橡胶主簧是液阻悬置的基本弹性元件，也是悬置中的主要承力构件。它采用 轴向加载时受剪切的结构型式，既保证动力总成悬置系统有足够的垂向刚度和横 摇柔度，又有较大的侧向刚度。 橡胶主簧的材料一般是天然橡胶或丁睛橡胶，因其弹性好且由于分子之间的 内摩擦产生的阻尼力较大，所以被广泛用于隔离振动和吸收冲击。按照振动理论， 当橡胶承受按正弦变化的剪切变形时，通常以称为v o i g t 的单元模型来替代【4 2 1 。这 种模型不仅表示了弹性，还包含了阻尼的意思，是种很好的替代方法。 橡胶主簧的复刚度表达式： k ( ) = k r + i c o c r( 2 1 ) 模型中c o 为激振频率，勋为橡胶主簧的储能动刚度。d 为橡胶的粘滞阻尼系 数，在橡胶的仿真计算中，c ，不是常数，将c r 看成常数更准确【2 5 】 2 3 2 橡胶主簧等效活塞面积 由于橡胶主簧的形状比较复杂，直接测量橡胶主簧的等效活塞面积比较困难， 需要专用的试验设备。本次研究采用一种在其它参数测量结果的基础上直接计算 等效活塞面积的方法。 t _ 一。 v x m l歹 “ ， ，一 l ：j d 2 图2 6 主簧等效活塞面积计算示意图 f i g 2 6t h es k e t c hm a pf o rc a l c u l a t i n gt h ee q u i v a l e n tp i s t o na r e ao fm a i ns t r i n g 橡胶主簧上下运动时产生类似于活塞的作用，其等效活塞面积却是根据在相 同的位移薯下所排开的液体体积相等的原则来等效的。当橡胶主簧有而的位移时， 橡胶主簧内腔体积变化量厶矿等于图中的阴影部分体积f 5 2 7 1 。如图2 4 所示： 4 = 吾( 碣2 + 以2 + 西吃) ( 2 2 ) 1 4 寸 重庆大学硕士学位论文 2 发动机液阻悬置系统非线性模型的建立 式中d 为上液室上底面直径，即橡胶主簧硫化到金属骨架上的橡胶内径，吐为 上液宣下底面直径，即橡胶主簧硫化到杯形骨架上的橡胶内径。 23 3 惯性通道模型 液体在沿惯性通道流动时会产生能量损失，包括沿程阻尼损失和局部阻尼损 失。根据流体力学的相关定律“8 + ”】，并考虑流体振荡对能量损失的影响来建立惯 性通道的动态方程。 一 图27 惯性通道三维模型 f i 9 27 t h e t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo f t h e i n e r t i a c h a n n e l s 惯性通道的三维模型见图23 ，横截面近似为矩形。流体从上下入口流进和流 出。其惯性通道尺寸的定义如下： ：惯性通道的横截面积 l ：惯性通道断面湿周长 z ：惯性通道的长度 r ：惯性通道的水利半径， d ：惯性通道的当量直径， 沿程能量损失卸， 它是液体粘性作用的结果 根据哈根一伯肃叶定律： r = 丘工 d = 4 r