（光学工程专业论文）动力总成悬置系统的特性分析与优化设计.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密d 。 学位论文作者签名：帕孛 扫f 年石月侈日 一，雩萝嚣岛么 0 口“年厶月i 弓日 p o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m 姓 2 0 1 1 年6 月 发展 以及人民生活水平的提高，人们对汽车这种交通工具的要求越来越高，良好的安 全性能、乘坐舒适性、低噪声是现代汽车的一个重要评价指标。因此，在激烈的 市场竞争下，汽车的减振降噪备受各个汽车生产厂家的关注。而动力总成悬置系 统连接动力总成与车架或车身，是隔离振动的重要元件。通过对悬置系统的设计 与参数匹配可以减弱动力总成与车身之间的振动传递，降低车内噪声，从而提高 乘坐舒适性，改善整车n v h f n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 性能。 本文以某款轻卡为研究对象。首先，对动力总成悬置元件进行合理简化，建 立了悬置系统的六自由度力学模型，并运用拉格朗日定理，建立了系统的振动微 分方程，并通过实验的方法获取所需的模型参数。 然后，在m a t l a b 中通过编程对悬置系统进行了各种特性分析，并利用 m 觚a b g u m e 模块编制了求解三、四悬置系统固有频率、振型及能量解耦的 专用g u i 界面，并在a d a m s 中建立悬置系统模型并进行仿真分析，与m a t l a b 中编程仿真得出的结果进行对比验证，同时，通过试验对悬置系统的振动传递率 进行了测试分析。 最后，根据前面建立的仿真模型，选取各悬置元件的刚度为设计变量，添加 相关约束，以怠速工况下悬置支承处垂向响应力振幅最小为目标函数，利用 a d a m s 软件对该悬置系统进行了优化分析，并从固有频率、能量解耦等多角度 对优化前后的性能进行了对比，结果表明：在满足相关条件下，优化后系统的性 能比优化前好，说明此次优化是成功的。 关键词：动力总成悬置系统，六自由度，仿真分析，优化 动力总成悬置系统的特性分析与优化设计 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec a rh a sb e c o m et h em a i nt r a f f i ct o o l so fp e o p l e sd a i l yw o r ka n d l i f e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，p e o p l e sr e q u i r e m e n to nt h et r a f f i ct o o l sa r ei n c r e a s i n g ，g o o d s a f e t yp e r f o r m a n c e ，r i d i n gc o m f o r ta n dl o wn o i s eh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n ts y m b o l o fp r e s e n t d a ya u t o m o b i l e s s oa u t om a n u f a c t u r e r sh a v eal a r g ea t t e n t i o no nv e h i c l e n o i s ea n dv i b r a t i o nr e d u c t i o ni nt h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n p o w e r t r a i nm o u n t s y s t e mw h i c h i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tt oi s o l a t ev i b r a t i o nc o n n e c t sp o w e r t r a i na n d v e h i c l eb o d y t h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o nb e t w e e np o w e r t r a i na n dv e h i c l eb o d yc a nb e r e d u c e dt h r o u g hd e s i g na n dm a t c h i n gt h ep a r a m e t e r so fp o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m a n d n o i s ei n s i d et h ec a rc a nb el o w e r e dt oi m p r o v er i d ec o m f o r ta n dn v h ( n o i s ev i b r a t i o n a n dh a r s h n e s s ) p e r f o r m a n c e s t h i sp a p e ri sb a s e do no n e l i g h tt r u c kf o ras t u d y f i r s to fa l l ，e n g i n em o u n t i n g c o m p o n e n t so n ar e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o n ，am e c h a n i c a lm o d e l m o u n ts y s t e mo fs i x d e g r e e so ff r e e d o mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h eu s eo fl a g r a n g e st h e o r e m ，as y s t e mo f v i b r a t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o ni se s t a b l i s h e d a n db ye x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，t h e r e q u i r e dm o d e lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h e n ，v a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c so fm o u n t i n gs y s t e ma r ea n a l y z e db yam e t h o do f p r o g r a m m i n gi nm a t l a b ，a n du s i n gt h em o d u l eo fm a t l a b g u i d em a k e sa g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ef o rt h r e eo rf o u rm o u n t i n gs y s t e m t om a k et h ea c c u r a c yo f t h em o d e l ，am o d e lo fa d a m sh a sb e e ne s t a b l i s h e da n ds i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e n r u nt oc o m p a r ew i t ht h er e s u l to fm a t l a bm o d e l m e a n w h i l e ，t e s t so nt h em o u n t i n g s y s t e mo ft h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i b i l i t yw e r et e s t e d f i n a l l y , b a s e do nt h ea c c u r a c yo ft h em o d e l ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nm o d e l w h i c hi se s t a b l i s h e di nf r o n t ，a d d i n gt h er e l e v a n tc o n s t r a i n t s ，t h es t i f f n e s so fm o u n t e l e m e n t si sc h o s e na sd e s i g nv a r i a b l ea n dt h el e a s ta m p l i t u d eo fr e s p o n s i v ef o r c ei n i d l ec o n d i t i o ni sc h o s e na so b j e c t i v ef u n c t i o n t h e n ，o p t i m i z a t i o no ft h em o u n t i n g s y s t e mi s r u nb ya d a m s c o m p a r e dw i t hb e f o r eo p t i m i z m i o nf r o mt h e n a t u r a l 动力总成恳置系统的特性分析与优化设计 f r e q u e n c y , e n e r g y , a n do t h e rm u l t i a n g l ep e r f o r m a n c e s ，r e s u l t s s h o w e dt h a tt h e o p t i m i z e dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r em u c h b e t t e rt h a nb e f o r eu n d e rt h er e l e v a n t c o n d i t i o n s ，i n d i c a t i n gt h a tt h eo p t i m i z a t i o ni ss u c c e s s f u l k e y w o r d ：t h ep o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m ，s i xd e g r e e so ff r e e d o m ，s i m u l a t i o n i v a n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n l 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 动力总成悬置元件的发展。2 1 3 橡胶悬置系统研究的发展4 1 4 本文研究内容6 第2 章动力总成悬置系统隔振原理与激励分析 7 2 1 悬置系统隔振理论7 2 1 1 来自发动机的激励7 2 1 2 来自路面的激励8 2 1 3 发动机激振频率范围分析。1 0 2 2 悬置系统激励分析1 2 2 2 1 单缸发动机曲柄连杆机构受力分析1 2 2 2 2 四缸直列发动机曲柄连杆机构受力分析1 4 2 3 本章小结。1 5 第3 章动力总成悬置系统模型建立分析1 6 3 1 动力总成悬置系统的布置方式1 6 3 1 1 悬置系统支承点的数目及其位置1 6 3 1 2 悬置系统弹性支承常用的布置型式1 6 3 2 橡胶悬置动力学模型的简化及建立1 8 3 3 动力总成悬置系统六自由模型的建立2 l 3 3 1 动力总成悬置系统各坐标系的规定。2 1 3 3 2 系统动能及惯性矩阵的获取。2 2 3 3 3 系统势能及刚度矩阵的获取2 3 3 3 4 系统耗散能及阻尼矩阵的获取2 5 3 3 5 动力总成悬置系统的数学模型2 6 3 4 动力总成：悬置系统参数的获取2 6 3 4 1 动力总成质量和质心位置的测量2 6 3 4 2 动力总成转动惯量及惯性积测量2 8 v 动力总成悬置系统的特性分析与优化设计 3 4 3 悬置参数的测量。3 1 3 5 本章小结3 1 第4 章动力总成悬置系统特性仿真分析与实验研究。3 2 4 1 系统的固有特性分析3 2 4 2 系统的耦合特性分析3 3 4 3 系统的动态特性分析3 6 4 3 1n e w m a r k 法在悬置系统稳态响应中的应用3 6 4 3 2s i m u l i n k 仿真模型的建立。3 7 4 3 3 仿真对比3 8 4 3 4n e w m a r k 法求解动反力3 9 4 4 动力总成悬置系统的g u i 4 0 4 5 动力总成悬置系统a d a m s 模型的建立及验证4 2 4 5 1a d a m s 模型的建立。4 2 4 5 2 悬置系统a d a m s 模型置信度的验证4 2 4 6 动力总成悬置系统动态响应仿真分析4 5 4 6 1 怠速工况下的响应仿真分析4 5 4 6 2 高速工况下的响应仿真分析。4 9 4 7 动力总成悬置系统振动传递率实验测试5 0 4 7 1 实验工况和测点布置5 0 4 7 2 测试仪器设备、方法5 1 4 7 3 评价指标振动加速度均方根值、加速度传递率5 1 4 7 4 实验数据处理及分析5 2 4 8 本章小结5 3 第5 章动力总成悬置系统的优化设计 5 1 动力总成悬置系统优化条件的设定5 4 5 1 1 目标函数的选取5 4 5 1 2 设计变量的选取5 6 5 1 3 约束条件的选取5 6 5 2 优化结果分析5 7 5 2 1 怠速工况悬置系统优化前后响应对比5 8 5 2 2 优化后悬置系统固有特性分析6 1 江苏大学硕士学位论文 5 2 3 怠速工况下的频率响应对比6 3 5 3 本章小结6 4 第6 章全文总结与展望 6 1 工作总结6 5 6 2 工作展望6 5 参考文献 致谢 硕士期间发表的论文 6 7 7 1 7 2 v 汽车作为重要的路上交通工具，与人类的生活密切相关。随着汽车向高速化 和轻量化方向发展，振动噪声问题日益突出，人们对振动和噪声的要求越来越严 格，振动分析理论也越来越受到重视。汽车行驶的平顺性、乘坐舒适性、发动机 的减振和隔振更离不开振动分析。发动机是整车主要的振源之一，汽车行驶时因 路面不平、气缸内燃气爆炸压力、运动件的不平衡惯性力周期性的变化都会使发 动机整机系统和曲轴系统产生振动，其悬置系统隔振性能的优劣直接关系到发动 机振动向车体的传递【1 1 ，因而发展性能更好的隔振元件是必需的。 近十几年来，对于汽车动力总成悬置系统的研究日益重视，并且已经从橡胶 悬置系统发展到液压悬置系统，并且在这两方面都取得了显著的成果。由于我国 的实际情况，显然大多数的汽车还是采用橡胶悬置系统，价格便宜是显著的优势， 所以橡胶悬置仍然有其广阔的应用市场，特别是轿车轻量化设计趋势的发展和前 置前驱轿车增多，对橡胶悬置系统的隔振性能的要求也日益增高，所以本课题仍 以动力总成橡胶悬置系统作为研究对象。 汽车振动的激励力主要来自以下三方面： 路面不平度 车轮失衡 发动机工作引起的激励 路面不平产生的激励力具有随机性，且路面谱幅值呈现指数曲线分布，能量 主要在低频带。车轮失衡产生的激励力具有周期性，其激励频率随车速而变化。 发动机激励通过悬置系统传给车架或车身，进而引起整车的振动。在汽车设计中， 车轮失衡已经不难解决，主要要解决的是路面不平和发动机激励所引起的整车振 动。而发动机作为一个主要的振源，其振动是由动力总成( 主要包括发动机、离 合器及变速器等) 经悬置系统传递给车身引起车身振动。因此，最大限度地减少 发动机产生的振动和噪声向车身或车架传递是汽车减振和降噪的关键。动力总成 悬置系统的分析和设计便是为了减轻发动机激励所引起的整车振动。 动力总成：悬置系统的特性分析与优化设计 1 2 动力总成悬置元件的发展 在没有动力总成悬置元件之前，动力总成足直接连接到车架上的，其振动直 接通过车架传入驾驶室而降低了乘坐的舒适性。特别是在2 0 世纪2 0 年代左右， 在汽车上广泛使用了四缸发动机，其严重不平衡的二阶惯性力致使动力总成的振 动尤为突出。这一问题受到汽车制造者和用户的关注，世界上各大汽车公司都投 入了大量人力和物力来研究这一课题。随着人们对橡胶产品的认识，人们开始采 用橡胶件来连接动力总成和车架，利用橡胶件的隔振特性来吸收和隔离动力总成 的振动，从而减小动力总成和车体之间的振动传递，其在汽车的隔振上得到了广 泛的应用。 目前汽车动力总成用的橡胶悬置一般为上下两个金属骨架，中间夹一层橡胶 组成。按结构形式橡胶装置可分为压缩型、剪切型和复合型，如图1 1 所示。在 具体使用过程中，可根据所需要的刚度来选择不同的形状。在形状固定的情况下， 也可以通过改变橡胶的硬度或加入钢板来实现不同的隔振特性。 il 蘸 ll ( a ) 雁缭罐( b ) 剪切聚 ( c ) 复合联 图1 1 常用橡胶悬置类型 f i g 1 1c o m m o nt y p eo fr u b b e rm o u n t 虽然橡胶悬置由于其结构紧凑、价格便宜、便于维护、使用寿命长等优点而 得到广泛的应用，但由于目前道路条件改善，汽车设计朝着轻量化方向发展，特 别是发动机前置前驱动布置，传统的橡胶悬置已无法满足汽车多工况宽频带上的 减振降噪要求。同时，当激振频率大于2 0 0 h z 时，橡胶装置的动刚度也会突然 增加而出现硬化现象而降低舒适性，这一特性使设计人员难以设计出符合要求的 悬置系统，因此就产生了其他的悬置。 1 9 6 2 年美国通用公司r i c h a r dr a s m u s s e 2 l 提出了一种液压悬置，它能提供 2 江苏大学硕士学位论文 更大的阻尼，并申请了第一个液压悬置专利。随着新工艺、新材料的发展，2 0 世纪7 0 年代研制出了具有频变特性的液压阻尼式橡胶悬置，简称液压悬置。液 压装置能够获得广泛的应用主要取决于以下原因：在高频范围，具有小阻尼、小 动刚度的特点，可在较宽的频带内克服橡胶的动态硬化效应，显著扩大悬置系统 的有效隔振频率范围，从而提高车辆高频时的乘坐舒适性；在低频范围，其具有 大阻尼、大动刚度的特点，既可以有效地衰减低速时动力总成的稳态振动，也可 以很好的控制车辆在启动、加速、制动、转弯等非稳态下动力总成的非稳态振动。 自液压悬置得到各大公司的重视后，陆续开发研制了各种结构的液压悬置。 比较有代表性的发展阶段如下： 1 9 7 9 年，德国a u d i 公司率先在a u d i 五缸o t t o 发动机上应用液压悬置【3 1 ， 并提出了a u d ii b o g e 、f r e u d e n b e r g 、a u d ii i 三种系统模型，第一次将液压悬置 应用于实际车辆上，实验表明：这种液压悬置明显提高了5 缸6 缸发动机的汽车 乘坐舒适性，标志着汽车发动机动力总成液压悬置应用从此开始。 1 9 8 5 年，美国g m 汽车公司规定，在所有的a 型和k 型车上，动力总 成悬置系统采用液压悬置，同年福特公司将液压悬置应用于轻型货车上，表明液 压悬置已经开始普及【4 】。 1 9 8 8 年，法兰克福展览会上德国f r e u d e n b e r g 公司展出了可以根据发动机 工作负荷和路况变化而提供最优阻尼的半主动控制式液压悬哥5 1 。同年，m e t z e l e r 公司在世界上首先成功开发了电流变液体的液压悬置【6 】，标志着液压悬置由被动 式向半主动控制式方向发展的趋势。 1 9 9 5 年，d e l p h i 底盘系统公司将主动式液压悬置应用于四缸发动机动力总 成，同年，日本丰田汽车公司和p a u l s t r a 公司分别开发出主动悬置系统并将其 应用于轿车上面r n 。 1 9 9 8 年，丰田汽车公司在凌志l e x u sr x 3 0 0 轿车上首次批量采用了主动控 制式发动机悬置系统f 8 1 。 经过几十年的发展，发动机悬置经历了结构上由简单到复杂，控制方式上由 被动式到半主动式、主动式的发展历程，总结起来其发展经历了：橡胶悬置、被 动式液压悬置、半主动悬置和主动悬置四个阶段，如图1 2 所示。随着人们对汽 车乘坐舒适性要求的不断增加，发动机悬置的隔振性能将向着更加完善的方向发 3 动力总成悬置系统的特性分析与优化设计 展1 9 1 。 a m c 翻t i v l 瞰e y m o u n 毫 图1 2 悬置系统的发展历程图 f i g 1 2h i s t o r yc h a r to fd e v e l o p m e n to fm o u n t i n gs y s t e m 1 3 橡胶悬置系统研究的发展 悬置元件的研究是动力总成隔振系统的一个基本问题，最终的目标是确定整 个悬置系统的性能。对悬置系统，专家学者们这些年做了大量的研究。 早期，人们通常把悬置系统简化为单自由度振动系统，该模型对于研究悬置 元件本身特性和隔振原理很有价值。但是发动机悬置系统是六自由度系统，如果 仍以该模型来研究悬置系统，则无法实现发动机悬置各模态之间的解耦。针对这 个问题，2 0 世纪7 0 年代c k h d h a r a n 和d w w i n d s t e i n 提出了发动机悬置系统 六自由度的振动微分方程组： 时】 量 + 医船) ：扩) ( 1 1 ) lj 从此国外有关悬置系统的研究多以六自由度模型展开，推动了今后悬置系统 的研列1 0 l 。 1 9 7 9 年，美国通用汽车公司的s t e p h e nr j o h n s o n 首次将优化技术应用于悬 置系统的设计，以合理匹配系统固有频率和实现各个自由度之间的振动解耦为目 标函数，以悬置元件刚度和悬置元件安装位置为设计变量进行优化计算，结果使 4 江苏大学硕士学位论文 系统各平动自由度之间的振动耦合大为减少，保证了悬置系统六阶固有频率在期 望的范围内f 1 1 】。 1 9 8 4 年，美国福特汽车公司的p e g e c k 和r d p a t t o n 将发动机动力总成悬 置系统与整车系统联系起来一起考虑，统筹兼顾，更加完善了悬置系统的优化设 计理论1 1 2 】，他们以侧倾运动解耦、降低侧倾模态固有频率为目标函数对悬置系 统进行优化。 1 9 8 7 年，h h a t a 和h t a n a k a 对怠速工况下动力总成悬置系统的振动进行了 深入的研究，指出对动力总成悬置系统来说，优化悬置刚度的效果不如优化位置 好，并从隔振设计的角度探讨了悬置系统和车身之间布置合理的频率范卧1 3 1 。 1 9 9 3 年，j o h nb r e t t 提出了一种和传统发动机动力总成悬置系统设计理论不 同的方法最小响应设计方法。他的方法是以车厢的振动响应最小为设计目 标，而不像传统的设计方法以合理的汽车动力总成的刚体模态为设计目标【1 4 1 。 1 9 9 8 年，福特公司的a r s o l o m a n 将解耦理论应用于一卡车的设计当中， 解决了其侧向振动的问题【1 5 】【坷。 1 9 9 9 年，t s u n e ot a n a k 等人将动力总成悬置系统纳入整车模型，并利用有限 元分析技术，描述了降低怠速时整车振动的方法【1 7 1 。 国内有关动力总成悬置系统的研究始于2 0 世纪8 0 年代初，但通过国内学者 对动力总成悬置系统隔振深入的研究，也取得了一些重要成果，下面介绍一下国 内这方面的研究状况。 1 9 8 3 年，清华大学徐石安等人就开始对悬置系统进行了研究，在优化时以 悬置处动反力幅值最小为目标函数，同时使系统的固有频率得到合理匹配，取得 了较好的效果【1 8 1 1 2 1 1 。 1 9 9 2 年，华南理工大学上官文斌等人从工程实用角度出发，通过在扭矩轴 坐标系中建立优化模型，以系统固有频率为目标函数，充分考虑系统解耦、撞击 中心理论应用等原则为约束条件，取得了良好的效果【2 2 】。 1 9 9 7 年，史文库、林逸、吕振华通过建立1 6 自由度的整车动力学模型，进 行仿真分析和实验，分析了液压悬置和橡胶悬置在怠速工况下对整车振动的不同 影响【2 3 1 。 2 0 0 3 年，吕振华以动力总成悬置系统的设计理论和优化方法为基础，系统 5 动力总成恳置系统的特性分析与优化没计 分析了各项因素对动力总成悬置系统隔振性能的影响，并以悬置的安装位置和角 度以及：悬置的刚度为设计变量，通过两种方法对动力总成悬置系统进行了优化设 计，大大提高了系统的解耦率。 2 0 0 9 年，陈剑等建立发动机悬置系统6 自由度模型，采用能量解耦的方法 设定优化目标函数，应用多岛遗传算法进行确定性优化。运用m o n t ec a r l o 方法对 优化结果进行可靠性分析，并计算解耦灵敏度取得了较好的效果阁。 1 4 本文研究内容 本文以某款轻卡为研究对象，主要研究内容有： ( 1 ) 详细阐述悬置元件简化，同时建立了悬置系统的力学模型和数学模型， 并运用拉格朗日定理，建立了系统的振动微分方程，并对动力总成悬置系统的基 本参数测量方法的优缺点进行了归纳总结，选出合适的方法获取所需的参数； ( 2 ) 利用测量参数，在m a t l a b 中通过编程对悬置系统进行了固有特性、 耦合特性及动特性分析，其中动特性以怠速工况为研究工况，利用n e w m a r k 编 程法和s i m u l i n k 仿真模型两种方法对悬置的变形、悬置所受的动反力以及动力 总成质心处的响应进行分析； ( 3 ) 为了方便得到悬置系统的固有频率和能量解耦情况，利用m a t i a b 的g u i d e 用户界面编制了求解悬置系统固有频率、振型及能量解耦的专用g u i 界面； ( 4 ) 在a d a m s 中建立悬置系统模型进行仿真分析，与m a t i a b 中编程 仿真得出的结果进行对比验证，保证模型的正确性，并对悬置系统的振动传递率 进行了试验测试分析； ( 5 ) 利用a d a m s 软件中建立的模型和分析的结果，确定优化目标函数、 设计变量、约束条件，并对此动力总成悬置系统进行优化设计，并从多个方面对 优化效果进行分析，从而确定隔振系统的性能得到提高。 6 隔振问题特性，首先作以下假设【2 6 1 2 7 1 ： ( 1 ) 把支持发动机的底盘视为绝对刚体； ( 2 ) 发动机的旋转角速度是一个常数； ( 3 ) 发动机在各个方向的振动及回转运动之间互不影响。 根据以上假设，就可以单独研究发动机在各个方向的振动问题。由于汽车的 振源主要来自于两个方面：发动机和路面，所以分两种情况来分别介绍发动机隔 振原理。 2 1 1 来自发动机的激励 为了分析的方便，单独考虑发动机垂直方向单自由度振动，以此来讨论发动 机隔振问题，如图2 1 所示为发动机垂向自由度振动系统【删。设发动机垂向激励 为rs i i l 协) ，悬置简化为弹簧和阻尼组成的隔振器。分析可知，系统的运动微 分方程为： m x + c x + k x = f os i n ( a g ) ( 2 1 ) 由振动理论可知，系统的传递率为： l = 每= 式中：五为频率比，兄= 叫； 缈为激振频率，r a d s ； 魄为系统的固有频率； ( 2 2 ) 7 动力总成恳置系统的特性分析与优化设计 f 为阻尼比； 图2 1 发动机垂向单自由度振动系统 f i g 2 1v e r t i c a lv i b r a t i o no fs i n g l ed e g r e eo ff r e e d o mo ft h ee n g i n es y s t e m 以名为横坐标，t a 为纵坐标，作出了不同阻尼系数情况下的幅频响应曲线， 如图2 2 所示。 图2 2 不同阻尼比情况下的幅频响应曲线 f i g 2 2d a m p i n gr a t i oi nd i f f e r e n tf r e q u e n c yr e s p o n s e c u r v e s 2 1 2 来自路面的激励 如图2 3 所示，毛表示路面的激振使车架产生的位移，x ：表示发动机动力总 成的位移，则七g ：一五) 为弹簧力，c ( 乏一i ) 为阻尼力，由牛顿第二定律可得： 8 历互= k 一而) 一c ( 乏一三) 3 ， 文 图2 3 路面激振力隔振简图 f i g 2 3d i a g r a mo ft h er o a dv i b r a t i o ne x c i t i n gf o r c e 应用阻抗法，令墨= x l e j 积，则k + c x l = + j o , c ) x , e 埘= f 田e 埘 上面提到的激振力，简化上式为： 伍一缈2 m + j 优p ：= 忙+ j 优比 则 x _ 2 _ 2 ： k + j a w x 1k c 0 2 m + _ 伽 ( 2 4 ) ，即为 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 6 ) 可知，x ：x 与b 佤的推导结果是一致的，即两 者都可以称为传递率方程，弓f 0 表示从动力总成到车架的力的递，而x ：x 。表 示从车架到动力总成的运动传递，因此两者的隔振要求是一致的，即第二种情况 也完全符合图2 2 。 从图2 2 中分析，可以得出以下结论【4 2 】： ( 1 ) 随着频率比增大，开始时，传递率迅速上升，到频率比五接近1 时， 即外激频率接近系统固有频率时，输出振幅出现最高峰，即名1 时，为共振点， 小的阻尼会使系统产生过大的振幅，具有很大的破坏性； ( 2 ) 当名在0 7 5 一2 时，为隔离区，在此区间传递率大于1 。即经隔振器 传递后的响应幅值反而比激振振幅还大，所以应竭力避免该区域的出现； 9 动力总成恳置系统的特性分析与优化设计 ( 3 ) 当旯大于2 时，为工作区域，此时无论阻尼大小，随着频率比增加， 传递率逐渐趋于零，这正是设计要求的隔振效果。但在五大于5 以后，传递率几 乎水平，实际上选取名值在2 5 - 5 之间隔振效果已经足够了。同时，当力大于2 时，传递率随阻尼比的增大而提高，即在此情况下增大阻尼不利于隔振，因此发 动机；悬置不宜选取太大阻尼。 由上述分析可知，要解决发动机隔振问题，关键在于激振频率与发动机悬置 系统固有频率的选取，即：使激振频率与系统的固有频率之比大于2 ，这样系 统才能有较好的隔振性能。而在实际工程设计中，激振频率的范围很重要，因此 对激振频率范围进行分析很有必要。 2 1 3 发动机激振频率范围分析 由上面几节可知，对于发动机来说，基本受到两种振源的激振：一是来自发 动机的激振；二是来自路面的激振。路面激振基本属于低频范围，并且通过悬架 系统传给发动机，因此其频率除个别点以外，一般在2 5 h z 以下。对于发动机， 激振频率基本可以分为以下几种情况【6 1 】： ( 1 ) 燃烧激振频率，即等点火间隔，发动机的点火脉冲频率： = 等 ( 2 7 ) 式中：n 为气缸数； 1 1 为曲轴转速( r m i n ) ； c 为冲程数。 ( 2 ) 曲轴不平衡质量引起的激振，其频率为： ，2 = 品 ( 2 8 ) ( 3 ) 惯性力激振频率，即不平衡旋转质量和往复运动质量引起的激振频率 为： ，3 = 警 ( 2 - 9 ) 式中：q 为激振阶数( 一阶不平衡力或力矩q = 1 ，二阶不平衡力或力矩 q = 2 ) 1 0 江苏大学硕士学位论文 综上所述，如果已知发动机的转速，就_ j 通过各式计算发动机的各种、徼振频 率。假设发动机怠速时的最小转速为t l m i a ，最大转速为万一，则各种情况下的激 振频率范围为： ( 1 ) 燃烧激振频率范围： 等 等 ( 2 ) 曲轴不平衡质量引起的激振频率范围：n 6 m o i n ，2 百n l n a x ( 3 ) 惯性力激振频率范围：一阶： 等 杀 二阶：百n m i n ，3 等 通常来说，不平衡引起的激振力为离心力，其大小与转速成正比，只有在高 速时其作用才较为明显；而点火脉冲引起的激振作用只有在低速时才明显，因此 做隔振处理时必须考虑频率的上下限。 通过以上分析，可以确定发动机作为振源的激振频率范围是： 2 x n xn m f 掣m 加( 1 + 1 3 s i n 2 研) 汜加， 式e e - m 卸为发动机输出扭矩。 按照空间力系简化原则，将这些力和力矩简化到广义坐标系下，如图2 6 ( b ) 所示，其表达式为【2 9 】： f = kb 疋m 工m ) ，m zj ( 2 2 1 ) 式中：e = 0e = 0e = 4 m 2 以缈2 c o s 2 r t m 。= e am ，= m 。0 0 + 1 3 s i n 2 )m ；= e a = 0 其中m ，为单缸活塞及往复运动部分质量，r 为曲柄半径，五为曲柄半径与连 1 4 2 3 本章小结 ( a )( b ) 图2 6 直列四缸发动机空间力系 f i g 2 6s p a c ef o r c es y s t e mo fl i n ef o u r - c y l i n d e re n g i n e 本章从悬置系统的隔振理论和悬置系统的激励两个方面进行了阐述。首先介 绍了悬置系统的隔振理论，分别讨论了激振力来自发动机和来自路面时，动力总 成悬置系统的隔振问题，然后对发动机激振频率范围进行了分析，最后对悬置系 统受到的激振力进行了详细的分析，从而得出后续仿真和优化所需的等效简化激 振力。 动力总成悬置系统的特性分析与优化设计 第3 章动力总成悬置系统模型建立分析 动力总成悬置系统模型建立的好坏，直接关系到后面对悬置系统固有特性、 耦合特性、动特性以及优化设计的分析，因此本章对悬置元件模型的简化和悬置 系统模型的建立进行了详细的分析，并介绍了悬置系统所需参数不同测量方法的 优劣，进而选出合适的方法进行测量，获取需要的各项参数。 3 1 动力总成悬置系统的布置方式 3 1 1 悬置系统支承点的数目及其位置 汽车动力总成悬置系统多采用三点或四点支承。三点式悬置的运动顺从性 好，因为三点决定一个平面，不受车架变形的影响，而且固有频率低，抗扭转振 动的效果好。四点悬置的稳定性好，能克服较大的扭转反作用力，但不利于隔离 低频振动，其前横梁支撑前悬置，导致减振效果下降。目前纵置动力总成通常采 三点式【3 0 1 ：三点式通常的布置是两点在动力总成风扇端，一点在飞轮端；横置 动力总成通常采用四点式：四点式通常的布置是动力总成风扇端两点，动力总成 飞轮端两点。很多汽车动力总成即使是采用四点支承的也力求将飞轮端的那两点 尽量靠拢，以达到三点支承的效果。 本文研究的悬置系统采用的是四点支承方式。 3 1 2 悬置系统弹性支承常用的布置型式 动力总成悬置系统的任意布置会导致刚度矩阵的耦合，使系统达不到很好的 隔振效果。在工程实际中，一般总是让悬置系统带有一定的对称性和规律性。由 于悬置元件是具有三向刚度的，所以，按照三个刚度轴线与参考坐标轴线的相对 关系，一般汽车上应用的悬置系统弹性支承的布置有以下几种基本型式【3 1 】【3 刁： ( 1 ) 平置式 这是一种常见的、传统的布置方式，其优点是布局简单、安装容易，如图 3 1 左所示。在这种布置方式中，每个悬置的三个互相垂直的刚度轴0 1 p 、o l q 、 o l r 分别对应的平行于所选取的参考坐标轴o x 、o y 、o z 。其中，o x 轴垂直于o z 、 o y 所在的平面，在图中未显示。平置式的悬置，可以是不同类型的，也可以是 1 6 江苏大学硕士学位论文 同一系列型号但安装方式不同的，但重要的一点是不管哪个悬置，其三个主刚度 轴o x p 、o l q 、0 1 1 必须是对应平行于o x 、o y 、o z 轴。在平置式中，消除耦合振动 的主要方法是使悬置作成对的对称布置，即：使悬置位置坐标的正负数值之和为 零，从而消除耦合。 ( 2 ) 斜置式 所谓斜置式布置是指每个悬置三个相互正交的主刚度轴相对于参考坐标轴 存在一定的角度关系，如图3 1 右所示。在这种布置方式中，o l p 轴平行于o x 轴， o a q 、0 1 1 轴分别与o y 、o z 轴成一夹角0 ，这是一种目前汽车发动机中用的最多 的布置方式。这种布置方式的最大优点是：它既有较强的横向刚度，又有足够的 侧倾柔度。此外，它还可以通过布置位置、斜置角度以及悬置两个方向上的刚度 比等适当配合来达到横向、侧倾解耦的目的，这是平置式较难做到的。 ( 3 ) 会聚式 这种布置方式的特点是弹性支承的所有悬置的主要刚度轴均会聚相交于同 一点，如图3 2 所示。除了有良好的稳定性外，它最大的优点是可以通过调节布 置坐标和倾斜角度的关系来获得六种完全独立的振动模态。只是这种布置方式实 施起来并不容易，且一般汽车发动机并没有纵向激励，斜置式完全能够满足隔振 要求，因此应用不多。 本文研究的悬置系统所采用的平置布置的悬置。 q 愿翌 图3 1 平置式和斜置式 f i g 3 1f l a tt y p ea n do b l i q u et y p e 1 7 动力总成悬置系统的特性分析与优化设计 l ； 怂後后慰鼹 图3 2 会聚式 f i g 3 2c o n v e r g e n tt y p e 3 2 橡胶悬置动力学模型的简化及建立 对于橡胶悬置而言，它是一个三维实体，承受三向的力，其变形情况比较复 杂。在介绍悬置元件简化之前，首先介绍下悬置元件相关的概念如表3 1 【3 3 1 。 表3 1 悬置元件相关概念 t a b l e 3 1m o u n tf o rr e l a t e dc o n c e p t s 名称定义 当作用于橡胶元件的力只在力方向发生弹性位移而不引起其它位移，称此力 弹性主轴 作用方向为橡胶元件的弹性主轴方向 弹性中心沿弹性主轴方向的三维弹性主轴相交于一点，称为弹性中心 主轴刚度沿弹性主轴方向的刚度为主轴刚度 由表3 1 相关定义可知，当力通过橡胶元件的弹性中心时，只发生平移而不 发生角位移。橡胶悬置的弹性主轴方向和弹性中心位置和悬置本身的形状有直接 关系，当悬置形状复杂不规则时，弹性主轴和弹性中心是不存在的。为方便研究， 本文中只讨论有弹性主轴和三维弹性中一t s , 的橡胶悬置。 橡胶悬置可简化为一端固定于动力总成，一端固定于车架的粘弹性构件。因 橡胶支承扭簧作用产生的分量很小可忽略。在这种假定下，橡胶的弹性中一t s , 是存 在的。由于目前尚无完善的橡胶内阻理论，工程上常把橡胶的弹性力和阻尼力综 合到一起考虑，用“动刚度”这一