（机械设计及理论专业论文）液阻型悬置“固—液耦合”有限元分析.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密眇 学位论文作者签名：李蘸 日期：土d f 年月彭日 东华大学硕士学位论文 摘要 液阻型悬置“固一液耦合 有限元分析 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、悬置动特性等进行了深入研究。 首先针对所研究的惯性通道一解耦式液阻悬置结构特点，通过对 其结构以及工作原理的探究，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，并探讨建立相对应的悬置的评价标准。 然后探讨建立了液阻悬置的动特性进行参数化分析的方法，利用 参数分析方法研究橡胶主簧，惯性通道，解耦盘以及解耦膜对液阻悬 置动特性的影响，并通过有限元方法对其进行仿真分析。 其次探讨了利用固一液耦合有限元仿真技术对液阻悬置特性进 行模拟计算的方法，建立了液阻悬置固一液耦合分析的有限元模型， 计算分析了其静、动态特性和上、下液室与惯性通道的压力分布、惯 性通道中液体流动的速度分布等内部特性的变化规律，有助于深入理 解液阻悬置的工作机理。 最后讨论了建立橡胶材料超弹性本构关系的实验测试和理论分 析方法的技术要点，并且对液阻悬置的复杂橡胶主簧的弹性特性进行 东华大学硕士学位论文摘要 了计算分析。 关键词：发动机液阻悬置，固一液耦合有限元分析技术，动特性，橡 胶主簧有限元分析 ar e s e a r c ho ns i m u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rs t r u c t u r e f l u i d 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r a c t i o no f h y d r a u l i c a l l yd a m p e dr u b b e rm o u n t a b s t r a c t 1 1 1 eh y d r a u l i c a l l yd a m p e dm o u n t ( 皿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 ee n g i n e s y s t e m n ed y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n go f 皿m c a nb ef r e q u e n c ya n da 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 r e rv 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 nc 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 s a r ew i d e l yu s e di nv e h i c l e t h i sp a p e ra n a l y s e st h et y p i c a ls t r u c t u r e w o r k i n gp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ft w oh y d r a u l i cm o u n t s a d d r e s s e si n d e t a i lt h em o d e l i n gm e t h o d so fe n g i n e h y d r a u l i cm o u n t s f i r s t l y , c o n s i d e r i n gt 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 at r a c k - d e c o u p l i n gh y d r a u l i c a l l yd a m p e d m 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 se s t a b l i s h e du s i n gt h el u m p e d p a r a m e t e rm e t h o d t h ei n f l u e n c eo fr u b b e rs t r u c t u r e f l u i do 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 a t r a c ka sw e l la st h es h a p eo fi n e r t i at r a c ko nt h ec h a r a c t e ro fh d ma r ec o n s i d e r e di nt h e e s t a b l i s h e dm o d e l a l s o , t h ea c c o r d i n ge v a l u a t i o ns t a n d a r di se s t a b l i s h e d s e c o n d l mt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r so fh d m a r ei n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo fr u b b e rs p r i n g 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 cc h a r a c t e r so fh d m a r e s t u d i e d t h i r d l y , t h em o d e l i n gm e t h o d sf o rh d m w i t hf s if e at e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e d , a n df s i f e am o d e l sf o rd y n a m i ca n a l y s e so fa nh i ) mw i t ha ni n e r t i at r a c ka n daf l e eu n c o u p l e ra r e e s t a b l i s h e d t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh d ma r ep r e d i c t e dw i t ht h em o d e l sa n d t h er e s u l t sa r ec o m p a r e df a v o r a b l yw i t he x p e r i m e n t a ld a t a c a l c u l a t e dr e s u l t so fs o m ev a r i a b l e si n t h em o d e l s u c ha st h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ef l u i dc h a m b e r , t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h e f l u i di nt h ei n e r t i at r a c ka n dt h ed i s p l a c e m e n to ff l e eu n c o u p l e ru n d e rd i f f e r e n te x c i t a t i o n s ， e l u c i d a t et h ew o r k i n gm e c h a n i s mo f t h eh d m f m a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o da n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so u t l i n e sf o re s t a b l i s h i n gr u b b e r h y p e r e l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e la r es t u d i e d t h ee l a s t i cp r o p e r t i e so f ar u b b e rs p r i n go ft h eh d m a r ee s t i m a t e df r o mn o n l i n e a rf e am e t h o d , a n dt h er e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h ef e am e t h o df o rt h ea n a l y s i so fr u b b e rp r o d u c t s d i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o ni su s e f u lf o rt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h er u b b e r s p r i n g sw i t hc o m p l e xc o n f i g u r a t i o n l i a n gl i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db yy o n g - p i n gs h u 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 ，s t r u c t u r e - f l u i di n t e r a c t i o nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st e c h n i q u e ，d y n a m i cc h a r a c t e r ，s p r i n go fh d m f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 东华大学硕士学位论文第一章绪论 目录 第一章绪论1 1 1 汽车动力总成悬置系统和隔振元件1 1 2 液阻悬置的的发展历史2 1 3 液阻悬置的研究方法3 1 3 1 常规分析方法4 1 3 2 系统参数识别方法5 1 4 论文的主要研究内容6 第二章惯性通道一解耦膜式液阻悬置的模型分析7 2 1 引言7 2 2 液阻悬置的结构及工作原理8 2 2 1 液阻悬置的结构组成8 2 2 2 液阻悬置的工作原理9 2 3 液阻悬置的物理模型1 0 2 3 1 液阻悬置物理模型的基本假设1 0 2 3 2 液阻悬置的物理模型分析1 0 2 4 液阻悬置性能的评价参数1 3 2 4 1 动刚度和滞后角1 3 2 4 2 高频动态硬化时的最低频率1 4 2 5 小结1 4 第三章基于固一液耦合有限元技术的液阻悬置集总参数模型分析1 5 3 1 引言1 5 3 2 固一液耦合有限元分析理论与应用问题探讨1 5 3 2 1 不可压缩液体的数学模型1 7 3 2 2 橡胶结构的数学模型1 7 3 2 3 固一液结构耦合有限元分析方法2 0 3 3 非线性集总参数模型中主要物理参数的计算2 7 3 3 1 橡胶主簧的垂直刚度2 8 3 3 2 上液室的体积刚度3 1 3 3 3 惯性通道中液体的惯性系数和流量阻尼系数3 2 3 3 4 解耦盘及其附连液体的惯性系数和流量阻尼系数3 4 3 4 基于有限元分析技术和集总参数模型的液阻悬置设计分析3 5 3 4 1 液阻悬置集总参数模型物理参数确定的方法3 6 3 4 2 液阻悬置集总模型动特性仿真分析的特点3 8 3 5 小结3 8 第四章液阻悬置固一液耦合动力学特性的有限元仿真分析4 0 4 1 引言4 0 4 2 液阻悬置的二维固一液耦合有限元分析4 0 4 3 三维固一液耦合有限元仿真分析4 2 4 3 1 固体的有限元模型4 2 东华大学硕士学位论文第一章绪论 4 3 2 液体的有限元模型。4 3 4 3 3 静态特性的仿真分析4 4 4 3 4 动态特性的仿真分析4 5 4 4 液阻悬置流道不同结构对其动刚度性能的影响5 1 4 4 1 动刚度与滞后角的计算方法5 l 4 4 2 不同的流道尺寸下的动刚度与滞后角5 2 4 5 液阻悬置固一液耦合有限元仿真分析的特点5 3 4 6 小结5 4 第五章液阻悬置橡胶主簧弹性特性的有限元分析5 5 5 1 引言5 5 5 2 确定橡胶材料本构关系的实验方法与分析5 5 5 3 橡胶元件有限元分析时单元特性的要求5 6 5 4 建模与网格划分5 7 5 5 液阻悬置橡胶主簧弹性特性的有限元分析5 8 5 5 1 有限元分析的模型5 8 5 5 2 橡胶主簧三向刚度的计算5 9 5 5 3 橡胶主簧静态应力的分析6 0 5 5 4 橡胶主簧的动态应力分析6 0 5 5 5 不同结构方案橡胶主簧的分析6 2 5 6 小结6 3 第六章总结与展望6 4 6 1 全文总结6 4 6 2 展望6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 9 致谢7 0 v 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车动力总成悬置系统和隔振元件 汽车动力总成悬置系统是指动力总成与车架或车身之问的弹性连接系统，此 系统设计的优劣直接影响到汽车的乘座舒适性。随着道路条件的逐渐改善，由发 动机引起的振动和噪声对人们乘坐舒适性的影响越发的突出，加之世界各国对汽 车节能环保要求的提高，使得汽车厂商越来越重视对汽车发动机悬置的研究。 汽车行驶及发动机运转时的振动情况及其复杂，对悬置产生影响的激励振源 包括有发动机内部的点火激励1 1 和惯性力及转矩激励2 1 ，也有来自外部的道路、 悬挂系统、转向系统的激励。一般地说，悬置系统主要需要解决的振动问题有以 下几点【3 】： l 、降低从发动机传递到车架的稳态振动。在汽车行驶及停车怠速运转时， 往复式内燃机的不平衡旋转质量和平移质量产生的不平衡惯性力( 力矩) 和扭矩 波动的低阶( 主1 谐量激起发动机在悬置上的刚体振动，使发动机在怠速工况易发 生较强的低频振动，在高频区易引起车内空鸣声。对于中低档轿车常用的直列四 缸发动机，怠速下产生的不平衡力和气压扭矩波动的二阶主谐量易引起车体的共 振。 2 、隔离因汽车底盘受不平路面和不平衡车轮的稳态( 随机) 振动向动力总成 的传递，削减发动机的低频抖动( 6 2 0 h z ) 。 3 、降低发动机在启动，熄火时和汽车加速、减速、换挡、制动等非稳态工 况下发动机的瞬态振动及其向车体的传递，同时隔离车轮所受路面冲击引起的动 力总成的瞬态振动。 由上可见，动力总成悬置系统理想的特性为 4 , 5 1 ： 1 、悬置系统具有较高的静刚度，以支承动力总成重量。 2 、悬置系统应具有低频( 1 5 0 h z ) 大阻尼、大刚度，以衰减由于输出扭矩 的波动和由于汽车加速( 或者制动) 而引起的动力总成大振幅振动，以及衰减因 路面激励而引起的动力总成的低频振动。 3 、悬置系统在高频区域( 5 0 h z 以上) ，应具有小阻尼、小动刚度，以降低 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 振动传递率和提高降噪效果。 由上可见，对动力总成悬置系统动特性的要求是十分复杂的，有时甚至是相 互矛盾的。 从7 0 年代末开始，一种新型的液体阻尼型橡胶悬置隔振元件( 简称液阻型橡 胶隔振器或液阻悬置) 开始在国外汽车上推广应用，它是在封闭的橡胶悬置元件 内附设液体阻尼机构而成的，其弹性特性和阻尼特性都显著优于普通橡胶悬置元 件，可在很大程度上弥补普通橡胶悬置元件的缺点，从而可大大改善汽车动力总 成悬置系统的隔振降噪、减振缓冲性能。当它用于动力总成的隔振元件时，和橡 胶悬置相比较，液阻悬置的隔振效果有着显著的提高。 本论文拟基于某发动机动力总成液阻悬置系统，从对惯性通道一解耦膜式液 阻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，并且具有一定的学术价值和实用意义。 1 2 液阻悬置的的发展历史 从上个世纪三十年代起，汽车制造商普遍使用橡胶件作为悬置元件。橡胶悬 置结构简单、成本低，其最大的缺点是阻尼不足【6 】。近年来，随着橡胶材料工业 的发展，产生了一种大阻尼的橡胶材料。但是阻尼过大会增加悬置工作中产生的 热量，加速橡胶的老化。同时靠改进材料特性增加的阻尼毕竟有限，所以虽然橡 胶悬置元件也在不断改进，但仍无法满足现代汽车低振动、低噪音的要求【5 | 。 上个世纪四十年代，美国的r i c h e rh a r d m g 和s t r a c h o u s k y 先后提出将液阻减 振机构与橡胶悬置结合一体的思想，并在美国申请了专利。 1 9 7 9 年，a u d i 公司率先在a u d i 五缸o t t o 发动机上应用液阻悬置，实验证明， 舒适性明显提高。 1 9 8 1 年，保时捷汽车在生产的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2 8 度，远高于橡胶悬置。 1 9 8 2 年日本在f r ( 发动机前置后驱动) 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 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 效果较好。1 9 8 4 年日本开发的既能降低发动机振动又可降l 氐b o o m 声的液柱共振 式液阻悬置，它对l o h z 振动衰减率为0 5 ，l o o h z 附近动静比小于2 ，减振降噪效 果较好。 1 9 5 4 年f r e u d e n b e r g m e g u 】a s t i k 公司和e s e a n 公司在f r 式六缸发动机安装了解 耦式液阻悬置，最多可降低车内噪声3 5 d b 。同年，该液阻悬置被广泛用于德国 大众a u d i5 e 发动机和日本五十铃公司p i a z z a 发动机。 1 9 8 5 年，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 车和其他车型的普及。现在液阻悬置技术在汽车上的应用已扩展到独立悬架的液 力衬套、支承垫和驾驶室悬置等，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【7 】。 此外，液阻悬置按控制方式分类可被划分为被动式液阻悬置、半主动控制式 液阻悬置和主动控制式液阻悬置三类。后两种控制方式的液阻悬置的隔振、减振、 降噪性能均优于被动式液阻悬置。1 9 8 8 年法兰克福展览会上德 雪f r e u d e n b e r g 公司 展出可根据路况提供最优阻尼的半主动控制式液阻悬置。m e t z e l e r 公司在世界上 首先开发成功电流变液力的液阻悬置。同年，f r e u d e n b e r g 公司在f w d ( 前轮驱动) 四缸发动机上应用了主动控制式液阻悬置，取得了较为不错的效果。但由于这两 种控制方式的液阻悬置结构复杂，成本高，系统稳定性差等问题，还处于实用化 研究阶段。目前中低档轿车普遍使用的是被动式液阻悬置。 1 3 液阻悬置的研究方法 液阻悬置的非线性特性的研究方法主要可分为两种，一种是基于实验的研究 方法，另一种是基于计算机仿真的模拟研究方法。第一种方法对悬置系统的优化 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；第二种方法对液阻悬置元件的结 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。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 由于各自研究的目的不同，对悬置元件的建模方法可简单划分为以物理定律 推导为基础的常规建模方法和直接由实验结果获得模型的系统识别方法。另外， 研究重点也有高频动特性和低频动特性之分。 1 3 1 常规分析方法 m s u g i n o & e a b e t 8 】对阻尼孔式液阻悬置的减振机理进行了理论分析，主要 计算了阻尼孔的直径和长度、上下液室的体积刚度、液体的粘度、液室的等效活 塞面积等参数对阻尼孔中液柱共振频率的影响。m c l a r k f g t 、k s e t o 等人对惯 性通道式液阻悬置的减振机理进行了分析。文献【9 ，1 0 以振动传递率最小为优化 目标，对惯性通道式液阻悬置进行了优化设计。 m b e m u c h o n 等【1 l 】对惯性通道、惯性通道一解耦膜式液阻悬置的动特性进行 了实验研究并和橡胶悬置的动态特性进行了比较分析。m b e r n u c h o n 【1i 】利用集总 参数模型解释了液阻悬置的工作原理。 t u s h i i i i i l a 等人【1 2 1 对惯性通道、惯性通道解耦膜和惯性通道解耦盘式液 阻悬置的动态特性进行了实验研究。 w c f l o w e r ”】总结并完善了节流阻尼孔式、惯性通道式和惯性通道一解耦 盘式液阻悬置的工作原理和等效机械动力学模型。 如图1 1 为惯性通道一解耦盘式液阻悬置的等效动力学模型。液阻悬置橡胶 主簧的作用有两点：一是支撑发动机的重量，具有刚度和阻尼r r ；二是起类 似活塞的作用，使上下液室之间的液体流经惯性通道或者随解耦盘上下运动，橡 胶主簧的这种特性用等效活塞面积a p 来描述。另外，液阻悬置在工作时，橡胶 主簧在液室压力的作用下会膨胀变形，橡胶主簧的这种弹性特性用上液室的体积 柔度c 丁来描述。c r 的定义为 c f = a v a p ( 1 1 ) 即体积柔度等于上液室体积的变化a v 与液室压力变化p 的比值，其单位为m 5 。 体积柔度的倒数称为体积刚度，单位为m 5 。下液室的体积柔度用岛表示，其 大小与橡胶底膜的厚度、形状和硬度等有关。惯性通道的特性用其截面积a 丁和 长度l 、惯性通道中液体的质量m ( p a 丁r ，j d 为液体的密度) 和惯性通道体对其 中液体流动的流量阻尼系数尺。来表示( 在液阻系统中，称尺。为液阻) ；r o 与液体 4 东华大学硕士学位论文第一章绪论 运动的粘性阻尼系数的关系为 r o = 似孚 图1 - 1 惯性通道解耦盘式液阻悬置等效力学模型 ( 1 2 ) 解耦盘在上、下运动时，与其附连在一起的液体也随解耦盘的上、下运动而 运动，解耦盘及其附连液体的质量用 b d 表示，解耦盘自由运动的行程之半用 表示，解耦盘的面积用a d 表示。解耦盘上下运动时，液体对解耦盘的运动也有 阻尼，但与r o 相比要小的多。因此，在图1 1 所示的等效力学模型中，未考虑液 体对解耦盘的阻尼。上、下液室的体积较大，液阻悬置在工作时，液室中的液体 仅仅起传递压力的作用。由于橡胶主簧的等效活塞面积a p 要比惯性通道的横截 面积a 丁和解耦盘的面积a d 大很多，在位移x ( t ) 的激励下，惯性通道中液体运动的 速度或者解耦盘运动的速度会放大许多倍，输入的振动能量被惯性通道中的液体 或者解耦盘的运动所吸收，因此在文献 8 ，1 0 ，1 3 q ，均称液阻悬置中的液体阻尼机 构( 惯性通道、解耦盘和液体) 为动力吸振器。 虽然模型精度的提高难度在加大，但是常规方法是了解液阻悬置工作原理， 分析关键参数的影响因素和进行悬置元件优化设计的基础，是研究者多采用的方 法。 1 3 2 系统参数识别方法 系统参数识别法可理解为在一定的系统输入下，根据系统输出的实际采样数 东华大学硕士学位论文第一章绪论 据，通过对目标函数的优化策略来获得模型参数的估计值，确定过程数学模型的 方法 1 4 1 。由于常规建模法所建模型一般比较复杂，对试验要求高，不适于动力 总成悬置系统的多自由度系统的仿真计算，同时，有些悬置结构复杂，很难直接 确定模型计算所需的关键参数值，因此当研究中较少涉及具体设计参数对动特性 的影响，或研究悬置整体特性分析时，可以优先选用参数识别的方法直接由元件 实验结果识别仿真模型。 参数识别的本质是寻找模型的一组参数值，使在该参数值下模型的输出响应 与实际输出响应一致，同时模型具有足够的敏感度，即输出响应要随输入条件的 改变、模型参数值的改变而改变。目前用于参数识别的模型多数都较简单，精度 有限，文献 1 5 介绍的识别方法虽然在模型结构和识别方法上有所突破，但是识 别效果仍不理想。因为受模型和识别方法的制约，对液阻悬置采用参数识别法建 模的还不是很普遍。 1 4 论文的主要研究内容 1 、惯性通道一解耦膜式液阻悬置的结构、原理分析及其性能评价指标 2 、基于固一液耦合有限元技术的液阻悬置集总参数模型理论分析 3 、基于液阻悬置固一液耦合动力学特性的有限元仿真分析 4 、液阻悬置橡胶主簧弹性特性的有限元分析 东华大学硕士学位论文第二章惯性通道一解耦膜式液阻悬置的模型分析 2 1 引言 第二章惯性通道解耦式液阻悬置的模型分析 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。某国产轿车使用的液阻悬置类型为被动式惯性通道一解耦式液阻悬 置，以下简称“液阻悬置”，其结构如图2 1 所示。 大 _ ( a ) 某国产轿车液阻悬置三维模型图 孳誉 撑架 节流盘、 惯性通道、。 、 流道一一一一 下液r 一一“一7 ” 连接螺柱孔 定位骨架 橡胶主簧 上液室 金属支撑架 底膜 ( b ) 某国产轿车液阻悬置三维模型剖面结构图 图2 , - 1 某轿车液阻悬置三维模型图 液阻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液阻悬置 是惯性通道一解耦式液阻悬置。这种类型的液阻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1 6 】。典型的液阻悬 置应该具备以下几个特点： 1 、有橡胶主簧，以承受静载和动载荷，同时具有过载保护结构。 东华大学硕士学位论文第二章惯性通道解耦膜式液阻悬置的模型分析 2 、至少有两个独立的液室，能使液体在它们之间流动。 3 、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阻 悬置，还应有解耦盘或解耦膜。有的液阻悬置还具有补偿孔。带有补偿孔的液阻 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。 4 、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。 5 、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 2 液阻悬置的结构及工作原理 2 2 1 液阻悬置的结构组成 液阻式悬置主要由两部分构成，分别为弹性支撑部分和液压减振部分。 1 、弹性支撑部分 连接螺柱孔是重要原件连接螺柱的安装位置，联接螺柱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。橡胶主簧是液阻悬置的主要承力构件，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一4 0 。c - 1 0 0 0 c 高温性能、高耐 疲劳性能、可靠性、耐腐蚀性和耐油性等，还要求有良好的与金属的粘接性，所 以大多采用天然橡胶或者丁腈胶 5 , 1 7 - 1 9 】。定位骨架用来将橡胶主簧和联接螺柱连 接起来。为减轻橡胶主簧的动载荷，金属骨架选用铝合金材料。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，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，并且提高了液阻悬置的侧向 静刚度。正确地设计金属骨架和杯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。金属支撑架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。要求其刚性好，具有足够的 东华大学硕士学位论文 第二章惯性通道解耦膜式液阻悬置的模型分析 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。联接螺柱通过点焊与金属支撑架固联，它的松动也将引起悬置 的失效。 2 、液阻减振 橡胶主簧和底膜构成了液阻减振部分的主体，惯性通道体将空腔分成上、下 两个液室，液室内充满了液体。液体一般为水和乙二醇的混合物，它的粘度特性 相对稳定，对橡胶、金属和塑料等材料的腐蚀性小。底膜呈波纹状，其体积刚度 相比橡胶主簧的体积刚度小很多，几乎可以看作是自由变形，它用来吸收液室的 体积变化。惯性通道体用铝合金材料制成，质量轻，耐腐蚀性好，是液阻悬置产 生阻尼效果的主要部分。 2 2 2 液阻悬置的工作原理 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，如果橡胶主簧被压缩，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， 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、入口时的局部能量损失。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，由于液阻机构对惯性液柱 具有的放大作用，可以认为液体运动的绝大部分动能集中在惯性液柱这- d , 液柱 上【2 0 1 。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- d , 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。 9 东华大学硕士学位论文第二章惯性通道解耦膜式液阻悬置的模型分析 2 3 液阻悬置的物理模型 2 3 1 液阻悬置物理模型的基本假设 为了研究惯性通道一解耦式液阻悬置的性能建立描述其本质特性的物理模 型是重要的。为使模型能突出悬置动特性的主要影响因素，同时具有足够的精确 性，进行了如下的假设： 1 、忽略橡胶主簧质量。橡胶主簧本身是一种粘弹性元件，具有一定的非线 性。由于橡胶材料的驻波效应，使得高频动刚度剧烈增加，此时橡胶主簧自身质 量的影响是不可忽视的。但在中低频段的研究中，忽略其质量是合理的。 2 、上、下液室的体积弹性特征视为线性，用体积刚度表征。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，单位 通常是n m m 5 ，其倒数称为体积柔度。文献 1 0 】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。 3 、将惯性通道的截面简化为矩形。实际产品的惯性通道截面为非规则形状， 由于非规则截面形状的液体流动情况比较复杂，因此做此简化，并假设惯性通道 内及进出口处横截面积处处相等。 4 、设同一液室内或惯性通道内，液体各点的压力相等。 2 3 2 液阻悬置的物理模型分析 惯性通道一解耦盘式液阻悬置的力学模型如图2 2 所示。橡胶主簧的作用有 二个，一是承受动力总成的静、动态载荷，因此具有动刚度k ，和阻尼b ，二是起 到类似活塞的作用，使液体在上、下液室之间来回流动，用等效活塞面积a d 来 表示其特性。另外，橡胶主簧在泵吸液体的过程中，有一定的膨胀变形，橡胶主 簧的这种膨胀特性用上液室的体积柔度来表示。橡胶底膜主要起密封作用，在液 阻悬置工作时，有较大的膨胀变形，其膨胀特性用体积柔度c 2 表示( 与此对应的 体积刚度为k 2 = 1 c 2 ) ，由于橡胶底膜的厚度很薄( 通常为2 m m 左右) ，因此， 可以认为c ：至少比c ，大两个数量级【1 4 ，1 5 ，2 0 2 1 】。惯性通道中液体的特性用集总参数 l j 和r i 表征，分别表示惯性通道中液体的质量惯性系数( k g m 4 ) 和惯性通道对 1 0 东华大学硕士学位论文 第二章惯性通道解耦膜式液阻悬置的模型分析 液体流动的流量阻尼系数( n s m 5 ) ，此二参数的定义为 i i = 虿m ir i = 惫 ( 2 1 ) 上式中，m i 为惯性通道中液体的质量( ) ，岛为与速度的一次方成正比的阻尼系 数( n s m ) ，a i 为惯性通道横截面的面积( m 2 ) 。解耦盘的力学模型用集总参数 i d 和r d 表示，i d 为解耦盘及其附连液体的质量惯性系数( k g m 4 ) ，r d 为液体对解 耦盘的流量阻尼系数( n s m 5 ) ，i d 和r d 的定义式与式( 2 - 1 ) 类似。 图2 - 2 液阻悬置力学模型图 此模型中的系统变量有：施加于橡胶主簧上端的位移激励x ( t ) 和传递到悬置 固定端的动j s 乏j j f ( t ) ；上、下液室的平均压力用p 1 ( t ) 和p 1 ( t ) 表示，液体流径惯性 通道的流量和随解耦盘运动的流量分别用q j ( t ) 和q a ( t ) 表示。 液体的连续方程为 a d 文一q i q d = c 1 或 ( 2 - 2 ) q i4 - q d = c z 也 ( 2 - 3 ) 液体的流量方程为 p l p 2 = i i q i + r i q i p 1 一p 2 = i d q d + r d q d 传递到固定端的力f ( t ) 为 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 东华大学硕士学位论文第二章惯性通道解耦膜式液阻悬置的模型分析 f ( t ) = k ，x + b r s ( + a dp 1( 2 - 6 ) 方程( 2 2 ) ( 2 5 ) 为液阻悬置线型模型的一般表达式，它们仅适用于低频、大 振幅激励和高频、小振幅激励两种情况。 1 、低频、大振幅激励时的模型 在此激励工况下，解耦盘大部分时间都处于耦合( 关闭) 状态，可以近似的认 为，在上、下液室之间流动的液体都经过惯性通道，此时惯性通道一解耦盘式液 阻悬置的性能与惯性通道式液阻悬置的性能类似。在方程( 2 - 2 ) ( 2 5 ) 中令 q d = 0 ，即得到惯性通道式液阻悬置的系统方程。 连续方程： a d 文一q i = c 1 岛q i = c 2 也( 2 7 ) 动量方程 p 1 一p 2 = i i q i + r i q i( 2 8 ) 此公式与( 3 3 9 ) 一样。 由方程( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 和( 2 6 ) 可得惯性通道式液阻悬置的复刚度为 k = 裂= k r + b r s + 雒k ，面l i s 2 丽+ r i s 丽+ k 2 ( 2 - 9 ) 汽车动力总成液阻悬置，其橡胶底膜主要起密封作用，且橡胶底膜的厚度很 薄，因此，下液室的体积刚度k 2 很小，可以忽略不计。令k 2 = 0 ，代入方程( 2 9 ) 式，有 k = k r + b r s + 辞k l 怒( 2 - l o ) 此方程与文献 1 3 】给出的惯性通道式液阻悬置的复刚度一样。 2 、高频、小振幅激励时的模型 在此激振工况下，假定解耦盘仅在其自由行程内运动( 解耦状态) ，而不与 上下液室的隔板相接触，因而上、下液室之间液体的流动只是随解耦盘的运动而 流动，惯性通道中无液体流动，即q i = 0 。将q i = o 代入方程( 2 2 ) ( 2 5 ) ，即 得到惯性通道一解耦盘液阻悬置在高频、小振幅激励时的方程。 连续方程： a p 文一q d = c 1 p 1q d = c 2 岛 ( 2 1 1 ) 动量方程 东华大学硕士学位论文第二章惯性通道解耦膜式液阻悬置的模型分析 p 1 一p 2 = l d q d + r d q d( 2 1 2 ) 由方程( 2 11 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 - 6 ) ，可得液阻悬置在高频、小振幅激励时的复刚度 k = 裂= k r + b r s + a ；k 1 丽i d s 2 面+ r d s 而+ k 2 ( 2 - 1 3 ) 由方程( 2 9 ) 和( 2 1 3 ) 可见，惯性通道一解耦盘式液阻悬置在低频、大振幅激 励和高频、小振幅激励时，其复刚度表达式结构形式相同。 2 4 液阻悬置性能的评价参数 液阻悬置或橡胶主簧静态特性的主要是关注其垂直方向和两个水平方向的 刚度，即力位移曲线。 液阻悬置及其橡胶主簧的静态力学性能，主要由其三向静刚度来评价。体积 刚度也是一种静刚度，是液阻悬置动特性仿真时的一个重要参数，是一种间接的 特性评价指标。动特性主要有两个方面的参数评价。 2 4 1 动刚度和滞后角 动刚度和滞后角有以下两种方法。