（机械设计及理论专业论文）车用发动机半主动控制式液力悬置动力学特性研究.pdf

中北大学学位论文 车用发动机半主动控制式液力悬置动力学特性研究 摘要 本文分析并比较了几种典型液力悬置的结构和工作原理。基于被动式液力悬置， 建立了液力悬置的力学模型和数学模型。从流体力学的角度，推导出液体在惯性通道 内流动时阻尼力的表达式，得出液体流过惯性通道的阻尼与液体的密度、粘度、惯性 通道的直径，惯性通道长度有关的结论。 根据分析得到的阻尼力表达式，建立了半主动控制惯性通道式液力悬置力学模型 和数学模型，并运用量纲和谐原理对模型进行了验证。根据半主动控制参数可变的要 求，对液力悬置进行了动特性仿真，得出了悬置各结构参数和液力参数对悬置动特性 的影响规律。认为液力悬置的惯性通道长度对悬置动特性影响较大，且改变惯性通道 长度易于实现，有利于实现半主动控制。 根据液力悬置隔振特性仿真结果，液力悬置系统可以在较宽的频带内达到较好的 隔振效果，优于被动式液力悬置的隔振效果，从而实现了液力悬置的半主动控制。 关键词：液力悬置，惯性通道，半主动控制，隔振 中北大学学位论文 t h er e s e a r c ho nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs e m i - a c t i v ec o n t r o l h y d r a u l i cm o u n t sf o re n g i n e a b s tr a o t i nt h i sp a p e r , s t r u c t u r e sa n do p e 诫n gp r i n c i p l eo fs e v e r a lt y p i c a lh y d r a u l i cm o u n t sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h em e c h a n i c a la n dm a t h e m a t i cm o d e l so fp a s s i v eh y d r a u l i c m o u n t s 戤p 坞s e n t e da n da n a l y z e d f r o mt h ev i e wo f h y d r o m e c h a n i c s 。t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ed a m p m ge x p r e s s i o no fl i q u i dw h i c hi ni n e r t i au a c k i tc a nb es e e 虹t h a tt h ed a m ph a s t h er e l a t i o n s h i pa m o n gl i q u i dd e n s i t y , l i q u i dv i s c o s i t y , d i a m e t e ra n dl e n g t ho f i n e r t i at r a c k a c c o r d i n gt ot h ed a m p i n gf o r c ee x p r e s s i o n , m e c h a n i c a la n dm a t h e m a t i cm o d e l so f s e m i - a c t i v ec o n t r o lh y d r a u l i cm o u n th a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，a n di th a sb e e np r o v e db y m e a n so fd i m e n s i o n a lc o n c o r d a n c ep r i n c i p l e a c c o r d i n gw i t hp a r a m e t e r sv a r i a b l er e q u e s t o fs e m i - a c t i v ec o n t r o l ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo f h y d r a u l i cm o u n ti ss i m u l a ：t c x l ，t h ei n f l u e n c e t h a te a c hs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dh y d r a u l i cp a r a m e t e r sh a v et h ee f f c c tt od y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c si sg a i n e d ni sc o n s i d e r e dt h a tl e n g t ho fi n e r t i at r a c kh a sm a r k e di n f l u e n c e o nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fh y d r a u l i cm o u n t ，v e r i f y i n gl e n g t ho fi n e r t i at r a c ki sr e a l i z e d e a s i l ya n d i ti si nf a v o ro f a r r i v i n gs e m i a c t i v ec o n t r 0 1 b a s e do ra n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l to fi s o l a t i n gv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w ec a n i n d i c a t et h a th y d r a u l i cm o u n ts y s t e mc a na t t a i n so p t i m a li s o l a t i o ne f f e c tp r e c e d e dt h a to f p a s s i v eh y d r a u l i cm o u n t si nw i d ef r e q u e n c yr a n g ea c c o r d i n gt op u m p i n gf r e q u e n c y a d j u s t i n gt r a c ki nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n ds e m i - a c t i v ec o n t r o lo fh y d r a u l i cm o u n ti s a c h i e v e d k e y w o r d s ：h y d r a u l i cm o u n t ，i n e r t i at r a c k , s e m i a c t i v ec o n t r o l ，i s o l a t i n gv i b r a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑：兰j日期： 2 7 f 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：坠堑日期：丝丑：兰( 导师签名：盘垒 中北大学学位论文 1 引言 1 1 发动机液力悬置研究的背景和意义 发动机是一种用途广泛的热能动力机械，在机动车辆中广泛应用的是往复活塞式发 动机。发动机通过活塞的往复运动和曲轴的旋转运动将周期爆发的燃气压力转化为对外 输出的轴功。由于发动机缸内燃烧和气缸做功的周期性特点、发动机转速的大范围变化， 发动机运动件的惯性力和气缸气体的作用力对发动机都具有强烈的冲击和宽频带激励 作用【1 1 ，此外发动机还有各种系统和部件，它们都存在各种各样的作用力。由此产生的 发动机振动，其特点是多振源、宽频带，形态复杂。 1 1 1 振动引起的危害 振动引起的危害，可以分为以下几个方面； ( 1 ) 破坏结构强度，尤其是各种连接处，造成轴和轴承的早期磨损，甚至引起断 轴、各种支架和螺栓的断裂；缩短各种零件的使用寿命。 ( 2 ) 破坏其他设备、仪表的正常工作，降低仪表、控制监测设备的工作精度。 ( 3 ) 引起结构噪声。当机器设备产生的振动传给基础或其他结构后，引起它们振 动并以弹性波的形式传到远处，使相邻的空气发生振动，这就是结构噪声。结构噪声会 破坏乘员的安静环境和某些特殊设备要求的隐蔽性。 ( 4 ) 车用发动机的振动传递到车身，损害车辆的舒适性，使乘员容易疲劳，降低 工作效率。 1 1 2 发动机振动控制方法 为了克服振动造成的各方面的负面影响，人们采取了各种方法和途径在降低发动 机和整车振动。发动机的振动控制可以归纳为以下几种方法 2 1 ： ( 1 ) 激励源控制 中北大学学位论文 激励源控制是降低发动机振动的基本途径，主要包括改善发动机的平衡性能、使用 动力凸轮，控制活塞裙部的膨胀量以减小活塞的撞击，提高零部件的设计、加工和装配 精度等。 ( 2 ) 避振 改变发动机的结构设计以调整固有频率，避免共振，改进系统的振动特性。例如改 变飞轮结构调整轴系惯量，变更橡胶元件的刚度，使用扭转减振器，改进缸体机结构 4 1 。 ( 3 ) 减小振动响应一减振 在无法避免共振时，可以采用增加系统阻尼( 采用阻尼减振器、轴系使用铸铁材料、 在薄壳表面上使用高阻尼材料等) 嘲和使用动力吸振器的方法降低共振强度1 5 。 ( 4 3 控制振动传递率一隔振 为减小发动机振动对基础和周围环境的不良影响，将发动机放置在高弹性的悬置 ( 隔振器) 上，减小发动机的振动能量向周围的传播，这种方法称为主动隔振或积极隔 振。 车辆、轮船上的设备和仪表也应当安装在隔振器上，隔离环境振动对它们的干扰， 这种方法称为被动的隔振或消极隔振。 ( 5 ) 振动主动控制1 6 1 振动主动控制又称为有源控制。利用外界供给的能量作为控制振动或抵消其影响的 手段，因而能够获得更好的效果。 1 1 3 发动机振动激励特性 汽车行驶及发动机运转时，振动情况十分复杂，发动机振动的主要特点是多振源， 宽频带，形态复杂，可划分为四种类型：整机振动，结构振动，轴系扭转振动，部件振 动。对悬置产生影响的激振源既有动力总成系统的内部的由于燃烧产生的直接激振力 ( 距) 以及发动机内部机械工作产生的间接激励力( 距) ，也有来自外部的道路、悬挂 系统、车架、转向系统的激励等。可以把传递到悬置上的激励分成两个方向，来自悬置 上方的激励称为内部激励，来自下方的激励称为外部激励。 1 1 3 1 主要内部激振源【7 1 1 点火激励 2 中北大学学位论文 发动机产生的瞬时扭矩是随每一个活塞的位置、连杆及曲轴的位置变化的，也就是 说发动机输出的是平均值附近变化的脉动扭矩。由于扭矩周期性的发生变化，造成作用 在发动机上的反作用扭矩( 即倾覆力矩) 的波动，从而使发动机产生扭摆振动。发火均 匀的发动机，其扭摆频率就是发动机的发火频率。 2 发动机不平衡惯性力和力矩的激励 发动机每组活塞连杆的运动都会产生不平衡惯性力和力矩。一般在2 5 2 0 0 h z 频 率范围内。汽车常用的几种发动机中，只有三缸机和四缸机没有完全平衡，而不带平衡 机构的直列四缸四冲程发动机应用十分广泛。对直列四缸发动机，大部分不平衡力都抵 消了，只保留了一个垂直方向的二阶力，即频率为发动机转速两倍的力。 3 传动系统的激励 它主要源自动平衡不好的传动轴，一般传动系统的激励频率大于1 0 0 h z 。这些激励 源相应的激励幅值通常在d - o 0 5 m m 0 1 m m 范围内。该频率范围内的发动机振动称为高 频振动，对发动机噪声有很大影响。 有试验证明当发动机转速低于1 0 0 0 r p m 时，强迫振动频谱中的主要部分相应与扭矩 波动频率( 点火激励频率) 。转速更高时一阶和二阶不平衡力和力矩对发动机振动的影 响较大。低怠速( 如6 0 0 r p m ) 情况下，扭振和二阶不平衡振动的频率较低，为5 1 5 h z ， 该频率很接近悬置系统的固有频率。发动机怠速摇晃所产生的扰动频率往往在o 2 5 h z 左右，位移幅值大致在l m m 量级范围内。中高速阶段，如3 0 0 0 r p m 时，其二级不平衡频 率为1 0 0 h z ，接近传动系固有频率，由于不平衡惯性力与转速平方成正比，此时很容易 产生传动系弯曲共振。发动机运转时的扰动频率大体在2 5 2 0 0 h z ，相应的对液力悬置 元件的输入振幅在0 1 m 量级范围。 1 1 3 2 外部激励 外部激励主要来自道路、悬挂系统、车架、车身等，它们都属于低频振动( 2 5 h z 以下) ，并表现为大幅激励。一般车辆的悬置支座布置在车架上，通常认为车架是刚性 的，从车架传到悬置的激励有随机和周期形式的输入，随机形式的输入源于路面的不平 度，周期输入源于不平衡轮力或车轮失圆，这段频率的激励幅值一般大于0 3 m m 或 0 5 m m ，而且这种输入力很容易被车轮、悬挂系统的车架放大。外部激励主要体现为 由于道路不平度引起的悬挂振动。 3 中北大学学位论文 综上所述，发动机悬置在l 2 0 0 h z 频率范围的动特性可根据其振动的来源和特性 分为两个范围：第一个范围是l 2 5 h z ，对应的对悬置元件的输入幅值在1 o m m 量级 范围内，是来自外部的激励，由于路面不平度引起的激励及车辆的突然加速、制动、转 向等准稳态干扰时所激发的扰动都属于该低频振动，发动机怠速运转时由于各缸燃烧不 稳定导致的不平衡燃烧力，也在此低频大振幅范围内；第二个范围是2 5 h z 以上，对应 位移幅值大致在0 1 m 量级范围内。发动机运转时的不平衡惯性力和力矩是该高频范 围的主要的激励来源。 1 1 4 发动机悬置的隔振性能 发动机悬置支撑发动机，隔离发动机振动向基础或车身的传递，这种动力隔振的效 果一般采用力传递率进行评价。力传递率定义为隔振装置传递给基础的传递力幅值毋 与激振力幅值昂的比值： 耳= 鲁= 根据公式可以得到图1 l 所示的绝对力传递率曲线，它不但是频率比。的函数， 而且是相对阻尼系数的函数。由图1 1 可知： ( 1 ) 不论相对阻尼系统善如何变化，力传递率曲线都经过巧= 1 ，。2 2 这一 点并且只有 2 时力传递率才会小于l ，越大，耳越小，隔振效果越好， 但是巧的越小趋势随。的增大渐平缓。 ( 2 ) 当 2 区段却增大了力传递率，导致隔振效果恶化。因此阻尼值的选定需要综合考 4 中北大学学位论文 虑不同频段下的不同要求。 删 ，f - - t l l 嬲 ， t 1 彳 ，一 乍 趴 l 代i 。 i 、 1 奈 、 |，鼙 、 鞭覃比 图1 1 振动传递率的阻尼和频率的影响 为了使发动机悬置系统的特性满足上述隔振目标的综合要求，要求悬置在汽车常用 环境条件和在各种运行工况下保持悬置隔振性能的稳定性。应当具有如下的理想动特 性： ( 1 ) 悬置具有较高静刚度，以支承动力总成重量和输出扭矩； ( 2 ) 悬置具有低频大阻尼、高刚度特性，以衰减汽车起动、制动、换档以及急加 速、减速等过程中，因发动机输出扭矩波动引起的大振幅振动；以及衰减因 路面、轮胎激励引起的动力总成低频振动； ( 3 ) 悬置应具有高频小阻尼、低动刚度特性，以降低振动传递率，提高降噪效果。 1 2 典型的发动机悬置 1 2 1 橡胶悬置 橡胶悬置是由天然橡胶及各种合成橡胶制成的实体结构i s ，它们是针对某一频率或 某两个频率区间振动控制要求而设计的。在设计频率范围内，它们可以有效减少振动的 传递，具有结构简单、价格低廉的特点。其力学模型和动特性如图1 2 和图1 3 ，橡胶 悬置的动特性有两点不足； 5 囊毫嚣 中北大学学位论文 轴膏_ o 蜘怫s 勰 黝睡s 蜘 k 图1 2 橡胶悬置的力学模型图1 3 橡胶悬置的动刚厦 ( 1 ) 振动阻尼偏小，不能满足汽车发动机动力总成在低频段的隔振、减振性能要 求； ( 2 ) 在高频时会出现动态硬化，导致其动刚度显著增大，不能满足对汽车发动机 在高频域减振降噪的性能要求。 由于橡胶悬置的耐高、低温性能和耐油性能差，容易老化，同时人们对乘坐舒适性 的要求也越来越高，橡胶悬置本身的局限性日益明显，己不能满足汽车隔振降噪要求， 液阻悬置由此应运而生。 按控制方式分，液力悬置可分为被动式液力悬置、半主动控制式液力悬置和主动控 制式液力悬置三类。 1 2 2 被动式液力悬置 2 0 世纪7 0 年代末，国外的轿车动力总成开始采用液压型橡胶悬置( h y d r a u l i c a l l y d a m p e dr u b b e rm o u n t ，h d r m ) ，简称液阻悬置( h y d r a u l i c a l l yd a m p e dm o u n t ，h d m ) 例。 它是在原橡胶悬置内设计出上下液腔，利用液体在上下液腔间流动时附加流动阻尼的耗 能作用，消耗振动能量，从而达到减振隔振的目的。该悬置综合利用了流体的高阻尼特 性及橡胶主簧的减振特性，具有低频大阻尼、高频小阻尼的特性，能在宽频带内有效降 低发动机振动及振动向车辆其他部分的传递，由此降低整车振动及车内的噪声，提高车 辆乘坐舒适性。 液力悬置的结构形式多种多样( 其中主要有三种典型的液力悬置：节流阻尼孔式、 惯性通道式、惯性通道解耦盘( 膜) 式) 【1 0 1 ，但其基本结构和功能是一致的( 如图 1 4 ) ，并具备以下特点【i i 】： 6 中北大学学位论文 ( 1 ) 具有一个橡胶主簧，能够支撑发动机质量，并可以起到活塞作用以推动液体往 复于上下液室。 ( 2 ) 液力悬置内部有液体工作介质； ( 3 ) 至少有2 个独立的液室，液体可在其间流动； ( 4 ) 液室之问有能够产生阻尼作用的孔、惯性通道或解耦盘( 膜) ； ( 5 ) 液室有良好、可靠的密封并与外部隔绝。 图i 4 液力悬置的基本结构 1 连接螺栓2 金属骨架3 橡胶主簧4 缓冲限位盘5 解耦盘6 惯性通道入口7 惯性通道体 上半部分8 惯性通道9 惯性通道体下半部分l o 底膜l i 底座1 2 安装定位销1 3 联接螺栓 1 4 空气室1 5 气孔1 6 补偿孔 尽管节流孔和惯性通道有很多不同之处，但在低频时它们都可以产生阻尼。节流孔 式、惯性通道式液力悬置在振动激励作用下，均产生阻尼效应，减小振动响应水平。与 橡胶悬置相比，节流孔式、惯性通道式液力悬置的动剐度通常比较大。虽然，这两种悬 置在低频区可以取得很好的阻尼特性，但是在高频段隔振效果却不型坨l 【1 3 l 。因此，后来 增加了解耦膜来解决这个问题。解耦膜的作用就像是一个有限定位的浮动活塞；振幅很 小的时候，它提供小刚度、小阻尼；振幅很大时，它到达限定位，提供大阻尼、大刚度。 1 2 3 半主动控制式液力悬置 为了解决被动式液力悬置的不足，进一步提高悬置系统的动态特性。最近几年，振 动的半主动式和主动式控制技术己经被应用于发动机悬置的设计中。在半主动控制液压 7 中北大学学位论文 悬置中，可以通过调节一个或者多个系统参数来调整系统动态响应，而弹簧刚度和阻尼 都可以作为控制参数。大多数情况下，半主动振动控制的基本思想是通过改变发动机悬 置的动特性来消耗振动能量。通常由一个具有可控制参数的被动悬置加上控制机构组 成。它一般通过开环控制来实现，并且因为消耗了振动能量，不会出现稳定性问题。 半主动控制式动力总成液力悬置通常由被动式液力悬置、可控单元和机械控制装置 组成。其力学模型如图1 5 所示，其中m 为可调移动质量，用来改变阻尼力大小，从而 控制系统的动态响应。 图1 6 是典型的半主动控制电流变液悬置及其控制系统。电流变液悬置的结构与传 统的液力悬置很相似，只是换成了电流变液【堋，各节流孔由施加了高电压的电极组成。 通过对电流变液施加不同的电压，可改变其粘度，继而改变控制力阻尼力大小。电 压是矩形波形式，其相位可进行调节。 霸期鼬s l 曲 鼍 峨s 溉 图1 5 半主动控制式液力悬置力学模型 1 2 4 主动控制式液力悬置 图1 6 典型的半主动控制电流变液悬置 典型的主动控制式悬置由被动式悬置、作动器、振动传感器以及电流控制装置组成 【1 5 l 。它利用控制单元将外部输入的振动信号转换，通过作动器输出与外部振动同频、等 幅、反相的振动，以实现最佳的减振目的。其工作原理：被动式悬置支承动力总成重量， 作动器产生动态力，振动传感器( 力传感器或加速度计) 为控制器提供控制信号，由控 制器调节动态力的幅值和相位；如图1 7 是主动控制式液力悬置的力学模型。其中f 代 表作动器产生的动态力。 8 中北大学学位论文 豳咖s 图l7 主动控制式液力悬置力学模型 利用电磁作动器产生动态力来抵消发动机扰动和减小发动机怠速振动【1 6 1 。m u l l e r 提出的主动控制悬置是一种传统液阻悬置和电磁生成器的组合，用来隔离高频振动，其 中要使用伺服液压作动器。有的人开发了带压电式激励装置的主动控制式悬置，压电式 激励装置的反应速度快，位移小，另外它需要相应的机械装置来增加幅值。 在主动控制式悬置中，由于增加了传感器、控制元件和作动器，使得车辆的重量加 重，增加了成本和动力消耗，也降低了系统的稳定性。因此，在隔振性能、稳定性和经 济性方面，它仍有待不断提高。 i 2 5 几神液力悬置的比较 ( 1 ) 被动式液力悬置具有结构尺寸小、制造安装比较简单、成本相对较低、不消耗 发动机功率优点，可以在某一频段上明显降低和隔离振动，提高乘坐舒适性，目前应用 比较广泛，不断得到优化和改进。但是被动式液阻悬置由于其结构固定，流体的阻尼特 性不可调，使得其工作性能不能根据发动机的转速和工况作相应的变化，具有一定的局 限性。 ( 2 ) 主动式液力悬置理论上可使车架振动响应为零，代表了液力悬置的未来【1 7 1 8 1 。 目前主动式液力悬置还存在一些问题：传感器、控制单元、动力源和作动器要求高，价 格昂贵，功率消耗大，在发动机舱高温、易于接触油污的环境下，不易维修，因此不太 常用。主动式液力悬置还需要降低复杂程度和成本，提高系统的可靠性。 ( 3 ) 半主动式液力悬置可以根据汽车的运行工况实时调节悬置的结构参数来调整其 动态特性，可以获得优于被动式液力悬置的隔振性能。与主动式液力悬置相比，控制理 论比较成熟，成本低、做动器功率消耗小。 9 中北大学学位论文 因此液力悬置可以有效地隔离发动机和动力总成与车体之间的振动传递，是比较理 想的悬置系统，而半主动液力悬置价格适中、可靠性高，更适合现阶段的研究。 1 3 发动机液力悬置发展的历史回顾 汽车发展初期，动力总成直接用螺栓刚性地连接到车架上，这样不仅严重地影响了 汽车的乘坐舒适性，也常常造成动力总成零部件的损坏。二十世纪二十年代，人们开始 用橡胶支承来隔离发动机的振动，随着各种合成橡胶的出现以及橡胶硫化和粘接技术的 不断提高，逐渐出现了各种结构的隔振橡胶元件，并一直沿用至今。但由于橡胶支承低 频阻尼小，高频动刚度大，且存在驻波现象，因而难以满足日益突出的发动机隔振问题 的需要，进而人们设计出具有附加质量的橡胶减振机构。 二十世纪四十年代，r i c h e rh a r d i n g 和s t r a c h o u s k y 提出将液压减振机构和橡胶组 成一个整体减振机构的构想，并在美国申请了专利，但其机构复杂，安装不方便，未得 到实际应用。1 9 6 2 年通用汽车公司的r e r a s m u s s a n1 1 9 1 等人完善了这一思想，提出了 液力悬置的概念，试制了世界上第一个液力悬置模型，并且申请了第一个液力悬置专利。 自7 0 年代末开始，世界各大汽车公司相继开展了液力悬置的研究和开发工作，使得液 力悬置的应用得到了迅速发展，目前已成为汽车动力总成的主要隔振技术之一。 德国是较早进行液力悬置设计研究和开发应用的国家。1 9 7 9 年德国大众公司在a u d i 五缸发动机上应用液力悬置，提出a u d i b o g e 、f r e u d e n b e r g 和a u d ii i 三种系统，这 是第一次将液力悬置用于实车。实验表明，舒适性明显改善1 2 0 j 。 1 9 8 1 年德国p o r s c h e 公司生产的p o r s c h e 9 4 4 轿车动力总成使用的液力悬置，阻尼 最大值出现在6 h z 附近，滞后角最大达2 8 。，远高于橡胶悬置【2 1 1 。从而开创了装有液 力悬置的轿车在市场销售的先例。 1 9 8 2 年日本应用液力悬置于f r 式轿车以降低怠速振动。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力悬置，减振降噪效果较好，这是最早的半主动控 制式液力悬置1 2 2 1 2 3 。 1 9 8 4 年，日本开发的既能降低发动机振动又可降低b o o m 噪声的液柱共振式液力悬 置，它对l o h z 振动衰减率为0 5 ，l o o h z 附近动静刚度比小于2 ，减振降噪效果较好 2 4 1 。 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 i o 中北大学学位论文 液力悬置，液力悬置由此在美国推广应用1 2 5 1 。同年，f o r d 汽车公司在其生产的s u p e r c a b 轻型货车上采用液力悬置，液力悬置的应用由高级轿车向其他类型汽车普及。 1 9 8 7 年美国a v o n 公司开发了控制气体弹簧气压来调整特性的液力悬置。同时，在 r w h e r r i c h 实验室开始研制主动控制式液力悬置。这标志液力悬置由被动式向半主动 控制、主动控制方向飞跃【2 6 l 。 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 公司展出可根据路况提供最优阻尼的 半主动控制式液力悬置；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力悬置； 同年，f r e u d e n b e r g 公司在f 1 | | d 式四缸发动机上应用了主动控制式液力悬置，取得满意 效果。这标志主动控制式液力悬置在实用性方面取得突破性进展f 2 7 】嘲。 1 9 9 4 年，日本n i s s a n 公司在c e f i r o 轿车上采用了较为成熟的电控截流孔开度的半 主动控制式液力悬置系统。采用类似悬置系统的还有日本h o n d a 公司9 5 年生产的a c c o r d v 6 轿车，a c u r at l 轿车，9 6 年生产的l e g e n d 轿车。而9 3 年的林肯、美洲豹，9 4 年的 a u d ia 8 ，o l d s m o b i l ea u r o r a 、凌志l s 4 0 0 ，9 6 年的r o v e r2 0 0 以及9 8 年的h y u n d a i s o n a t a 等车型仍然采用被动式液力悬置系统【2 9 】。 1 9 9 5 年，d e l p h i 底盘系统公司将主动式液力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产 品1 3 0 1 。 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，该悬置内有一块由发动机进气管真空度操纵、由电磁线圈控制的膜片，在 微型管状吸振器放大作用下可以产生与发动机振动幅值相等、相位相反的脉冲以抵消 振动。同年，日产汽车公司的p r e s a g e 轿车也在y d 2 5 d d t i 发动机上采用了主动控制式 发动机悬置系统( a c m - a c t i v ec o n t r o le n g i n em o u n t ) ，悬置系统由液室和电磁式作动 膜片组成，发动机的垂直振动被悬置中的负荷传感器转换为电信号输送至a c m 控制器内， 控制器输出的控制电流驱动电磁式作动膜片振动，从而产生与发动机振动反相的力以衰 减动力总成振动。上述进展标志着日本在半主动及主动控制式液力悬置的研究和应用方 面处在世界领先水平【3 l i 3 2 1 。 中北大学学位论文 1 4 国内液力悬置的研究情况 国内有关动力总成悬置系统的研究始于上世纪8 0 年代。一汽集团、吉林工业大学、 清华大学和北京理工大学等单位先后开展了液力悬置及其隔振性能方面的研究工作。 1 9 8 9 1 9 9 6 年期间，吉林大学和长春汽车研究所合作 3 3 1 1 3 4 1 ，对液力悬置的特性及其整 车舒适性的影响进行了实验研究和仿真计算分析。王德平、范让林、冯振东等人对a u d i 1 0 0 轿车动力总成惯性通道解耦膜液力悬置及其元件进行了实验研究和仿真分析。 王立公、冯振东、吕振华等人的研究工作是与长春汽车研究所开发的c a 7 2 0 0 轿车动力 总成液力悬置国产化工作同步进行的。他们在消化、吸收a u d i1 0 0 轿车动力总成液力 悬置的基础上，开发了不同结构尺寸的阻尼孔式液力悬置，并用于c a 7 2 0 0 轿车；他们 对半主动式液力悬置也进行了初步的研究。裘新、方传流、冯振东、吕振华、林逸等人 利用非线性振动理论和试验识别技术对液力悬置在时域内的非线性特性进行了研究，对 比分析了动力总成一液力悬置系统、动力总成橡胶悬置系统和副车架系统的固有 特性对隔振性能的影响。史文库、方传流、冯振东、吕振华、林逸【3 5 l 3 6 1 3 7 3 s 等人建立 了包括副车架在内的十四自由度的汽车动力总成悬置系统的力学模型，研究了液力悬置 和橡胶悬置的隔振效果；建立了整车动力学分析的十六自由度的模型，着重研究了动力 总成悬置系统和副车架悬置系统对整车振动的影响，并以汽车的舒适性为目标，优化了 动力总成悬置系统的参数。清华大学从1 9 9 7 年开始，分别以国产b u i c k 和p a s s a t 轿车 为研究对象，对不同类型的液力悬置进行实验研究和基于集总参数模型的仿真计算，采 用液力悬置集总参数模型与有限元模型联合分析方法，对液力悬置的动态特性进行计算 分析【3 9 1 。并与日本东京大学合作，利用固液耦合有限元分析方法对液力悬置动特性进 行仿真计算。2 0 0 3 年北京理工大学车辆与交通工程学院设计开发了一种阻尼可调式半主 动控制液力悬置，并与浙江骆氏企业玉环塑胶机械厂合作，成功开发了第一个拥有自主 知识产权的汽车液力悬置，标志着我国悬置的设计、开发、制造水平上了一个新的台阶 , m m l l 。 1 5 本文研究的主要内容 在查阅和吸收国内外液力悬置有关研究资料的基础上，进行了以下研究工作： 1 2 中北大学学位论文 1 分析早期各种液力悬置元件结构及工作原理，解剖被动式惯性通道解耦膜式 液力悬置，分析其具体结构，建立并分析它的力学模型和数学模型。 2 为达到半主动控制式液力悬置的参数可变的控制要求，需要运用流体力学的知识 详细分析惯性通道内液体的运动，确定比较准确的液体阻尼力表达式。 3 根据悬置工作机理，从流体力学的角度，建立半主动控制液力悬置力学模型和 数学模型，并进行动特性分析。 4 建立隔振系统模型并进行仿真分析，确定半主动控制律，实现液力悬置的半主 动控制。 1 3 中北大学学位论文 2 被动式液力悬置的工作原理及性能分析 2 1 被动式液力悬置的工作原理 最早出现的液力悬置是节流孔式液力悬置【4 2 1 【4 3 】附】嗍。发动机启动、关机或者车 速路况变化时，引起动力总成低频大振幅的振动，激励力作用在悬置的橡胶主簧上，使 上液室产生较大的体积变化，压缩时上液室受到泵动，液体通过节流孔流到下液室，拉 伸时上液室体积变大从而产生真空度，又将液体从下液室经节流孔吸入上液室。节流孔 的直径很小，因此在液体流经孔的过程中能产生较大的阻尼，消耗了能量，从而达到隔 振的目的。 连接上下液室的节流孔被惯性通道取代，出现了惯性通道式液力悬置，之所以称之 为惯性通道，是由于通道封闭了液体，并且控制了液体的流动方向，使液体在通道中的 运动产生了较大的惯性阻力，以此来抵抗上液室由于压力的变化产生的泵动力。为增加 惯性通道的长度，可以将其设计成环形，它有上下两个小孔与上下液室相连作为进出孔 口。悬置受到振动激励后，上下液室间产生了压力波动，液体在通道内形成了振动液柱， 液柱在振动中产生了惯性阻力，这种惯性阻尼效应要远远大于外形尺寸相同的节流孔液 力悬置，液柱在振动过程中产生沿程能量损失，在出口、入口时产生局部能量损失，从 而达到了衰减能量的目的。另外，在液体的振动过程中，上下液室的压力克服液柱的惯 性阻力而使液柱所具有的动能在出入口处被损失掉，这种损失所表现的外在阻尼要远大 于液体的粘性所引起的沿程能量损失所表现的外在阻尼。也就是说惯性通道能使悬置在 低频大振幅的激励下获得大阻尼特性，有效衰减振动能量。 节流孔式和惯性通道式液力悬置也存在着相同的缺点：汽车正常行使工况下，悬置 受到高频小振幅激励，橡胶主簧产生微小的变形，引起上液室体积的微小变化，从而液 体压力也产生微量波动。由于粘性液体与通道壁之间以及液体分子间的磨擦作用，且液 体具有不可压缩性，使得液体流经惯性通道的阻力较大，此时液体几乎不再经惯性通道 流动，这就是惯性通道式液力悬置的动态硬化，引起悬置动刚度的上升。 为了解决这些问题，又在悬置内部增加了解耦元件，出现了解耦盘式液力悬置。高 1 4 中北大学学位论文 频小振幅时，上液室的泵动不能使解耦盘贴在隔板上，之间留有间隙占，解耦盘随上液 室波动而在液室间振动，吸收高频振动能量，降低了上液室的压力波动及悬置的动刚度， 有效地克服了动态硬化现象。此时只有极少数或几乎没有振动液体流经惯性通道，从而 可以得到所需的低动刚度；低频大振幅时：解耦盘压紧在隔板上，不再振动，间隙为零， 液体全部流经惯性通道，从而产生较大的阻尼，衰减了振动能量，满足了低频大阻尼的 需要。 另一种惯性通道解耦膜式液力悬置采用的是变刚度的橡胶膜来解耦。在这类液力 悬置中，橡胶膜是一个至关重要的部件，解耦膜的刚度随着变形量的增加而增加。高频 小振幅激励下，橡胶膜变形较小，工作在低刚度区，橡胶膜在压力作用下产生弹性变形 以吸收振动能量，从而消除动态硬化，降低了动刚度。在低频大振幅激励下，上液室液 体压力变化较大，橡胶膜产生较大变形，进入高刚度区工作，保证有足够液体经惯性通 道在上下液室间流动，实现大阻尼的要求。由于橡胶膜的变刚度特点，使得它在不过分 降低低频大振幅振动大阻尼作用的同时，还能消除高频小振幅振动时由于动态硬化造成 的不利影响。 2 2 惯性通道一解耦膜式液力悬置的结构 惯性通道一解耦膜式液力悬置虽然结构比较复杂，但具有较为理想的外特性。图2 1 是动力总成( 五缸发动机) 的两个前悬置中的左液力悬置的结构简图1 4 7 j 。该悬置在车上 安装对轴线呈垂直的形式，一端通过橡胶主簧上的螺纹连接杆与发动机相连，一端通过 底座与车架固连，橡胶主簧与橡胶底膜将悬置内部围成中空的结构，中间被带橡胶膜的 惯性通道体分隔为上、下两个液室，液室内充满粘性不可压缩的液体并通过惯性通道将 上下两液室连通。 橡胶主簧是液力悬置的基本弹性元件，也是它的主要受力构件，他不但承受动力总 成的静载荷和大部分动载荷，还具有一定的抗过载能力。一般说来，弹性元件的压缩刚 度与剪切刚度存在着差别，就橡胶材料而言，其压缩刚度远大于剪切刚度。橡胶主簧一 般设计成垂向加载时受剪切力的形式，这样的设计既保证了动力总成悬置系统有足够的 垂向和横摇柔度，又有较大的侧向刚度，还有利于削减橡胶主簧驻波效应的不良影响， 同时还可达到橡胶主簧的刚度比传统的橡胶悬置刚度更小的目的。通常用于减振隔振材 1 5 中北大学学位论文 料的橡胶有天然橡胶、丁腈胶、氯丁胶和丁基胶等。各种橡胶材料由于材质的不同，在 物理性能、阻尼、耐油性、耐热性等方面都存在着很大的差别。橡胶主簧的特性主要体 现在它的静刚度上，因此选择不同的橡胶材料就会得到不同的静刚度，对悬置隔振性能 也会有不同的影响。根据发动机的使用条件以及橡胶主簧的工作环境非常恶劣，因而要 求橡胶材料有耐- - 4 0 1 0 0 c 温度性能、高的耐疲劳性能、可靠性、耐臭氧、耐龟裂、 耐腐蚀性和耐油性等，还要求有良好的与金属的粘接性，液力悬置可以采用丁腈橡胶。 图2 1 惯性通道解耦膜式液力悬置的结构 1 橡胶主簧2 上液室3 惯性通道活动挡板4 惯性通道体5 橡胶解耦膜6 惯性通道7 下液室8 橡胶底膜 惯性通道体用铝合金材料制作，质量轻，耐腐蚀性好。它包括上、下两部分，它们 通过过盈配合紧紧地被压在一起，并形成惯性通道，解耦盘被紧紧地压在中间。隔板上 开有中心孔，与解耦盘一起形成了解耦通道。解耦盘与惯性通道体的限位内表面之间有 机械间隙万。它使得解祸盘的向上或向下的位移小于艿时，解耦盘的刚度特别小。显然 解耦盘质量越小，在随机振动条件下，前一次振动激励引起的残余振动对后一次振动的 影响就越小，同时固有频率也会越高，在中低频范围内不易引起共振，有利于维持悬置 性能的稳定。 橡胶膜作为解耦元件，橡胶膜一般由黑橡胶制成，具有变刚度特性，随着变形量的 增加，橡胶膜的刚度值由缓到快的增加，高频小振幅激励下，橡胶膜在低刚度区工作， 上液室的压力波动可引起其动态变形，从而可以有效地消除动态硬化：低频大振幅激励 下，上液室体积变化较大，橡胶膜产生较大的变形，从而进入动刚度区工作，刚度变大， 但仍能保证有足够的液体流经惯性通道，实现大阻尼要求。正是由于解耦元件的存在， 使液力悬置成为典型的非线性系统，其动态特性与激振幅值和频率有关。 1 6 中北大学学位论文 橡胶底膜刚度很低，在压力作用下可以近似地将其近似地看作自由变形，吸收上液 室的体积变化，一般悬置底部都有孔与其大气相通，使下液室压力与大气压相同，从而 可认为下液室压力恒定的，使悬置通过上下液室的体积变化来吸收振动成为可能。 轿车动力总成前左液力悬置中的橡胶膜的弹性特性如图2 2 所示，橡胶膜的刚度随 变形量的增加由缓到快地增大，当变形量从0 o 3 砌到0 8 1 2 r m 时其刚度约增大了 2 7 倍。在高频小振幅激励的情况下，由于此时橡胶膜在低刚度区工作，上液室的压力 波动可引起橡胶膜的动态变形从而有效地消除动态硬化；低频大振幅激励的情况下，上 液室体积变化较大使橡胶膜产生较大的变形，从而进入高刚度区工作，保证仍有足够的 液体流经惯性通道实现大阻尼的要求。综上所述，惯性通道解耦膜式液力悬置的工 作原理及结构就阐述清楚了。 2 4 0 2 掬时 9 1 2 0 农 锄 4 0 咬 l 义v r奄 7 ，。 么， j 毋 彩 二，一 r i r 00 2口 0 矗0 8 1 01 2 “l 石玉8 船 壁绺“r o 图2 2 橡胶膜的非线性弹性特性 2 3 惯性通道解耦膜式液力悬置力学模型的建立和分析 2 3 1惯性通道一躲耦膜式液力悬置各部分的处理和简化 由液力悬置的结构和工作原理可知，液力悬置是一个复杂的非线性系统，为了尽可 能如实的反应悬置中各元件的结构与功能，突出主要因素，建立其力学模型，应该对悬 置各部分进行必要的假设和简化。 1 7 中北大学学位论文 1 橡胶主簧的刚度髟和阻尼c 我们认为橡胶主簧是一个弹簧一阻尼系统。橡胶弹性元件的刚度和阻尼特性也可 以用复刚度来表示。 k = 毛+ 鹏 ( 2 1 ) = 毛2 + 七2 2 ( 2 2 ) 妒；钟留拿 c 2 3 ) 畅 其中：毛是原件的存储刚度；七2 是反映橡胶材料阻尼特性的损失刚度，也称之为动 阻尼；为动刚度，庐为滞后角。橡胶主簧动刚度并非定值，但在2 0 0 h z 以内橡胶材料 的动刚度变化较小，因此可以将液力悬置的静刚度近似作为橡胶材料的动刚度。 将橡胶主簧刚度视为常量。橡胶主簧具有非线性，由于橡胶材料高频驻波效应的存 在，使其高频动刚度剧烈升高，但最主要的变形是剪切变形，这使其驻波效应要弱于其 它类型的橡胶隔振器。因此在模型中橡胶主簧刚度按常量处理。对被动式液力悬置，橡 胶主簧的阻尼在不同的情况下，应该采用不同的简化方法，研究悬置的低频动特性时， 由于橡胶主簧的阻尼相对于惯性通道中振荡液柱所产生的阻尼而言是很小的，在这种情 况下就可以忽略橡胶主簧的阻尼；但是在高频阶段，液体几乎不产生阻尼和滞后角，橡 胶主簧的阻尼占主导地位，此时不能忽略。 2 上液室体积刚度 上液室将液体泵入下液室时，橡胶主簧产生轻微的膨胀，因此主簧不能象普通的刚 性活塞那样将液体完全压入孔道，这种膨胀效应表现为上液室的体积变化相对于压力变 化的比率，称其为上液室柔度正，工- - a p ( 柳坍5 r ) 。我们称上液室式柔度的倒数为 上液室体积刚度屯。上液室的体积弹性特性可以视为线性的，因此可以认为上液室的体 积刚度屯是一个常悬。 1 8 中北大学学位论文 l d l l i 矗lx 、 一k l 珏 i l 图2 3 上液室等效活塞面积 在对悬置整体的建模过程中，由于涉及到流体特性的向机械系统的转换，会用到上 液室等效刚度蜀( k 。= 4 2 七。) ，这就需要用到上液室等效泵活塞面积彳。a 的值可以根 据相同位移x 的作用下排开液体体积