（动力机械及工程专业论文）汽车动力总成液压悬置性能研究.pdf

西华大学硕七学位论文 汽车动力总成液压悬置性能研究 动力机械及工程专业 研究生赵艳杰指导教师陈种教授 汽车动力总成振动是汽车振动的主要激励源之一，对汽车n v h 特性产 生很大影响。设计合理的动力总成悬置系统可以减少振动传递，提高乘坐舒 适性。液压悬置是目前悬置系统中广泛采用的隔振元件之一，其动特性是汽 车发动机隔振的主要研究方向。随着液压悬置结构不断的改进，其性能也不 断提高，使得整车的振动与噪声控制不断得以改善。 本文围绕着动力总成悬置系统的隔振与减振，对动力总成悬置的振动特 性、悬置设计原则，悬置系统的优化进行了深入的分析。建立了六自由度动 力总成悬置系统力学模型，运用拉格朗日定理，推导出动力总成悬置系统微 分方程，通过对悬置系统的微分方程求解，建立了悬置系统的惯性和刚度矩 阵。并开发了悬置系统的振动特性优化程序m o u n ts y s t e m 。该程序对于悬 置系统的初期设计起到了方便快捷作用。由于动力总成悬置系统模态振型存 在严重的耦合现象，故本文利用能量法模态解耦理论，采用序列二次规划优 化算法，借助m a t l a b 工具箱中优化工具f g o a l a t t a i n 函数对悬置系统进行解耦 优化设计，并将优化程序集成在悬置系统的振动优化程序一m o 嘶s y s t e m 程 序之中。 根据典型液压悬置机构，建立了典型液压悬置的模型，通过对液压悬置物 理模型的分析，利用机械和流体理论推导出液压悬置的数学模型。并对悬置参 数的获取进行了详细的分析。根据此分析，设计并制作了两组液压悬置。根 据对液压悬置所建立的数学模型，借助m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具建立了液 压悬置动特性的仿真计算模型，在液压悬置1 - 3 0 h z 低频范围内进行了仿真计 算研究。在液压悬置仿真计算中，仿真了液压悬置动特性，并对液压悬置动 i 硝华大学硕士学位论文 特性进行了必要的分析。影响液压悬置动特性因素很多：如悬置主簧刚度， 惯性通道截面积，惯性通道长度，及上腔室体积柔度等。下腔室体积柔度， 液体粘度系数等因素对液压悬置的低频动特性影响不大，基本可以忽略。 为验证建立的数学模型及仿真结果，对液压悬置元件进行了试验研究。 结果表明悬置试验动特性曲线与仿真动特性曲线基本吻合，验证了数学模型 及仿真模型的正确性和适用性。 本文对动力总成液压悬置的研究，将对改善发动机的振动与噪声起到重 要作用。 关键词：液压悬置能量法解耦动态特性隔振n v h n 两华大学硕十学位论文 p r o p e r t i e sr e s e a r c ho fh y d r a u l i c m o u n t i n ga u t o m o b i l ep o w e r t r a i n p o w e rm a c h i n ea n d e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：y a n j i ez h a os u p e r v i s o r ：c h o n gc h e n a st h em a i ns o u r c eo fv i b r a t i o n , t h ep o w e r s t r a i ns y s t e mh a sa g r e a ti m p a c to n n v hc h a r a c t e r i s t i c sf o rm o d e mv e h i c l e s aw e l l d e s i g n e dp o w e r s t r a i nm o u n t i n g s y s t e mc a i ls i g n i f i c a n t l yd e c r e a s et h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o na n di m p r o v er i d e c o m f o r t h y d r a u l i cm o u n t i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e d i nv i b r a t i o ni s o l a t i o n c o m p o n e n t sp r e s e n t l y , a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fi ta r et h em a i nr e s e a r c h d i r e c t i o no ft h ea u t o m o t i v ee n g i n ev i b r a t i o ni s o l a t i o n w i t l lt h ec o n t i n u o u s p r o m o t i o no ft h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cm o u n t i n gs y s t e m ，t h e v i b r a t i o na n dn o i s ec o n t r o lt ov e h i c l e sg e t si m p r o v e dc o n s t a n t l y t h i sp a p e rg i v e sa ni n d e p t hs t u d yo i lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，p r i n c i p l eo f d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm o u n t i n gs y s t e m ，r e v o l v i n ga r o u n dv i b r a t i o ni s o l a t i o n a n dr e d u c t i o no ft h ep o w e r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e m i th a sa l s oe s t a b l i s h e da s i x d e g r e e f r e e d o md y n a m i cm o d e lo fp o w e r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e m ，d e r i v e d d i f f e r e n t i a le q u a t i o n so f p o w e r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e m b yu s i n gl a g r a n g et h e o r e m ， b u i l tu pt h ei n e r t i aa n ds t i f f n e s sm a t r i xo fp o w e r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e ma f t e r s o l v i n gt h ee q u a t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，a n dd e v e l o p e da l lo p t i m i z a t i o np r o g r a mt o v i b r a t i o nc 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 m - - m o u n t s y s t e mw h i c ho f f e r s a c o n v e n i e n ta n dq u i c kw a yf o rt h ei n i t i a ld e s i g no ft h em o u n t i n gs y s t e m b e c a u s e o ft h es e r i o u sm o d a lc o u p l i n gp h e n o m e n o nt h a ta p p e a r si nt h em o d a lm a t r i xo ft h e p o w e r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e m ，t h i sp a p e ra p p l i e s s e q u e n t i a lq u a d r a t i c p r o g r a m m i n go p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb yu s i n gf g o a l a t t a i nf u n c t i o no fo p t i m i z a t i o n t o o l si nm a t l a bt o o l b o xd e s i g n e df o rp o w e r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e mo nt h eb a s i so f i i i 西华人学硕士学何论文 e n e r g ym e t h o do fd e c o u p l i n gt h e o r y , a n di n t e g r a t e dt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mi n t o t h ev i b r a t i o no p t i m i z a t i o np r o g r a mf o rm o u n t i n gs y s t e m m o u n ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h et y p i c a lh y d r a u l i cm o u n t i n ge n g i n e ( h e m ) ， t h ep h y s i c a lm o d e lo fi th a sb e e ne s t a b l i s h e d a f t e rt h ea n a l y s i so f p h y s i c a lm o d e l o fh y d r a u l i cm o u n t i n ge n g i n e ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e mh a sb e e no b t a i n e d b yu s i n gr e l a t i v em e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cf l u i dt h e o r i e s t h em e a n so fo b t a i n i n g h e m p a r a m e t e r sr e c e i v e sad e t a i l e da n a l y s i sa n db yw h i c ht h er e s e a r c h e rd e s i g n e d a n dm a d et w os e t so fh e m b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e m ，t h e r e s e a r c h e re s t a b l i s h e das i m u l a t i o nc o m p u t a t i o nm o d e lf o rc h a r a c t e r i s t i c so fh e m b yu s i n gm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nt o o l b o x ，a n dc a r r i e d o u tas i m u l a t i v e c o m p u t a t i o ns t u d yo fh e m w i t h i n1 - 3 0 i - i zl o w - f r e q u e n c yr a n g e i nt h i ss i m u l a t i v e c o m p u t a t i o n , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh e mg o ts i m u l a t e d ，a n dan e c e s s a r y a n a l y s i so fi tw a sg i v e n t h er e s u l to fa n a l y s i st e l l st h a tt h e r ea r em a n yf a c t o r s a f f e c t i n g t h es t i f f n e s so fh e m t h ee f f e c tt ot h ed y n a m i cs t i f f n e s si sa c o m b i n a t i o no fs p r i n gs t i f f n e s s ，c r o s s - s e c t i o n a la r e aa n dl e n g t ho fi n e n i a lc h a n n e l ， t h ev o l u m ef l e x i b i l i t yo fu p p e rc h a m b e ro fh e m t h el a ga n g l eo fh e mi sm a i n l y a f f e c t e db yh y d r a u l i cm e c h a n i s m t h ev o l u m ef l e x i b i l i t yo f l o w e rc h a m b e ra n dt h e l i q u i dv i s c o s i t yc oe f f i c i e n c yo fh e mh a v eo n l yat i n ye f f e c to nl o w - f r e q u e n c y d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e f o r et h e ya r en o tc o n s i d e r e di nt h ed e v e l o p m e n ta n d d e s i g no fh e m t ov e r i f yt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，a ne x p e r i m e n t a l s t u d yw a sc a r r i e do u to nt h eh y d r a u l i cm o u n t i n gc o m p o n e n t s t h ee x p e r i m e n t s e lv e sa st h eb a s i so ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，a n dt e s t i f i e st h a tt h e e x p e r i m e n t a lc u r v eb a s i c a l l yf i t st h es i m u l a t i o nc u r v e ，a sw e l la st h ec o r r e c t n e s s a n da p p l i c a b i l i t yf o rm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o nm o d e l t h es t u d yo ft h ei m p a c to ff a c t o r so fh e mi nt h i sp a p e rw i l lc e r t a i n l yp l a ya s i g n i f i c a n tr o l et oi m p r o v et h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fh y d r a u l i cm o u n t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：h y d r a u l i cm o u n t i n ge n g i n e ；d e c o u p l i n ge n e r g y ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；i s o l a t i o nv i b r a t i o n ；n v h i v 两华人学硕士学位论文 西华大学 学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别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，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 学位论文作者签 导师签 第9 4 页 b 月汐日 6 只f 勺日 两华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本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 阅和借阅，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密影适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签瑚硷指导溯签名： 日期： 1 j k l c 日期： 第9 5 页 两华人学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 随着我国社会的进步和汽车工业的快速发展，对汽车的功能提出了越来 越多的要求，汽车设计也向轻型化、经济化发展，因此不断采用小型、大功 率发动机和轻量化的汽车材料，使得发动机传递至车身的振动幅值加大，进 而导致车内振动和噪声特性恶化。 发动机n v h f n - n o i s e ，v - v i b r a t i o n ，h h a r s h n e s s ) 对于解决动力总成振动与 噪声起着至关重要作用。一般来讲发动机的噪声可分为机械噪声、燃烧噪声、 和空气动力噪声。机械噪声主要包括活塞的敲击声、齿轮机构噪声、配气机 构噪声、轴承噪声、高压水泵噪声、不平衡惯性力引起的机体的振动和噪声 等。其随着发动机转速的提高而增加，发动机的燃烧噪声是通过机体向外传 播，其主要在汽缸内产生。汽缸中变化的压力波不断冲击燃烧室壁，使其产 生振动。其频率与发动机转速有关。燃烧噪声是与内部压力有关，压力越大， 燃烧噪声也就越大。空气动力噪声主要是在进排气过程中产生，它直接向大 气辐射。当进气系统和排气系统与发动机连接后就转化为进气口噪声与排气 尾管的噪声。 发动机是汽车最主要的振动和噪声源。发动机的噪声与振动是由许多不 同阶次分量组成心1 。与它连接的系统或者部件的振动与噪声也都与阶次有关， 例如进气系统中进气口的噪声、排气系统中尾管的噪声、发动机隔振器中的 振动的传递率等。另外，车内噪声、地板的振动、方向盘上的振动等也与发 动机的阶次有关。 动力子系统是动力系统的一部分，包括动力装置隔振系统、传动轴系、 进气系统和排气系统，因此它是汽车非常重要的噪声振动源。在汽车产品开 发的时候，通常将动力子系统与发动机和变速器分开，作为独立的一部分来 开发。而发动机部分与变速箱部分则被称为动力总成系统。 隔振器的主要目的就是减小动力总成传到车体的振动。动力总成系统和 隔振器组成了一个隔振系统。同时相对于整个车体来说，动力总成和隔振器 第l 页 西华人学硕十学位论文 又相当于一个动力吸振系统，缓解路面冲击对车体的影响。隔振器要承受动 力装置的重量，在受到冲击作用的时候，位移不能太大，这就要求隔振器的 刚度要大些，但是冲击能量是要靠阻尼吸收，所以隔振器的阻尼要大。隔振 的时候，频率相对高些，这时刚度低和阻尼小才会达到理想的隔振效果。动 力总成隔振器目前一般分成四类：橡胶隔振器、液压隔振器、半主动隔振器 和主动隔振器。 1 2 动力总成隔振器 动力装置安装在隔振器上，如图1 1 所示，而隔振器可以直接与车身连 接，也可以安置在车架上，车架再通过另外的隔振器与车身相连接。发动机 的振动如果没有有效隔离开，就会传到汽车的各个部位，最后到达驾驶员和 乘客，从而影响人乘坐的舒适性。另外，汽车会受到路面的振动与冲击，如 果隔振器设计不当，动力装置的振动幅值就会很大，甚至影响到附近的结构。 所以，动力总成隔振系统的设计是减小发动机振动与噪声的一项关键性技术。 在目前的汽车界，动力总成隔振器一般称为悬置。故在本论文中，对于该类 隔振器，统称为悬置( 缩写e m e n g i n em o u n t ) 。 f 蟾1 1m o u n ts y s t e mo f e n g i n e 图1 1 发动机悬置系统 第2 页 两华大学硕士学位论文 1 2 i 发动机动力总成悬置的作用 汽车行驶及发动机运转时的振动情况非常复杂，对悬置产生影响的激励 源既有发动机的内部点火激励和惯性力及转矩激励，也有来自外部的道路， 悬挂系统、转向系统的激励。一般来讲，隔振器的主要功能如下h 1 ： 1 ) 定位与支撑：根据整车空间及减振的需要，发动机被支撑在几个悬置上， 在发动机本身振动和外界作用力驱动下，发动机和底盘之间存在着相对运动。 因此悬置系统具有控制发动机相对运动和位移的功能，使发动机始终保持在 相对稳定和正确的位置上。 2 ) 隔离振动：发动机在工作转速范围内产生的振动必须通过悬置系统加以 隔离，尽可能降低传递到车身及底盘的高频振动。 3 ) 限位作用：当发动机在受到各种干扰力( 如加速、加速或制动等动载荷 情况下) 作用情况下，悬置应能有效限制动力总成的最大位移，避免发生运 动干涉和零件的碰触，保护发动机。 1 2 2 悬置理想动特性 悬置承受动力装置的重量和来自发动机扭矩的作用力，它必须具有足够的 刚度。路面激励及发动机激励频率均较低，路面的冲击和发动机启动时的摇 摆会作用到悬置上，如果悬置刚度低，动力总成装置会产生较大的位移，可 能会与其他部件发生运动干涉，并且也影响到安装在动力总成装置上的其他 部件。因此，在低频时，要求悬置刚度要大。另一个方面，从单自由度隔振 传递率性质可知，在隔离区内，激励频率与系统固有频率的比值越小，隔振 效果越好，即悬置的刚度越低越好。于是一个理想悬置的刚度应该在低频时 刚度高，而在高频时刚度低。理想悬置的刚度曲线如图1 2 所示。在共振范 围内，阻尼对降低振动幅值起决定作用，可是在隔振区域内，情况恰恰相反， 即阻尼大，其传递率的幅值也就大。因此为了有效的达到隔振的目的，在高 频时阻尼越小越好。图1 3 表示一个理想悬置的阻尼曲线。 综上所述，为了有效抑制动力总成的振动位移幅度，在低频大振幅时，悬 置应具有大阻尼、高刚度的特性，这个频段大约为1 - 3 0 h z ，对应悬置元件的 输入位移振幅值在i m m 量级范围内；而在高频小振幅时，悬置应具有小阻尼、 第3 页 西华大学硕士学位论文 低刚度特性，降低高频的传递率，这个频段大约为2 5 2 0 0 h z ，对应悬置元件 的输入位移幅值在0 1 m m 量级范围内。因为悬置系统要求的矛盾性，所以悬 置设计中如何优化的选择悬置刚度是一个非常重要的问题。 f i 9 1 2t h ec u r v eo fp e r f e c tm o u n ts t i f f n e s s 图1 2 理想悬置刚度曲线 1 2 3 动力总成悬置的发展及典型结构 1 2 3 1 橡胶悬置 f i 9 1 3t h ec u r v eo fp e r f e c tm o u n td a m p 图1 3 理想悬置阻尼曲线 2 0 世纪3 0 年代，l o r d 首先将橡胶悬置应用到汽车中嘲，用来隔离从发 动机到车体的振动传递。从此以后，这种悬置广泛地在汽车上应用，许多研 究人员先后对橡胶悬置做了许多改进，例如，提高悬置的粘结强度，扩大使 用温度范围等。 第4 页 两华大学硕士学位论文 f i 9 1 4s p r i n g - d a m pm o d e lo f r 岫r m o u n t i n g 图1 4 橡胶悬置弹簧一阻尼模型 刚 度 f 培1 5t h e c l m o f r u b b 竹m o 咖t h g 图1 5 橡胶悬置刚度曲线 发动机橡胶悬置模型，可以用v o i 群模型代替嘲，如图i 4 所示。它由一 个弹簧和一个粘性阻尼组成。由于阻尼的原因橡胶悬置的动刚度在高频时会 比在低频时显著增加，如图1 5 所示动刚度曲线所示。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，但在高频时性能变差；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”1 。 发动机橡胶悬置目前在隔离发动机振动方面被成功应用了很多年。近年 来汽车朝着小型化、轻型化、前轮驱动、怠速较低方向发展，这促进了使用 具有更好的隔振性能的悬置来替代橡胶悬置。 i 23 2 动力总成液压悬置 液压悬置英文简缩写h e m - h y d r a u l i ce n g i n em o u n t 。2 0 世纪4 0 年代， r i c h e r h a r d i n g 和s t a r c h o u s k y t 8 l 提出将液压减振机构和橡胶组成一个整体减振 机构，并在美国申请了专利，但其机构复杂，安装不方便，未得到实际的应 用。1 9 6 2 年，美国通用汽车公司的r i c h a r d r a s m u s s e n 率先申请液压悬置的专 利。自7 0 年代末开始，世界各大汽车公司相继开展了液压悬置的研究和开发 工作，使得液压悬置的应用得到了快速发展，目前成为汽车动力总成的主要 隔振技术之一。 第5 页 西华大学硕士学位论文 f l6t h er e 口l - g r a p ho f a u d i l 0 0 陋m 图1 6 奥迪1 0 0 液压悬置实物图 德国是较早进行液压悬置设 计研究和开发应用的国家。1 9 7 9 年，a u d i 公司率先在a u d i 五缸o t t o 发动机上应用液压悬置，并开发出 三种可应用于五缸和六缸发动机 动力总成悬置系统的a u d i b o g e 、 f r e u d e n b e r g 、a u d i1 1 悬置系统，标 志着动力总成液压悬置应用的开 始”1 。图1 6 即为奥迪1 0 0 液压悬 置实物图。 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”“，液压悬 置由此在美国推广应用。同年，f o r d 汽车公司在生产的轻型货车上采用液压 悬置，液压悬置的应用由高级轿车向其他类型汽车普及。据文献”记载，最 早的半主动控制液压悬置是1 9 8 3 年三菱汽车公司在豪华g a l a n t 轿车上安装的 电控截流孔开度的液压悬置，实际应用表明其减振降噪效果较好。在此后的 数十年里，又有多种半主动控制式液压悬置系统的理论模型相继提出，这项 技术得以稳步发展。1 9 8 7 年美国a v o n 公司开发了控制气体弹簧压力调整动 特性的液压悬置1 9 8 8 年德国f r e u d e n b e r g 公司开发了根据路面提供最优阻 尼的半主动控制式液压悬置；同年，m e t z e l e r 公司在世界上首先开发成功电 流变液体的液压悬置，标志着液压悬置由被动向半主动控制式方向发展的飞 跃。 被动式液压悬置大致可以分为三类：带有简单节流孔悬置，如图1 9 、带 有惯性通道悬置，如图1 1 0 和带有惯性通道和解耦盘( 解耦膜) 的悬置，如 图1 1 l 。节流孔和惯性通道在某些方面不一样，但都会在低频时产生阻尼， 从而减少振动的传递，起到降噪的作用。由惯性通道产生的阻尼称为“惯性 放大阻尼”它被认为具有更好的阻尼效应。通常情况下，带有节流孔或者惯 性通道的液压悬置的动刚度比简单悬置的大，这就意味着，虽然在低频时这 些类型的液压悬置可以显著的增大阻尼，但在高频也恶化了隔振效果。其原 第6 砸 西华大学硕士学位论文 因为当频率增大时，液体在惯性通道内流动产生额外的阻尼，从而造成动刚 度增大，直到共振频率为止。当超过共振频率时，惯性通道事实关闭了，即 造成“动态硬化”。这时，悬置的刚度大致等于橡胶主簧刚度和液压悬置体积 刚度之和，这使得动刚度加大，恶化了液压悬置隔振效果。 f 毽1 7 珏b h f r e q t u m c ys m a - a m p l i t u d e 图i7 高额小振幅 f 1 8l o w f r e q u e n c y k p p k 叫e 图l 8 低频大振幅 这个问题通过在液压悬置中使用解耦盘可以解决，它的功能类似一个限 制振幅的浮动活塞。高频小振幅时液体将通过解耦盘流动，而不是惯性通道， 如图1 7 ，这使得液压悬置近似于一个橡胶悬置；低频大振幅时，由于泵吸作 用很大，解耦盘紧紧作用于解耦盘框架上位与下位，使得液体无法通过此处 流动，如图1 8 所示。液体只能通过惯性通道流动，从而类似一个普通的液 压悬置产生阻尼以衰减振动。带有惯性通道及解耦盘式液压悬置具有良好的 动刚度特性，因此被广泛应用到汽车中。典型的液压悬置外型图如图1 1 2 所 日i 。 液压悬置与橡胶悬置及带有和没有解耦盘的液压悬置的动特性响应如图 1 1 3 、图1 1 4 所示。可以看出，动特性与频率和振幅都有关系。 f t i9 t h e h b m w i t h o r w w e 图1 9 具有节流孔式液压悬置 f i 9 11 0 t h e 嘲w i t h i a e r t i a l c h a n n e l 图11 0 具有惯性通道式液压悬置 第7 页 西华大学硕士学位论文 ( 旬( b ) f i 9 11 3t h e c u r v c o f d y n a m kc h a r a c t e r i s t i c so f 目日ma n d r u b b e r m o u n t i n g 闰l1 3 液压悬置与橡胶悬置动特性曲线图 ( 曲t h e c t l r v co f d m n p( 埘t h e c u r v e o f s t i f f n e - 璐 ( 吣简单悬置与橡胶悬置阻尼曲线图( b ) 简单液压悬置与橡胶悬置动刚度曲线圈 第8 页 两华大学硕十学位论文 刚 度 l b ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 三频率 刚 度 i i n l n 0 s m m o 1 m m 频率 ( a ) ( b ) f i 9 1 1 4t h ec u r v eo f d y n a m i cs t i f f n e s so f h e m 图1 1 4 液压悬置动刚度曲线图 a ) v , y n a m i cs t i f f n e s so fc o m m o nh e mb ) d y n a m i cs t i f f n e s so fi n e r t i a lwi t hh e m a ) 简单悬置动刚度曲线图b ) 解耦盘式悬置动刚度曲线图 理论与试验研究都表明1 ，液压悬置系统的动态响应与结构设计参数有 关联。通过进行参数性能研究，可以得到对悬置振动和噪声控制的最优化。 许多人已经做了优化悬置结构参数方面的工作，论证了对于一个特定的悬置， 悬置设计参数存在一个最佳工作点，达到最优的悬置性能。良好的设计甚至 可以在某一频率使悬置的动刚度小于静刚度。 k f 姆1 1 5t h em e c h a n i c a lm o d e lo fh e m ( m i l l e r19 9 2 ) 图1 1 5 液压悬置的机械模型( m i l l e r ，1 9 9 2 年) 动力总成悬置除被动控制式，还有半主动控制式和主动控制式液压悬置。 主动控制式悬置和半主动控制式悬置多半是在液压悬置的基础上加上控制系 统而形成。主动悬置中，除了有控制系统以外，还有套额外的能量供应系 第9 页 西华大学硕十学位论文 统来提供一个反向的力抵消系统的振动。在半主动悬置系统中，只有控制系 统，没有额外的能量系统，其抵抗振动的力来自动力装置本身。 1 3 液压悬置国内外研究现状 s u g i n o 对简单阻尼孔式第一代液压悬置的减振机理进行了理论分析：计 算了阻尼孔的直径和长度、上下液室的体积刚度等参数对阻尼孔中的液体共 振频率的影响1 1 3 】。 1 9 7 9 年r j o h n s o n 首开先例对动力总成悬置系统进行了优化，他以横置 发动机前置前驱动轿车为例，以固有频率的最佳配置和系统能量解耦为目标， 优化设计变量为悬置刚度，悬置位置以及悬置垂向与侧向刚度比等，优化结 果很好，作者并在此基础之上开发出了动力总成优化设计软件c o e m s f 1 。 1 9 8 3 年，j a m e 运用“移频法”优化得到动力总成悬置系统合理的固有频 率配置，优化方法采用惩罚函数法，优化变量为悬置刚度、位置以及悬置的 安装角度副 1 9 9 8 年美国福特公司的a r s o l o m a n 首次将解耦理论应用于一卡车设计 中，并成功解决了汽车侧向振动问题n 刚n ”。 1 9 9 2 年，美国o h i o 州立大学机械工程专业教授k i m 和s i n g h 提出了惯 性通道解耦盘式液压悬置集总参数线性模型，并利用该模型对低频动特性进 行了仿真；分析了集总参数模型中的一些物理参数和液压悬置的几何参数变 化对动特性的影响引。 其后，r o y s t o n 利用加权余量法，以传递函数振动能量最小为目标函数， 对复杂的，非线性的液压悬置进行了优化设计。 1 9 9 5 年，美国n o r t h w e s t e r n 大学c o l g a t e n 町对解耦盘式液压悬置进行了 深入研究，他们建立了两个线性集总参数模型，分别适用低频、大振幅和高 频、小振幅振动；利用等效线性化技术解释了液压悬置的动特性和激励振幅 的相关性；分析计算了液压悬置在受到复合激励时候的动特性。 2 0 0 2 年，f o u m a n i 啪1 等人利用a n s y s 计算橡胶主簧的体积柔度方法， 但该方法并没有对材料模型和计算结果与试验结果对比分析。 目前国外很多学者都尝试利用有限元方法对液压悬置进行动特性分析， 并利用有限元对悬置支架做相应的模态分析。 第i 0 页 西华大学硕十学位论文 有关动力总成悬置系统的研究在国内始于上世纪8 0 年代，由清华大学和 二汽产品设计处合作对e q l 4 2 汽车动力总成橡胶悬置系统开展研究。上世纪 9 0 年代初吉林工业大学的冯振东教授，对液压悬置进行了建模、仿真计算和 试验分析等，随后随着一汽集团的c a 7 2 2 0 轿车液压悬置的国产化过程，吉林 工业大学的有关研究人员对液压悬置系统进行了系统的研究，分别进行了如 下几方面工作：研究了液压悬置对整车舒适性的影响，建立了整车十六自由 度模型，侧重考虑了动力总成悬置和副车架悬置对整车振动的影响心；进行 了液压悬置的理论与设计以及应用研究和半主动悬置的仿真研究；进行了液 压悬置参数的辨识和动力总成液压悬置系统的优化。清华大学的吕振华等人 针对b u i c k 轿车动力总成液压悬置进行了深入的研究坦引，得出结论是液压悬 置非线性集总参数力学模型不但可以很好地预测其低频大振幅动态特性以及 低频动刚度峰值出现的频率，还可以预测液压悬置产生高频动态硬化的频率。 但同时他们也指出这种简化模型所存在较大误差的问题，并与日本东京大学 合作，利用液一固耦合有限元分析方法对液压悬置动特性进行仿真计算旧3 j 。 北京理工大学刘福水教授设计开发了一种阻尼可调式半主动控制液压悬置 瞳钔，在实际应用中可以根据发动机的实际转速实时调节减振器的惯性通道截 面积，从而达到最佳的隔振效果。吉林大学的秦民等人对液压悬置动态特性 进行了分析，得出液压悬置的动刚度、滞后角不仅随着振动频率的变化而变 化，而且随着系统变形位移的不同而不同，即具有频变特性，又有非线性特 性幢5 1 。同为吉林大学的裘新采用直接法和多尺度法进行时域参数识别，其研 究的重点是整个悬置系统的隔振性能。北京理工大学的阎为革首次提出了将 磁流变液用于车辆动力液压悬置以降低车辆的振动和噪声，并给出了被动式 磁流变液液压悬置的结构，提出了其力学模型。吉林大学史文库教授研制了 一种采用电动伸缩作动器的主动悬置晗6 1 ，为以后研究主动控制方法在动力总 成悬置隔振系统中的应用提供了良好的理论基础。 总而言之，国内有关悬置问题的研究虽然较晚，但是这一问题的研究受 到了足够的重视，并取得了一些基础性研究成果。但同国外相比存在一定的 差距，还没有形成完整系统的悬置元件试验及悬置系统设计优化分析的理论 和方法。 第1 1 页 两华大学硕十学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 n v h 是目前汽车产品的主要性能指标，是消费者在购买汽车时必须考虑 的因素之一。而动力总成悬置系统是汽车振动噪声研究的一个重要子系统， 发动机的振动、噪声是引起汽车振动、噪声的主要来源。据相关研究表明， 我国轿车车外加速噪声中，发动机噪声占5 5 ，大中型汽车的发动机噪声占 6 5 ，发动机噪声与振动对汽车的n v h 特性有着很重要的影响。性能良好的动 力总成悬置系统，不仅可以减小振动向车架底盘的传递、降低车内噪声、提 高乘坐舒适性，而且能更好地保护发动机总成。因此，对汽车动力总成悬置 系统的研究不仅具有重要的理论意义，而且还有明显的工程实用价值。 基于以上目的，本文围绕着动力总成悬置系统的隔振与减振，对动力总 成悬置的振动特性，悬置设计原则，悬置系统的优化进行了深入的分析，并 将上述方面成功开发出悬置系统的振动特性优化程序，该程序对于悬置系统 初期的设计起到了方便快捷作用。同时分析液压悬置关键参数特性对液压悬 置动特性的影响关系，设计出发动机液压悬置，并进行了试验研究，这些都 对今后工作打下了坚实基础。 本课题来源于四川省教育厅重点科研项目( 0 7 3 a 1 1 3 ) 。 本文的主要研究内容为： 1 ) 研究动力总成悬置系统的基本要求和设计准则，研究悬置系统微分方 程，建立求解方法，编写发动机振动优化应用程序。 2 ) 研究发动机激振力对悬置系统产生影响，以解耦为目标进行分析，研 究解耦对悬置系统隔振性能的影响。 3 ) 对动力总成悬置系统进行优化分析。对相应的系统或者参数进行优化 改进，以减小发动机激励引起的振动。 4 ) 研究液压悬置参数选取对液压悬置动特性的影响。确定关键参数对动 特性的影响关系。 5 ) 设计试验液压悬置，确定液压悬置结构尺寸、静刚度，制作加工，组 装成型。 6 ) 在试验台架上进行液压悬置动特性试验，并对结果进行分析以验证液 压悬置对动力总成的减振与隔振效果。 第1 2 页 两华火学硕十学位论文 2 汽车发动机激振力特性及动力总成悬置系统 汽车动力总成悬置振动系统中，发动机既是激励源又是受迫的振动体。 作为激励源的发动机，其振动是整车的主要激励之一，在车辆的正常行驶过 程中，来自发动机气缸内的燃气压力和运动部件产生的不平衡惯性力与力矩 的作用，激励着车辆不断的产生振动。正确分析发动机的振动激励源及其特 性，是发动机动力总成悬置系统减振技术和优化设计研究的项极其重要的 内容。 悬置系统的设计是一个较为复杂的任务，需要满足一系列的静态和动态 性能的要求，同时又受到整车布置的限制。一个良好的悬置系统应当能充分 减少由于发动机引起的振动、噪声，延长零部件的使用寿命。在进行动力总 成悬置系统设计时，可以将动力总成子系统从整车系统中分离出来单独进行 分析，而将整车隔振性能对动力总成的设计要求作为悬置系统设计的约束条 件。 2 1 汽车发动机激振力分析 2 1 1 单缸曲柄连杆机构的作用力和作用力矩 在讨论发动机振动时，常常保证重心位置和总质量不变的条件下，把连 杆足够精确地用集中在曲柄销上与活塞销上的两个质量来代替，并把其他的 不平衡的质量也等效的简化到这两点上。即所谓的二质量系统。质量j ，z i 即为 发动机曲柄连杆机构质量简化到曲柄销上的质量；质量为简化到活塞销上 的质量3 。 集中质量聊：的往复惯性力的大小等于质量与活塞加速度蕞的乘积，而 方向与加速度方向相反，如图2 1 ( a ) 所示，即有： p j = - - m 2 五= 扰2 r m2 ( c o s m t + a 。e o s 2 m t ) 2 p j l + p j 2 式中p j l = m 2 阿2 c o s 伍t 第1 3 页 ( 2 1 ) 一阶往复惯性 西华人学硕士学位论文 则有： 乃2 = 册2 肺2 九p c o s 2 m t 力 二阶往复惯性 力 当发动机工作时，作用在曲柄连杆机构上的气体力为活塞上下压力差， e 叱1 ) 孚 ( 2 2 ) 式中：足一一活塞顶所受气体爆发压力；d 一活塞直径； t 与往复惯性力p j 均沿汽缸轴线方向，其合力e 等于两者代数和；有： c = 名+ p j ( 2 3 ) 如图2 1 ( b ) ，可知连杆的轴