（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）汽车动力总成悬置系统优化设计研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 l ( 汽车动力总成是汽车的主要振动激励源之一，对汽车的乘坐舒适性有很大 的影响。设计合理的汽车动力总成悬置系统可以明显地降低汽车动力总成和车 体的振动，不但可以改善汽车的乘坐舒适性，而且还可以延长发动机与其它部 件的使用寿命。y ， 本文针对广西玉林柴油机厂的一型号为y c 4 1t o z q 的四缸增压柴油机悬置 系统的优化设计进行了深入的研究。不但通过实验测定了y c 4 1 i o z q 发动机动力 总成的主要激振力( 矩) 、质心位置、转动惯量等设计参数，而且还针对现行的 汽车动力总成悬置系统解耦设计方法的不足提出了针对激振力( 矩解耦的方 法，并将该方法运用于y c 4 1 1 0 z q 发动机动力总成悬置系统优化设计中。 经过优化设计的y c 4 1 i o z q 发动机动力总成悬置系统，在其主要激励力( 矩) 的作用下具有较好的振动解耦特性。同时通过控制y c 4 1i o z q 发动机动力总成悬 置系统的固有频率，使它们远离激励频率，明显地提高了悬置系统的隔振能力。 实验证明，经过优化设计的y c 4 1 i o z q 发动机动力总成悬置系统和原来的 y c 4 l i o z q 发动机动力总成悬置系统相比，明显地降低了发动机动力总成向车体 的振动传递。 针对激振力( 矩) 解耦的方法虽然只运用于y c 4 1 i o z q 发动机动力总成悬置 系统解耦设计中，但该方法对于其它汽车动力总成悬置系统的解耦设计也具有 指导意义和参考价值。实验测定y c 4 1 1 0 z q 发动机动力总成转动惯量的方法，在 实际工程中的运用也是非常有参考价值的 关键词：发动机动力总成悬置系统优化设计 针对激振力( 矩) 解耦隔振 起 ： 一一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o b i l ep o w e r p l a n t c a u s e st h e e n g i n ev i b r a t i o nw h i c ho f t e nm a k e s p a s s e n g e r su n c o m f o r t a b l e p r o p e rd e s i g no fp o w e r p l a n t m o u n t i n gs y s t e m c a r l i m p r o v et h er i d i n g c o m f o r ta sw e l la se x t e n dt h e a g eo ft h ee n g i n ea n do t h e r c o m p o n e n t sb yr e m a r k a b l ys u p p r e s s i n g t h ev i b r a t i o n t h i sp a p e ra d d r e s s e s 洫d e t a i lt h eo p t i m i z a t i o no ft h em o u n t i n gs y s t e mo fa f o u r c y l i n d e rd i e s e le n g i n e ( y c 4 11 0 z q ) p r o d u c e d i ny u l i nd i e s e le n g i n ef a c t o r y t h e m a j o re x c i t i n gf o r c ea n dt o r q u e ，t h el o c a t i o no f c e n t e ro f m a s sa n d t h er o t a t i o n a l i n e r t i ao f y c 4 1 1 0 z qp o w e ra s s e m b l y a r em e a s u r e db y e x p e r i m e n t s t om a k eu p t h e i n s u f f i c i e 邶yo fe x i s t i n gd e c o u p l i n gm e t h o df o rp o w e r p l a n tm o u n t i n gs y s t e m ，o n e i m p r o v e dm e t h o di sp u tf o r w a r da n da p p l i e dt ot h eo 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 m o fy c 4 1 t 0 z qp o w e ra s s e 口幽l y a r c rt h eo p t i m i z a t i o n ，t h em o u n t i n gs y s t e mo ft h ey c 4 1 1 0 z qp o w e r p l a n t c a nb ed e c o u p l e dw e l lw h e ne x c i t e db yt h em a j o rf o r c ea n d t o r q u e a n di t sa b i l i t y t oi s o l a t ev i b r a t i o ni se n h a n c e do b v i o u s l y t h r o u g hr e m o v i n g t h en a t u r a lf r e q u e n c i e s o f t h er u b b e rm o u n t s y s t e m f r o mt h ee x c i t i n gf r e q u e n c i e s t h eo p t i m i z e dm o u n t i n g s y s t e mo ft h ey c 4 11 0 z qp o w e r p l a n t c a np r o v i d eam u c hb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nt h eo r i g i n a lm o u n t i n g s y s t e m a l t h o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft h ei m p r o v e dm e t h o di so n l yl i m i t e dt o t h e d e c o u p l i n gd e s i g no f t h em o u n t i n gs y s t e mo ft h ey c 4 1 1 0 z qp o w e i p l a n t i 1 1t h i s p a p e r ，i tc a na l s oi n s t r u c tt h ed e s i g no f o t h e rm o u n t i n gs y s t e m s a n dt h em e t h o d w h i c hm e a s u r e sr o t a t i o n a li n e r t i ao f t h e y c 4 1 1 0 z qp o w e ra s s e m b l yb ye x p e r i m e n t s i ss i g n i f i c a n ti np r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：m o u n t i n gs y s t e mo f p o w e r p l a n to p t i m i z a t i o n d e c o u p l i n g v i b r a t i o ni s o l a t i o n _ ，一_ _ 。_ ，- _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ 。_ - 。_ 。- 。_ 。_ _ _ - _ - 。- 。一 n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 1 概述 本文所研究的课题来源于广西玉林柴油机厂。桂林客车工业集团公司生产 的型号为g l 6 7 3 0 c 的客车，使用了广西玉林柴油机厂生产的型号为 y c 4 1 1 0 z q 的四缸增压柴油机，发动机与车架( 底盘) 通过橡胶支承连接。在 发动机怠速转速下，该型客车会产生较大振幅的振动；在发动机额定转速下， 又会伴随产生较大的噪声，严重影响了该型客车的乘坐舒适性，而且容易造成 发动机与其它机械构件的失效。由于y c 4 1 1 0 z q 型柴油机是玉林柴油机厂目前 比较畅销的一型柴油机，因此上述问题立即引起玉林柴油机厂领导层的高度重 视。受玉林柴油机厂委托，我们承担了该项课题的研究工作。本科题的核心任 务就是减小y c 4 1l o z q 型柴油机引起的车体振动。 随着经济的发展和人们生活水平的提高，汽车的乘坐舒适性越来越受到人 们的重视。作为汽车的动力源的发动机也是汽车主要的振动激励源之一，其转 速及输出转矩的周期性波动和不平衡惯性力( 矩) 既激起发动机动力总成本身 的刚体振动和弹性体振动，又激起汽车动力传动系的扭转振动和弯曲振动等， 从而导致十分复杂的振动、噪声及结构疲劳强度问题【1 1 。 作为汽车发动机的内燃机可分为两大类：汽油机和柴油机。汽油机和相同 排量的柴油机相比具有重量轻、功率大、振动噪声小、制造工艺要求不高等特 点r 】【3 1 ，所以在轿车和公交车上普遍都使用汽油机。但是由于柴油机具有经济 性好( 柴油的价格比汽油的便宜，柴油的供给较汽油充足，而且柴油机油耗比 汽油机小) 和工作可靠( 柴油机能长时间工作) 等特点，因此柴油机也被广泛 用于货车和大客车上。近十几年来，柴油机轿车在国外已经比较普遍了，如德 华中科技大学硕士学位论文 ：= ! ! = = = = = = ! = = = = = = = ! ! = = ! ! = = ! ! = ! ! ! = ! ! = ! ! ! = ! ! ! ! ! = ! = ! = ! = ! = = ! ! = ! ! = = ! ! = = = ! ! = = ! ! = = ：= ! = ! = ! 国大众的高尔夫、波罗及菲亚特的一些轿车上都使用了柴油机。随着排放控制 技术有了很大发展，低油耗、低污染的柴油机在轻型车领域的应用在不断扩大。 ，象汽车工业相当发达的欧洲，柴油轿车达到其轿车年产量的3 0 以上；2 0 0 1 年 由德国环境监督局选出的“世界1 0 大环保轿车”中，柴油轿车占去了4 个名额， 分别为大众的3 l 路波t d i ( 第1 名) 、奥迪a 2 t d i ( 第2 名) 、大众高尔夫1 9 t d i ( 第5 名) 以及大众新甲壳虫1 9 t d i ( 第1 0 名) 。德国大众3 l 路波t d i 柴油轿 车，被评为世界油耗最低车型等。如此不争的事实，足以说明柴油轿车在整个 轿车工业的地位，然而柴油机轿车在国内还属于空白。 因此可以相信柴油机在整个汽车行业都有着广阔的发展前景。但是柴油机 的振动与噪声问题也变得越来越突出。如何控制柴油机的振动与噪声已经成为 许多汽车和柴油机生产厂家迫切需要解决的问题。 1 2 国内外研究概况 现在汽车发动机大都是通过弹性支承安装在车架( 底盘) 上的，这种弹性 支承在汽车行业称之为“悬置”。汽车发动机与悬置一起构成了汽车发动机悬 置系统。一个良好的发动机悬置系统应当能充分减小由发动机引起的振动、噪 声，还能延长零部件的使用寿命【4 】。因此发动机悬置系统直接影响到汽车的乘 坐舒适性。 目前国内外主要通过两种途径来改善发动机悬置系统的性能。其一合理设 计发动机悬置，使悬置自身的动态性能接近最佳状态，其二是应用振动理论对 发动机悬置系统进行优化设计5 1 。下面将介绍这两方面的发展概况。 1 2 1 汽车发动机悬置的发展概况 汽车发展之初，发动机是刚性的连接在汽车的车架上的，发动机的振动和 变形直接传递给车架，路面激励又通过车架直接传递给发动机，严重影响了汽 2 华中科技大学硕士学位论文 车的乘坐舒适性，同时又造成了发动机与其它机械构件的失效。到上世纪初， 人们开始用皮革和布垫等柔软件来作为发动机与车架之间的连接件，以减小汽 车的振动和提高发动机与其它部件的使用寿命【1 1 。但是由于皮革和布垫等没有 很好减振特性，因此其所起的减振效果是非常有限的。 上世纪二十年代，人们开始利用橡胶的减振特性来降低发动机与车体之间 的振动传趔”。橡胶属于高分子材料，除了具有良好的弹性还具有天赋的内阻 尼。橡胶内阻尼产生的机理在于：当外力作用于橡胶时，橡胶分子要克服分子 之间的内摩擦力，因此产生应变滞后于应力，部分机械能转化成热能耗散到周 围环境中【6 】。所以使用橡胶来连接发动机和车体减小了发动机向车体的振动传 递，从一定程度上改善了汽车的乘坐舒适性。 汽车发动机用的橡胶悬置一般是由上下两片金属骨架，中间夹一层橡胶组 成的p i ，如图1 2 1 。橡胶多采用天然橡胶、s b r 系橡胶。这是由于这些材料的 抗张强度、拉裂强度等机械强度的耐久性能好，常温下弹力下降小，且价格低 廉【。金属骨架设计成图1 2 1 中的形式是为了防止橡胶悬置产生过大的变形。 氤二商 a ) 单侧金属骨架结构b ) 双侧金属骨架结构 图1 - 2 1 橡胶悬置一般的构造 通过改变橡胶的形状设计，可以设定橡胶悬置三个方向刚度之间的关系， 以满足隔振设计的要求。如果想不改变橡胶悬置某个方向的刚度而增加其它方 向的刚度，可以通过在橡胶中间装入钢板来实现，如图1 2 2 【8 1 。 华中科技大学硕士学位论文 旦 硒土垆卫i 蝎 蘑蘑蘑 4 华中科技大学硕士学位论文 尼式橡胶支承( 简称液压悬置) 已在国外汽车上推广使用。汽车发动机液压悬 置隔振系统是国际上在上世纪八十年代迅速发展起来的一种先进的机械振动控 制技术。 上世纪4 0 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 先后提出将液压减振机构 与橡胶支承组成一体的思想，并在美国申请了专利 9 1 。1 9 6 2 年r i c h a r d r a s m u s s e n 申请了第一个液压悬置专利【叭。 德国汽车工程技术界在液压悬置开发和应用方面起步较早。a u d i 汽车公司 于1 9 7 9 年率先在a u d i 轿车五缸汽油机动力总成悬置系统中应用液压悬置元件， 这是第一次将液压悬置用于实车，该液压悬置使装备了五缸和六缸发动机的高 级轿车达到高乘坐舒适性的要求1 9 1 。目前在我国一汽大众汽车公司生产的 a u d i l 0 0 轿车动力总成前左液压悬置即属此类，其结构如图1 2 3 。 图1 2 - 3a u d i l 轿车动力总成液压悬置的结构 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压悬置，阻尼最大 值出现在6 h z ，滞后角最大达2 8 。，远高于橡胶悬置。 1 9 8 2 年日本应用液压悬置于f r ( 汽车动力总成在汽车前部纵置) 式轿车 以降低怠速振动。1 9 8 3 年日本m i t s u b i s h i 汽车公司在c _ m n l a n t 豪华轿车动力总 成悬置系统中采用了一种可自动调节节流孔开度的液压悬置，减振降噪效果较 好。1 9 8 4 年日本开发的既能降低发动机振动又可降低车腔b o o m 声的液柱共 华中科技大学硕士学位论文 振式液压悬置，它对1 0 h z 振动衰减率为0 5 ，i o o h z 附近动静刚度比小于2 ， 减振降噪效果较好。 1 9 8 4 年原西德f r e y d e b b e r g - - m e 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 动机安装了解耦式液压悬置，最多可降低车内噪声3 5 d b ，同年，液压悬置被 用于德国v w a u d i 5 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 年德国奔驰公司的1 9 0 1 9 0 e 和2 0 1 系列汽车安装了液压悬置。同年， 美国g m 汽车公司开始在所有a 型和k 型轿车的四缸和六缸发动机动力总成 悬置系统中采用液压悬置元件，液压悬置隔振技术从此开始在美国汽车上推广 应用。 1 9 8 5 年美国f o r d 公司在s u p e r c a b 轻型货车动力总成悬置系统中采用了液 压悬置元件。这是液压悬置隔振系统从高级轿车向普通汽车普及的开始。 1 9 8 7 年美国a v o n 公司开发了一种可通过控制内置的气体弹簧压力来调节 动态特性的液压悬置。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压 悬置。 1 9 8 8 年的法兰克福国际汽车展览会上，德国f r e u d e n b e r g 公司展出了一种 可以随发动机工作负荷和路况的变化而调节阻尼特性的半主动控制式液压悬置 系统；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压悬置；同年， f r e u d e n b e r g 公司在f w d ( 四轮驱动) 式四缸发动机上应用了主动控制式液压 悬置，取得了满意效果，这标志主动控制式液压悬置在实用方面取得突破性进 展。 1 9 9 3 年的北京国际汽车零部件展览会上，f r e u d e n b e r g 公司又展出了新的 主动控制式液压悬置系统 j j o 经过二十多年的发展，液压悬置结构由简单到复杂，控制方式也由被动式 发展到半主动控制、主动控制，应用日趋广泛，已成为发动机悬置未来发展的 重要方向。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 汽车发动机悬置系统优化设计的发展概况 改进现有悬置结构会受到生产工艺、成本、可靠性和安装条件的制约，实 施的难度较大。与此相比，以振动理论为基础对发动机悬置系统进行优化设计， 则可以在现有悬置的基础上，正确选择悬置的安装位置和各向刚度，合理匹配 发动机悬置系统的各向固有频率，最大限度发挥现有悬置的潜能，是达到减振 目的捷径。因此许多国内外的学者对发动机悬置系统优化设计进行了深入的研 究。 t t m p n e rf f 通过合理布置发动机悬置元件来进行发动机悬置系统解耦设 计。他指出通过合理的布置悬置元件，使它们的弹性中心位于发动机悬置系统 的质心处或主惯性轴上，以达到发动机悬置系统振动解祸的目的。 t m a p n e re f 、s t e p h e nr j o h n s o n 、s u b b e d a rj a yw 都在他们各自有关发动 机悬置系统的优化设计的文献中引入了“扭轴”的概念。 上宫文斌和蒋学锋p 】应用以发动机悬置系统的固有频率为目标函数的优化 设计方法进行悬置系统的优化设计。他们引入了扭轴的概念，并在扭轴坐标系 中建立悬置系统的振动方程，对悬置系统进行优化设计。 j o h nb r e t t 【l l 】提出了一种和传统发动机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，而不象传 统设计方法以合理的汽车动力总成的刚体模态为设计目标。 阎红玉和徐石安【5 】应用发动机悬置系统的能量解耦方法进行发动机悬 置系统的优化设计。他们根据发动机悬置系统的能量分布得到系统解耦的 能量指标，并以该能量指标为优化设计目标，以系统的固有频率为约束条件， 应用d s f d ( 转动坐标轴直接搜索可行方向法) 算法进行优化计算。 孙蓓蓓、张启军、孙庆鸿等1 12 】应用一种使发动机悬置系统刚度矩阵解耦的 方法，来实现悬置系统的振动解耦。应用该方法对悬置系统进行优化设计，可 以实现发动机悬置系统沿垂向和绕曲轴方向的振型解耦，达到控制整车振动的 7 华中科技大学硕士学位论文 目的。 徐石安【l3 】根据传递函数分析振动的方法，探讨了发动机振动模型简化的理 论基础、隔振和解耦的关系，以及更适合于计算机寻优的解耦方法。 程序、张建润和王志新【1 4 】应用模态综合理论对整辆汽车作振动分析，建立 了2 0 个自由度的整车模型，用实际的路面激励作输入，求出坐椅的振动响应， 兼顾各子结构的运动匹酉己，以坐椅加速度响应值最小为目标函数，经过优化计 算得到发动机悬置系统的最佳参数。他们以i v e c o 汽车为例，验证了此设计 方法的实际效果。 温任林、颜景平 15 】以整车系统为背景，提出以汽车驾驶室振动相对能量和 发动机悬置系统各阶振型解耦的多目标优化方法，并根据该方法建立了优化数 学模型。 史文库和林逸【16 】以a u d i l 0 0 轿车为研究对象，认为其发动机悬置支承在弹 性基础上，在建模计算时，考虑了弹性基础的作用。他们通过四端参数理论， 重点分析了弹性基础在发动机悬置系统隔振方面的影响。他们得到了如下结论： 发动机悬置支承的弹性作用是悬置在高频域隔振效果变差的原因。 樊兴华、陈金玉和黄席樾f l7 】在研究发动机悬置系统各种优化设计方法的基 础上，以整车人机系统为背景，提出以人体在垂直方向振动加速度均方根加权 值最小和发动机悬置系统能量解耦为综合目标的多目标优化模型，对发动机悬 置参数进行了优化设计。他们的计算实例说明，选择合适的发动机悬置参数可 以有效地降低汽车振动，改善汽车乘坐舒适性。 从以上学者的研究中可以看到，许多学者都采用了解耦的方法来提高悬置 系统的减振性能。这是因为通常发动机悬置系统的振动是耦合的，即一个激振 力( 矩) 可以引起发动机悬置系统多个自由度的振动。耦合振动会导致发动机 的振动频率范围过宽，这时要想达到较好的隔振效果，则需要使用软的悬置， 这就会导致发动机与周围零部件之间有较大的相对位移，造成与周围零部件的 华中科技大学硕士学位论文 碰撞，破坏整车的平顺性。同时由于软悬置的大位移，又使悬置内的应变增大 而影响其使用寿命。因此，可以通过使发动机悬置系统振动解耦的途径来改善 发动机悬置系统的减振性能。 使发动机悬置系统振动解耦的方法有很多，现将几类主要的方法总结如下。 1 ) 弹性中心法。该方法是靠巧妙地布置悬置来实现的。其基本途径是，以 发动机悬置系统的主惯性轴为坐标轴系来布置悬置，消除系统的惯性耦合；使 悬置的弹性中心位于发动机悬置系统的质心处，消除弹性耦合。这样的话，发 动机的六个刚体模态完全解耦。但是在绝大部分汽车上，发动机安装空间都受 到限制，很难保证悬置的弹性中心位于发动机悬置系统的主惯性轴上或质心处， 因此这种完全解耦在大部分汽车上很难实现。 2 ) 刚度矩阵解耦法。发动机悬置系统的刚体模态只与发动机悬置系统的惯 量矩阵m 和刚度矩阵k 有关。在发动机主惯性轴坐标系中，发动机的惯量矩阵 m 是解耦的，若系统的刚度矩阵丘也为对角矩阵，那么悬置系统在主惯性轴坐 标系中六个刚体模态振动解耦。系统的刚度矩阵是由悬置的安装位置、安装角 度和刚度决定的，因此可以通过优化设计，合理选择悬置的安装位置、安装角 度和刚度来使发动机悬置系统振动解耦。该方法完全从振动学的角度来分析发 动机悬置系统的振动解耦问题，有很强的针对性。在工程实践中，使发动机悬 置系统的六个刚体模态解耦没有必要，一般只要求与发动机主要激励有关的少 数几阶主要振形能有较高程度的解耦。 3 ) 能量解耦法。上述两个方法有个共同点：发动机悬置系统在系统的主惯 性轴坐标系中振动解耦。这在某种程度上使发动机悬置系统的解耦设计失去了 灵活性，而能量解耦法在这方面更加灵活一些。能量解耦法是从能量的角度来 解释发动机悬置系统的振动解耦。如果发动机悬置系统作某个自由度的振动而 和其它自由度解耦，那么系统的振动能量只集中在该自由度上。用能量解耦法 来进行发动机悬置系统的优化设计，一般是先根据系统的振动微分方程求出系 9 华中科技大学硕士学位论文 统的振型矩阵中，再根据悬置系统的惯量矩阵m 和振型矩阵中就可以确定系统 在做各阶主振动时的能量在各个广义坐标上的分布。根据能量分布就可以判断 发动机悬置系统是否振动解耦。 1 3 课题的技术方案 从前面分析可知，可以从合理设计发动机悬置元件和对发动机悬置系统进 行优化设计两种途径来改善发动机悬置系统的减振性能。因此，根据以上两种 途径，并且结合课题的实际情况，初步制定了三个技术方案。现分别介绍如下： 1 ) 进行发动机悬置系统的优化设计。以现有的橡胶悬置为基础，对发动机 悬置系统进行振动解耦设计，使悬置系统在发动机激振力( 矩) 的作用下消除 各自由度之间联系，而不产生耦合振动，并且合理控制悬置系统的固有频率， 以改进发动机悬置系统的减振性能。 2 ) 使用液压悬置元件替代现有发动机悬置元件。近年来，国内的汽车制造 企业在开发轿车和客货车等产品时，都不断遇到因发动机动力总成振动引起的 严重的车内振动噪声问题，与国外的同类汽车相比存在较大的差距。因此，液 压悬置隔振技术在国内汽车上的推广与应用具有十分重大的意义。使用液压悬 置可以明显提高汽车的乘坐舒适性。 3 ) 对现有橡胶悬置元件进行改进设计。普通橡胶悬置元件在低频域的隔振 性能的主要不足之处在于：振动阻尼偏小，不能满足汽车动力总成系统在低频 钢板 图1 - 3 - i 改进后的悬置元件 固定螺钉 1 0 华中科技大学硕士学位论文 域的隔振性能要求，严重影响了乘坐舒适性。因此，可以将一些具有高阻尼特 性的材料与橡胶相组合，来增强橡胶悬置的振动阻尼，如图1 3 1 。当橡胶块受 压时，钢板产生弯曲变形，阻尼材料因为受剪切力作用而产生较大的阻尼。 方案2 中使用的液压悬置可以满足发动机在各个工况下的隔振和减振的要 求，而且效果非常好，可以非常明显得改善汽车的乘坐舒适性。但由于液压悬 置不但工艺要求较高，而且成本也高，因而提高了整车的制造成本，现阶段应 用于国产普通客车上会有相当的困难。方案3 是改进现有橡胶悬置元件，既可 以在一定程度上增强发动机悬置元件的减振振性能，改善乘坐的舒适性，又不 会提高整车的制造成本，但需要对阻尼材料的特性和橡胶的特性进行深入细致 地理论分析和试验研究，而且还要考虑工艺要求，因此该方案研究难度较大， 研究时间较长。方案l 从现有的条件出发，以振动理论为依据对发动机的悬置 系统进行优化设计，因此该方案不会提高整车的成本；而且由于前人在发动机 的悬置系统的优化设计方面做了许多深入的研究，因此不但可以降低研究难度， 而且可以缩短研究时间。合理的发动机的悬置系统的优化设计在一定程度上可 以增强悬置系统的减振性能，改善乘坐的舒适性。通过分析以上3 个方案可知， 方案1 是比较可行的。因此本课题的技术方案是进行y c 4 1 1 0 z q 发动机悬置系 统的优化设计。 1 4 课题的工作内容 围绕y c 4 1 1 0 z q 发动机悬置系统的优化设计，本课题主要进行了如下内 容的工作： 1 ) 通过阅读相关文献，了解了与汽车发动机悬置系统优化设计相关的理 论和与悬置系统设计有关的问题。 2 ) 根据y c 4 1 i o z q 发动机悬置系统优化设计的需要，做了一些相关的实 验，测定了y c 4 1 1 0 2 ；q 发动机动力总成的主要激振力( 矩) 、质心位置、转动 华中科技大学硕士学位论文 惯量等。 3 ) 针对现行发动机悬置系统解耦方法的不足，提出了针对激振力( 矩) 解耦的方法，并将该方法实际运用于y c 4 1 1 0 z q 发动机悬置系统优化设计中。 4 ) 对y c 4 1 1 0 z q 发动机悬置系统优化设计的结果进行了实验验证，从减 振效果上和原来的悬置系统进行对比。 一百一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 汽车动力总成悬置系统理论研究 2 1 汽车动力总成悬置系统的作用 汽车的动力及变速系统合称为汽车动力总成，主要包括汽车发动机及变速 装置( 如变速箱) 等。在现代汽车发动机隔振设计中，一般以发动机动力总成作 为隔振对象。本文中，也将发动机动力总成( y c 4 1 i o z q 四缸增压柴油机和其 配套的变速箱等) 作为隔振对象进行研究。 发动机悬置除了起支承发动机动力总成的作用外，还要具有控制车架与发 动机动力总成之间振动传递的功能。如果不使用中间弹性元件而直接将发动机 动力总成刚性地固紧在汽车车架上，那么当汽车在不平坦的路面上行驶时将会 因为车架的变形和冲击导致发动机动力总成的损坏：而当汽车在平坦光滑的路 面上行驶时来自发动机动力总成的振动将导致车架、车身产生令人厌恶的振动 和噪声 2 4 1 。合理选择汽车动力总成悬置系统，可明显降低发动机动力总成和汽 车的振动，减少发动机动力总成经悬置传递给车架的力以及由此激发的车身钣 金件和底盘相关零件振动的噪声，因而可明显提高汽车的耐久性和乘坐的舒适 性【2 “。此外，采用弹性悬置还能补偿在发动机安装及运动过程中由车架变形导 致的相对位置的不精确。因此发动机动力总成悬置系统的功用是洲： 1 ) 支承发动机动力总成； 2 ) 允许车架或车身扭转而不致给发动机动力总成造成过大的应力，并防止 给装置造成过大的应力； 3 ) 减少由发动机动力总成振动引起的振动和噪声，并减少声波的传输； 4 ) 减小因为路面的不平而引起的发动机的振动f 2 6 】； 5 ) 防止由发动机动力总成振动引起的人体的不舒服及疲劳； 6 ) 防止部件的疲劳、损坏或误操作，诸如散热器、继电器、仪表等等。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 引起汽车动力总成振动的振源 对汽车动力总成来说，主要受到两个振源的激励。一个来自于路面的不平， 另一个来自于运转的发动机及传动系统f 州。来自路面的激励虽然较广阔，但基 本上属于低频率范围，而且是通过悬挂系统传给发动机动力总成的，其频率除 个别点外，一般在2 5 h z 以下【2 8 】。作为汽车发动机的内燃机( 一般轿车、公交 车用汽油机，货车、大客车用柴油机) 是一个强烈的振动源及噪声源。近数十 年间为了提高效率、降低耗油率，内燃机的爆发压力不断提高，激励力大大增 加了，相应的噪声和振动也更强烈了。内燃机工作之所以如此粗暴是由其工作 循环的周期性以及运动机构的往复性所决定的。总的说来引起发动机动力总成 产生振动的根源有【2 4 l ： 1 ) 不平衡的回转运动质量所产生的离心力及离心力矩( 都为一次) ； 2 ) 不平衡的往复运动质量所产生的惯性力及惯性力矩( 一次、二次) ： 3 ) 不平衡的反作用简谐扭矩( 其次数为气缸数除2 及其整数倍。如6 缸发 动机即为3 、6 、9 等次) ： 4 ) 个别气缸不发火或爆发压力不均匀( 其次数为1 2 次及其整数倍) ； 5 ) 因机身( 曲柄箱) 刚性不足导致内力矩输出引起( 多数是一次机身弯曲 振动) ； 6 ) 由路面不平坦引起( 属于低频随机振动) ； 7 ) 由汽车行驶中加速或刹车时的惯性力引起( 使发动机产生纵向振动) 。 由此可以看出：造成汽车动力总成产生振动的原因是多方面的，由它引起 的振动在阶次上、作用方向上、振动强弱上不尽相同，情况是相当复杂的。一 般来说它们取决于发动机的平衡特性，即和发动机的型式、缸数、工作转速、 曲柄排列以及发火次序等有关【2 4 】。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3 汽车动力总成的振动模态 汽车动力总成通常是通过橡胶悬置支撑在车架上的，由于橡胶悬置通常为 弹性元件，因此发动机动力总成与橡胶悬置构成m k ( 质量一弹簧) 式的振 动系统。一般汽车动力总成悬置系统的固有频率都在3 0 h z 以下，而无论发动 机本身还是汽车底盘结构当作弹性体时其最低的一阶固有频率都在6 0 i - - i z 以上， 两者相差甚远t 2 4 j 。因此在工程实际中发动机动力总成和汽车底盘都被视为刚体 处理。视为刚体的发动机动力总成在空间的运动就具有六个自由度，即三个沿 相互垂直的通过发动机动力总成质心的轴线的往复运动和绕此三根轴线的回转 运动，见图2 3 1 。这样发动机动力总成悬置系统就有六个振动模态，相应的也 就有六个固有频率。 图2 3 1 汽车发动机动力总成的振动模态 图2 3 1 中，发动机动力总成沿x 方向的运动称为纵向平动，沿】，方向的 运动称为横向平动，沿z 方向的运动称为垂向平动，绕x 方向的转动称为横摇， 绕r 方向的转动称为纵摇，绕z 方向的转动称为平摇。 理论分析表明，汽车发动机动力总成的六个振动模态并不是完全耦合在一 起的，而是形成两组三联耦合振动，即纵向垂向一纵摇耦合和横向一横摇一 平摇耦合【2 4 】。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 橡胶悬置的动力模型 使用弹性支承连接发动机和车架在力学及振动工程中是个隔振的问题 2 q 。 由于悬置是弹性体，汽车用悬置大多采用橡胶( 合成橡胶或天然橡胶) 块制成， 属于空间弹簧性质，它有阻止任意方向的平动和转动的能力。但是由于发动机 各悬置位置的距离比起悬置本身的尺寸要大得多，因此作为单个悬置由角刚度 而产生的恢复力矩远较由悬置间产生的恢复力矩小的多，所以在计算单个悬置 刚度时可将角刚度忽略不计，并将悬置看成与几何中心( 如悬置是六面体) 正 交的3 个粘弹弹簧等效。因此，橡胶悬置可以等效为固定于发动机与车架之间 的正交的3 个粘弹弹簧 2 7 i 2 9 】。 橡胶悬置的三维一般动力模型如图2 - 4 1 所示。其中，口、卢、y 为3 个 正交的弹性主轴，e 为弹性中心，足。、k 。、k ，为3 个弹性主轴方向的刚度， c 。、c 。、c ，相应地为3 个弹性主轴方向的阻尼。当作用力平行于弹性主轴并 通过弹性中心时，悬置只产生平移而不产生角位移。 图2 - 4 1 橡胶悬置三维一般动力模型 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 5 汽车动力总成悬置系统中悬置的布置方式 根据上一节分析可知，每个橡胶悬置不论其结构形状如何都可以看作由三 个相互垂直的粘弹弹簧组成的隔振器，按照这三个弹簧的刚度轴线和参考坐标 系轴线间的相对位置关系，汽车动力总成悬置系统橡胶悬置的布置方式可以有 以下三种不同方式【“j 。 1 ) 平置式。这是一种常见的、传统的悬置布置方式，它布局简单、安装容 易。在这种布置方式中，每个悬置的三个相互垂直的刚度轴各自对应地平行于 所选取的参考坐标系的轴线。 2 ) 斜置式。这是目前汽车发动机中用的最多的悬置的布置方式。在这种布 置方式中，每个悬置的三个相互垂直的剐度轴相对于参考坐标系的布置是：除 一个刚度轴平行于参考坐标系的一根轴线外，其它两个刚度轴分别与参考坐标 轴有一个夹角。一般斜置式的悬置都是成对地对称布置于发动机动力总成垂向 纵剖面的两侧，但每对悬置之间的夹角可以不相同，坐标位置也可以任意。这 种悬置布置方式的最大优点是：悬置系统既有较强的横向刚度，又有足够的横 摇柔度，因此特别适用于象汽车发动机这样既要求有较大的横向稳定性，又要 求有较低的横摇固有频率以隔离由不均匀扭矩引起的横摇振动。此外，斜置式 布置方式还可以通过合理地选择悬置的安装角度、安装位置以及悬置的刚度比 等来改善汽车动力总成悬置系统的隔振性能。 3 ) 会聚式。这种布置方式的特点是所有悬置的主要刚度轴会聚相交于同一 点。除了有良好的稳定性外，会聚式的最大的优点是可以通过调节悬置倾斜角 度和安装位置来获得六个完全独立的悬置系统的振动模态。但是会聚式悬置布 置方式实施起来比较困难，而且一般汽车发动机并没有纵向激励，斜置式完全 能够满足发动机动力总成的隔振要求，因此会聚式悬置布置方式应用并不广泛。 华中科技大学硕士学位论文 ! = = 2 = = = 竺竺! ! = 竺! ! ! = ! 竺! ! ! = = = ! = = ! ! 竺! = = 竺! ! 竺! ! ! 竺= 竺! ! ! ! = = = ! = = = = ! 竺= = = ! ! ! = = = = 竺! = 1 2 6 汽车动力总成悬置系统的动力模型及运动微分方程 汽车动力总成悬置系统的振动模型是以刚体弹性支承理论作为基础，即认 为发动机动力总成为一空间自由刚体，通过3 4 个具有三维弹性的橡胶悬置支 承在刚性的、质量为无限的车架上。图2 - 6 1 为发动机动力总成悬置系统的 一般动力模型，图中的发动机动力总成悬置系统中使用了四个橡胶悬置。 在坐标系o , w z 中，原点0 为发动机动力总成静平衡时的质心位置，x 轴 平行于发动机曲轴轴线指向发动机前方，z 轴垂直曲轴向上，y 轴由右手法则 确定。 图2 6 - 1 汽车动力总成橡胶悬置系统一般动力模型 根据前面分析可知，发动机动力总成被当作刚体处理，因此发动机动力总 成在空间的运动具有六个自由度，即三个沿相互垂直的通过质心的轴线的往复 运动和绕此三根轴线的回转运动，见图2 3 1 。因此可以假设发动机动力总成的 广义位移为： q = kyz 以o y 眈】r 华中科技大学硕士学位论文 根据汽车动力总成悬置系统一般动力模型，可以得到汽车动力总成的运动微分 方程如下： m g + x ；q = 0 ( 2 - 6 一1 ) 式( 2 - 6 1 ) 中 m 一汽车动力总成悬置系统的惯量矩阵； k 汽车动力总成悬置系统的刚度矩阵： g 一汽车动力总成的广义位移； g 一汽车动力总成的广义加速度。 从振动学的角度来说，式( 2 6 1 ) 也是发动机动力总成悬置系统的无阻尼 自由振动微分方程( 忽略橡胶悬置的阻尼) 。 2 7 汽车动力总成悬置系统解耦设计 在耦合振动系统中，沿某一广义坐标的激励会激起系统多个模态的振动。 耦合振动扩大了共振响应的范围【4 】【3 们，增加了振动的响应方向，因此不利于控 制系统的振动。而在理想的解耦的振动系统中，沿某一广义坐标的激励只激起 系统的一个模态的振动。汽车动力总成悬置系统也是如此。如果悬置系统没有 进行解耦设计，那么发动机动力总成悬置系统就和耦合振动系统类似：沿发动 机动力总成悬置系统某一广义坐标的激励会引起悬置系统多个模态的振动，因 此发动机动力总成的振动将会加剧：而经过解耦设计后，发动机动力总成悬置 系统就和解耦的振动系统类似：沿系统某一广义坐标的激励会引起系统一个模 态的振动，因此有利于控制发动机动力总成的振动。 图2 - 6 1 中的坐标系o x y z 是发动机动力总成悬置系统的广义坐标系。发动 机产生的激励一般都是沿广义坐标的。如果已经建立了悬置系统在广义坐标系 中的惯量矩阵肼和刚度矩阵足，那么就可以根据发动机动力总成悬置系统的运 动微分方程求出悬置系统的六个固有模态。悬置系统的六个固有模态在其模态 1 9 华中科技大学硕士学位论文 坐标系中是解耦的，即任何一个沿模态坐标的激励只激起系统的一个固有模态。 但是由于悬置系统的广义坐标系与其模态坐标系是不重合的，因此沿悬置系统 广义坐标的任意一个激励在模态坐标系中将分解成多个分量，而每个分量都会 引起系统的一个固有模态，从而导致系统的耦合振动。 如果发动机动力总成悬置系统的悬置的弹性中心与发动机动力总成的质心 是重合的，那么悬置系统完全解耦。然而由于发动机动力总成在汽车上的安装 位置受到限制，只能在有限的空间内调整悬置的安装位置和安装角度，因此无 法保证悬置系统的弹性中心与发动机动力总成的质心重合，实现完全解耦。根 据前面的分析可知，汽车发动机的六个振动模态并不是完全耦合在一起的，而 是形成两组三联耦合振动，即纵向一垂向一纵摇耦合振动和横向一横摇一平摇 耦合振动【2 ”，所以发动机动力总成悬置系统解耦通常是指沿悬置系统广义坐标 的激励不激起以上的三联耦合振动。 厂 i i i n y ( f 筵 二，? 。了万一 ；砂 腕为平行于曲轴的坐标系玎菇为主惯性轴坐标系 图2 7 1 发动机动力总成悬置系统解耦设计坐标系 现在的解耦设计一般都是在发动机动力总成的主惯性轴坐标系叩劈中进行 的【1 2 】【2 4 1 ，见图2 - 7 1 。根据发动机动力总成悬置系统的无阻尼自由振动微分方 程式( 2 - 6 1 ) 可知，发动机动力总成的刚体模态只与系统的惯量矩阵m 、刚度 华中科技大学硕士学位论文 矩阵k 有关。在町菇坐标系中，三根参考坐标轴即是发动机动力总成的主惯性 轴，因此惯量矩阵肘是解耦的，即m 可以写成如下对角阵的形式： m = m 为发动机动力总成的质量，j ，、以为发动机动力总成在，7 菇坐标系中 的转动惯量( 以、以、以一般都是通过试验测定的) 。此时系统在叩管坐标系 中消除了惯性耦合。如果系统在刁g 坐标系中的刚度矩阵足也成为对角矩阵， 那么悬置系统就在r k 手坐标系中具有振动解耩的特点了。 橡胶悬置是发动机动力总成悬置系统的弹性支承部分，它决定了系统的刚 度，也就是说悬置系统的刚度矩阵足是由橡胶悬置决定的。具体说，悬置系统 的刚度矩阵足是由悬置的安装位置、安装角度和悬置的刚度共同决定。不同的 悬置安装位置、安装角度、悬置刚度可以得到不同的悬置系统的刚度矩阵。因 此可以通过合理选择悬置位置、安装角度、悬置刚度得到在主惯性轴坐标系中 完全解耦或使几阶主要振形解耦的刚度矩阵k ，以达到汽车动力总成使悬置系 统在主惯性轴坐标系中振动解耦的目的。 汽车动力总成悬置系统的能量解耦设计方法与上述方法类似。能量解耦法 是在得到悬置系统的六个固有模态后，利用振型来得到悬置系统的能量分布， 根据能量分布来判断汽车动力总成悬置系统是否解耦或其解耦的程度。 2 l 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ：= = = ! ! ! = = ! ! = = = 竺! = = = ! = = ! ! = = = 竺= = = = 竺= ! = = 竺! = = = ! 竺! 墨= = ! ! ! = = = ! 竺! ! ! = = 竺! = = 竺竺竺= 3y c 4 1 1 0 z q 发动机动力总成悬置系统实验研究 3 1 y c 4 1 1 0 z q 发动机主要激振力( 矩) 的测定 根据上一章的分析，来自于运转的发动机的激励是汽车动力总成的主要激 励。发动机产生的激励有很多，有不平衡的回转运动质量所产生的离心力及离 心力矩、不平衡的往复运动