（机械设计及理论专业论文）汽车动力总成磁流变悬置的性能模拟及试验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 汽车消费品日益与人们日常生活和国民经济联系紧密，而伴随着国际汽车行 业的蓬勃发展以及道路交通条件的改善，人们对汽车的乘坐舒适性和安全性更加 关注。 本文结合“新型磁流变液悬置”横向项目的研究，在综合分析国内外动力总 成悬置的发展历程、分类、现状、存在的问题以及新型磁流变材料的工程应用范 围的基础上，重点研究基于磁流变技术的动力总成半主动液压悬置系统，包括发 动机悬置的基础理论研究、结构设计、仿真分析和试验研究。主要研究内容如下： 基于动力总成半主动控制式悬置理想动态特性的要求，参照普通液压悬置 的结构模型，从总体尺寸、结构合理性和可靠性等方面，提出了两种动力总成磁 流变液半主动悬置的结构设计模型，研究有关参数的确定方法；同时考虑材料对 悬置性能的影响以正确选择悬置各部分材料。 针对新型的动力总成磁流变液半主动悬置的磁路结构，利用a n s y s 电磁 场模块对悬置结构内部磁场进行了有限元分析。分析了不同结构的磁流变液悬置 的磁场分布，研究了不同电流激励下的相应响应。通过有限元分析磁场分布，结 合电磁场理论知识的理论验证，从而为后续悬置的结构设计提供了有效的依据。 采用键合图理论完成了动力总成磁流变液悬置集总参数的力学模型和键 合图状态方程数学模型的建立，并推导出相应参数化的动特性公式，利用m a t l a b 语言工具对磁流变液悬置动态特性进行了性能模拟，并进行了多结构参数的仿真 研究。 对动力总成磁流变液半主动液压悬置进行了多结构参数的m t s 台架试验 研究：研究变激励振幅、变结构试验材料、变液体、变惯性通道对悬置动态性能 的影响，并与合作单位提供的普通液压悬置的动态特性做了对比分析。分析结果 表明：磁流变液悬置具有非线性，磁流变液的性能对悬置动态特性的影响举足轻 重；不同的激励振幅下表现出不同的动态特性，磁流变液悬置对低频大振幅的内 外源激励振动有更有效的衰减作用，同时对高频小振幅的振动有效缓解；惯性通 道参数的变化引起悬置动态性能指标峰值突变和峰值频率的改变，科学合理地匹 配惯性通道的结构参数使得悬置的动态性能更理想，更显著降低悬置系统的振动、 噪声以及力传递率。 关键词：磁流变技术，汽车动力总成，磁流变液半主动悬置，键合图理论，动态 性能 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h er i d ec o m f o r ta n ds a f e t yo fa u t o m o b i l ea r ep a i dm o r ec l o s ea t t e n t i o n ，a n di tc a n b ec o n c l u d e df r o mt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n t e r n a t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h e r e a l i t yo fi m p r o v i n gs p e e di nr o a dt r a f f i cc o n d i t i o n s a l la b o v ei sb e c a u s eo ft h e a u t o m o b i l ec o n s u m e rg o o d s d i s t i n g u i s h e de f f e c ti nm a i n t a i n i n gp e o p l el i v i n ga n d b o o s t i n gn a t i o n a le c o n o m y t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e ss o m ec o n t e n t sn e wm a g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i dm o u n t w i t hp o w e r - t r a i ns e m i a c t i v em o u n tr e s e a r c h i n gw h i c hc o m e sf r o mae n t e r p r i s ep r o je c t b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sw o r k so fc o u r s eo fd e v e l o p m e n to fp o w e r - t r a i n m o u n ta th o m ea n da b r o a d ，c l a s s i f i c a t i o n ，s t a t u sq u o ，e x i s t i n gp r o b l e m sa n ds c o p eo f a p p l i c a t i o no ft h en e wm a g n e t o - r h e o l o g i c a lm a t e r i a l ，t h eb a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h ， s t r u c t u r a l d e s i g n ，s i m u l a t i o n a n dt e s tr e s e a r c ha r ei n v e s t i g a t e do na u t o m o b i l e p o w e r - t r a i ns e m i - a c t i v em o u n te m p l o y i n gt h em a g n e t o - t h e o l o g i c a lf l u i dt os o l v es o m e l i m i m t i o n so fm o u n t t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 一f i r s t l y , b a s e do nt h ei d e a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fm rm o u n t ，a n dw i t h r e f e r e n c et os t r u c t u r a lm o d e lo fo r d i n a r yh y d r a u l i cm o u n t ，t w ok i n d so fm rm o u n t d e s i g nm o d e l s a r ep u tf o r w a r d ，w h i c hc o m ef r o mp r e c o n s i d e r a t i o no fo v e r a l l d i m e n s i o n ，s t r u c t u r er a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h em e t h o do fd e t e r m i n i n gt h er e l m i v e p a r a m e t e r si ss t u d i e d ，c o n s i d e r i n gm a t e r i a lo nt h em o u n tp e r f o r m a n c et od e t e r m i n et h e m a t e r i a ls e l e c t i o no ft h em o u n tp a r s s e c o n d l y , a i m i n g a tt h em a g n e t i cp a t hs t r u c t u r eo fan e wp o w e r - t r a i nm r s e m i a c t i v em o u n t ，t h ei n t e r i o rm a g n e t i cf i e l do fs t r u c t u r ei sc a r r i e do u tw i t ht h eh e l po f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sm o d u l eo fs o f t w a r ea n s y s t h em a i nw o r k sa r ea c h i e v e d ， w h i c hi n c l u d e dt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fm rm o u n to fd i f f e r e n ts t r u c t u r ea n d t h ec o r r e s p o n d i n gr e s p o n s eu n d e rd i f f e r e n tc u r r e n ti n c e n t i v e c o m b i n i n gt h et h e o r yo f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r yk n o w l e d g ev a l i d a t i o n ，t h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p r o v i d eap o t e n tr e f e r e n c ef o rs u b s e q u e n ts t r u c t u r a ld e s i g no f m o u n t t h i r d l y , t h el u m p e d - p a r a m e t e rm e c h a n i c a lm o d a la n dt h eb o n dg r a p h m a t h e m a t i c a l m o d e lo fp o w e r - t r a i nm rm o u n ta r ee s t a b l i s h e db yu s i n gb o n dg r a p ht h e o r y , a n d t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o nw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s i sd e r i v e d t h e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o nw o r ko fm r m o u n t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sc o m p l e t e db y u s i n gm a t l a bp r o g r a m m i n gt o o l ，a sw e l la st h es i m u l m i o ns t u d yo ft h es t r u c t u r a l i i m u l t i p a r a m e t e r s f i n a l l y , t h em t sb e n c ht e s ts t u d yo fm u l t i p a r a m e t e r so fp o w e r - t r a i nm r s e m i a c t i v em o u n ti sp r e s e n t e di n t h i sp a p e nt h ei n f l u e n c e so fi n c e n t i v ea m p l i t u d e ， e x p e r i m e n tm a t e r i a l s ，l i q u i d ，i n e r t i at r a c ko nt h em rm o u n ta r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ， a sw e l la st h ec o n t r a s ta n a l y s i so nd y n a m i cp e r f o r m a n c eb e t w e e nm rm o u n tw i t h o r d i n a r yh y d r a u l i cm o u n tp r o v i d e db yt h er e s e a r c hc o o p e r a t i o n t h es t u d yr e s u l t s i n d i c a t et h a t ：m rm o u n th a sn o n l i n e a rp e r f o r m a n c e a n dt h ep e r f o r m a n c eo fm r fi s i m p o r t a n tt ot h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm rm o u n t ；m rm o u n th a sd i f f e r e n td y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n ti n c e n t i v ea m p l i t u d e sc o n d i t i o n ，a n dm rm o u n ti nl o w f r e q u e n c ya n dl a r g ea m p l i t u d ec o n d i t i o ni sm o r ee f f e c t i v et oa t t e n u a t ev i b r a t i o nt h a n t h a ti nh i g hf r e q u e n c ya n ds m a l la m p l i t u d ec o n d i t i o n ；t h ec h a n g e so ft h ei n e r t i at r a c k p a r a m e t e r sc a u s et h ep e a km u t a t i o n sa n dp e a kf r e q u e n c yo ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c et o b ec h a n g e d t h ep r o p e ra d a p t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h ei n e r t i at r a c kc a nc o n d u c e t h em o r ei d e a l d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h u s t h e s y s t e mv i b r a t i o n ，n o i s e a n d t r a n s m i s s i b i l i t ya r ed e c r e a s e d k e y w o r d s ：m a g n e t o - r h e o l o g i c a lt e c h n o l o g y , a u t o m o b i l ep o w e r - t r a i n ，m r s e m i - a c t i v em o u n t ，b o n dg r a p ht h e o r y , d y n a m i cp e r f o r m a n c e i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的背景和意义 汽车动力总成是由发动机、离合器、变速箱等构成，汽车动力总成悬置是一 种连接动力总成和车架的弹性支撑部件，性能良好的动力悬置不仅可以减少因发 动机产生的振动向车架及车身的传递，而且还可以降低车厢体内噪声，提高了司 机驾驶安全性和乘坐舒适性。 随着现代社会科技的进步和汽车技术的日趋完善，消费者对与大家生活息息 相关的汽车安全和乘坐性能有了更高的要求，首当其冲的就是汽车整车的乘坐舒 适性和n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n ，h a r s h n e s s ) 性能【1 ，2 j 。而影响这两项性能的主要的 因素就是汽车振动。从整车系统来看，汽车振动的振源主要来自两方面。其一是 发动机本身工作时的振动激励，其实质就是一个内在激励振动源；其二是汽车行 驶过程中的路面激励，其实质是一个外部激励振动源。随着道路交通条件的改善 和汽车悬架系统性能的提高，路面随机激励振源的影响日趋下降。因此，最大限 度地减小发动机本身的振动激励尤为重要1 3 ，4 j 。 本文即是在此背景下展开的研究工作，研究的主要内容就是汽车动力总成磁 流变液半主动悬置的性能模拟并进行相关的试验研究工作。据笔者掌握的资料来 看，现阶段尚无动力总成磁流变液半主动悬置的成熟推广应用，因此本文的研究 工作有重要的理论指导价值和广泛的应用前景。 1 2 动力总成悬置综述 动力总成悬置是汽车振动系统的一个重要部分，其振动传递性能的好坏直接 影响着汽车乘坐舒适性和n v h 性能。选择合适的动力总成悬置可以降低汽车整车 的振动和噪声水平，提高乘坐舒适性，同时还使得动力总成工作安全可靠。 1 2 1 动力总成悬置的设计要求 动力总成悬置的设计要求指的就是其理想动态特性要求。从汽车的实际工况 来分析路面不平度随机激励和发动机内部激励对车身振动的影响，从而得到动力 总成悬置的理想动态特，n 1 1 5 , 6 1 ：悬置应具有较高的静刚度，以支撑动力总成重量和 输出转矩；悬置应具有低频大阻尼、高刚度的特性，以迅速衰减汽车发动机在起 动、制动、换挡以及急加速、减速等不同工况下因输出转矩急剧波动而引起的大 幅振动；悬置在路面随机激励( 7 1 2 h z ) 范围内应具有大阻尼高刚度，以迅速衰 减因路面不平度激励和轮胎不均匀滚动引起的动力总成低频大振幅振动；悬置在 怠速( 2 5 2 8 h z ) 频率范围内应具有较低动刚度，以衰减发动机剧烈的怠速振动； 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 悬置还应具有高频( 5 0 h z 以上) 小阻尼、低刚度的特性，以降低振动传递率，提 高降噪效果，防止动态硬化现象。显然，动力总成悬置的理想动态特性要求十分 复杂，而且动刚度和阻尼必须同时具有频变特性和幅变特性7 1 。 鞭奉 8 ) 阻尼频率瞎线 惶棼誓t ( h ) 殂熙- m 值曲线 毫 c ) 动鞫4 度域率曲线 ( d ) 幼嘲瘦- 蟊值曲线 ( e ) 载荷一交 錾曲线 理想的拳踅特性传统橡胶悬置特性 一 图1 1 动力总成悬置的理想动态特性 f i g 1 1i d e a ld ) r 1 1 a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e r - t r a i nm o u n t 1 2 2 动力总成悬置的发展历程及现状 发展历程 动力总成悬置按照控制方式主要分为被动式液压悬置、半主动式液压悬置和 主动式液压悬置三种类型。被动式液压悬置发展历史漫长，其是在内外源激励下 被动地应用流体的阻尼特性来实现改变悬置的动态特性；半主动式液压悬置是在 得到激励讯号后，通过控制调节液压悬置的液体介质参数和结构参数改变系统的 动态特性；主动式液压悬置是利用控制单元将外部输入的振动信号转换，通过力 或位移作动器输出与外部振动等幅同频且反相的振动，以实现最佳减振降噪效果。 在汽车发展早期，动力总成是直接用螺栓刚性地与车架连接的，发动机的内 部振动激励直接传递至车架上，路面不平度随机激励也通过车架直接将振动传递 给动力总成。这样既严重影响了汽车的乘坐舒适性，同时也造成了动力总成零部 件的损坏。 1 9 3 0 年，美国洛德( l o r d ) 公司首先将橡胶悬置成功应用在汽车上，此后橡 胶悬置由于具有结构紧凑、价格低廉、便于维护和使用寿命长等特性得以广泛应 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 用哺j 。橡胶悬置很好地隔离了动力总成和车体之间的振动传递。随着各种合成橡胶 的出现和橡胶硫化技术的突破，逐渐出现了不同结构的橡胶元件，并一直沿用至 瓜 1o 二十世纪四十年代，美国人r i c h e r r h a r d i n g 和s t r a c h o u s k y 1 3 】共同提出了将液 压减振机构和橡胶合为一体的构想，并在美国申请了专利。但因其机构复杂，安 装不方便等因素，并未得到实际的推广应用。1 9 6 2 年，美国通用( g m ) 公司的 r e r a s m u s s a n d 【7 j 等人完善了这一思想，提出了液压悬置的概念，研制了世界上第 一个液压悬置模型，并申请了液压悬置专利。之后的二十年里，液压悬置的推广 使用空前活跃，相关研究和设计工作迅速展开，相关的设计专利也在欧美地区相 继出现。 1 9 7 9 年，德国奥迪( a u d i ) 汽车公司基于奥迪五缸o t t o 发动机平衡性能不好 的问题，率先采用了液压悬置隔振。试验结果表明，液压悬置明显改善了乘坐舒 适性，大大降低了车身的振动。奥迪汽车公司随后又相继开发出了可应用于五缸 和六缸发动机动力总成悬置的a u d i b o g e 、f r e u d e n b e r g 、a u d ii i 悬置类型，标志着 动力总成液压悬置应用的开始【l5 l 。 1 9 8 1 年，德国保时捷( p o r s c h e ) 公司生产的9 9 4 型轿车使用了动力总成液 压悬置，试验结果显示，在6 h z 附近，损耗角( 即滞后角) 高达2 8 d e g ，其隔振性 能显著优于普通橡胶悬置。 1 9 8 3 年，日本三菱汽车( m i t s u b i s h im o t o r s ) 公司在豪华版g a l a n t 轿车 上安装了节流阀开度可调的电控液压悬置，这是最早的半主动控制式液压悬置。 实际应用也表明其振动和噪声都得到了明显的改善。 1 9 8 4 年，原西德科德宝( f r e u d e n b e r g m e g u l a s t i c ) 公司和e s c a n 公司在f r 式 六缸发动机上安装了解耦膜式液压悬置，使得车内噪声降低了3 - 5 d b 。同年，日 本也开发了一种液柱共振式液压悬置，这种新型悬置既能降低发动机振动又能降 低噪声，同时对频率为1 0 h z 的振动衰减率达到0 5 ，i o o h z 附近动静刚度比为2 ， 减振降噪效果显著。 1 9 8 7 年，美国a v o n 公司研制开发了一种借助控制气体弹簧气压来调整动特性 的液压悬置，同时，该公司在r w h e r r i c h 实验室开始研制主动式液压悬置。这标 志着液压悬置开始由被动式转向了半主动控制式、主动控制式方向发展。 1 9 8 8 年，在法兰克福展览会上德国科德宝( f r e u d e n b e r g ) 公司展出了可根据 不同路况实时调节最优阻尼的半主动液压悬置，印度m e t z e l e r 公司开发研制成功 的电流变液液压悬置是世界的首例。同年，f r e u d e n b e r g 公司在f w d 式四缸发动 机上安装应用了主动控制式液压悬置，较被动式液压悬置效果更理想。不久， b r i d g e s t o n e 公司研制出使用新型的智能材料电流变液体作为介质的半主动液压悬 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 置，悬置的动特性等得到了很好的改善，车身的振动与噪声问题也得到了缓解和 改善。至此，半主动式液压悬置和主动式液压悬置在实用方面取得了突破性进展。 1 9 9 3 年，日本普利司通( b r i d g e s t o n e ) 公司又成功研制了以压电晶体元件为 执行器的主动控制式液压悬置，并配套设计了自适应控制算法进行振动主动式控 制。车载试验显示，该型悬置可以降低车身的二阶主谐次振动约2 0 d b 。 1 9 9 5 年，美国德尔福( 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( t o y o t a ) 公司也研制并成功应用的压电晶 体主动控制式液压悬置，以压电晶体作为执行器，在发动机怠速6 0 0 9 0 0 r m i n 范 围内，车身振动垂直加速度降低2 0 d b 。德国p a u l s t r a 公司的a n d r eg e n n e s s a u x 成 功研制了电磁主动控制式液压悬置，以电磁阀带动液压活塞作为执行器。试验结 果显示，该型悬置在发动机宽频1 5 0 0 4 5 0 0 u m i n 范围内，使车体的二阶主谐次振 动降低了1 0 2 0 d b 。 1 9 9 8 年，日本丰田( t o y o t a ) 汽车公司首次在凌志l e x u sr x 3 0 0 轿车上批 量使用主动控制式发动机悬置。此后，随着磁流变技术的发展，利用具有随磁场 变化特性的磁流变液体作为工作介质的新型发动机悬置也有了进一步的发展。美 国l o r d 公司对电流变、磁流变发动机悬置进行了研究p 12 l 。 2 0 0 9 年，d e l p h i 公司成功研发推出一款突破性动力总成悬置系绀4 ，该悬置 属于新型磁流变液动力总成半主动液压悬置。采用可实时调节动刚度的磁流变 ( m r ) 液体，在整个相关频率范围内保持对动力总成的控制，从而避免共振堆积 问题的出现。该悬置系统彳 仅可以显著降低动力总成噪音和振动，还能够提高车 辆乘坐性能和稳定性，成功解决因瞬间扭矩改变造成的低频、高振幅等问题。目 前该悬置系统首次应用于p o r s c h e 新款g t 3 发动机悬置系统，帮助提高该款车型 的牵引力及稳定性。 自上世纪9 0 年代以来，国内的浙江大学、吉林大学、江苏大学、上海交通大 学、南京航天航空大学、重庆大学、合肥工业大学、北京理工大学等高等院校也 在材料制作、流变机理以及工程应用方面开展了研究工作，并根据发动机振动特 性，设计出了电流变液液压悬置，对其进行了建模与仿真分析工作。同时对新兴 的磁流变液也开展了基础研究。总体看来，我国目前在磁流变液的研制与性能研 究方面仍与国外有一定差距，悬置方面的应用产品尚处在研究开发阶段。 被动式动力总成悬置 被动式动力总成液压悬置发展历史悠久，典型的结构基本上可以分为四大类， 即节流孔型、惯性通道型、解耦器型和特殊型动力总成悬置。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 ) 节流孔型动力总成悬置 图1 2 节流孔型液压悬置 f i g 1 2t h r o t t l i n gh y d r a u l i cm o u n t 节流孔型动力总成悬置是出现最早的液压悬置，典型的结构形式如图1 2 所示 1 6 , 1 7 o 这类悬置主要是通过节流孔的阻尼作用而实现减振。不足之处是节流孔产生 的阻尼相对较小。低频阶段，在外部激励的作用下，悬置内部液体在上、下液室 之间交换流动，由于节流孔的结构尺寸有限，阻尼也很小：高频阶段，激励频率 的增高使得液体流经节流孔的阻尼变大，甚至超过橡胶主簧的塑性回复力，从而 出现动态硬化，引起悬置动刚度迅速升高。因悬置高频阶段动刚度值高，因此高 频减振降噪效果不理想。 2 ) 惯性通道型动力总成悬置 其典型的结构形式如图1 3 所示【17 1 。惯性通道型液压悬置是通过环形的惯性通 图1 3 惯性通道型动力总成悬置 f i g 1 3i n e r t i a lc h a n n e lp o w e r - t r a i nm o u n t 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 道连接上、下两液室，液体在外部激励的作用下在较长的环形节流通道里流动， 通道的环形使液体形成了振动液注。液注在一定的频率范围内会产生惯性阻力， 该阻力的方向与主动力方向相反，因此惯性通道型的液压悬置比节流孔型的液压 悬置更符合阻尼要求，效果较好。这种悬置的优点是结构紧凑、低频阶段大阻尼 大刚度，不足之处就是仍然存在动态硬化，高频阶段动刚度较大，振动效果欠佳。 3 ) 解耦器型动力总成悬置 解耦器型液压悬置根据结构的不同分为解耦膜型和解耦盘型，如图1 4 所示 u 7 , 1 8 】。解耦器型液压悬置是在惯性通道型液压悬置的基础上增加解耦器演变而来。 该型液压悬置通过解耦盘的上、下振动或者解耦膜的弹性变形吸收振动能量，减 小振动，从而解决了悬置在高频小振幅振动下的动态硬化问题。这类液压悬置的 优点是它不仅保留了惯性通道的低频大刚度大阻尼的特性，而且解决了高频的动 态硬化，减振降噪效果较好。 限使挡板 曩性通道 橡胶腔 橡胶底睃 a 解耦盘型 b 解耦膜型 图1 4 解耦器型动力总成悬置 f i g 1 4d e e o u p l i n gp o w e r - t r a i nm o u n t 4 ) 特殊型动力总成悬置 图1 5 所示为腰形通道式液压 悬置 1 9 ，其橡胶主簧的腰形通道设 计是结构的新颖之处。在高频小振 幅激励下，液体很难通过惯性通道， 但可以在腰形通道内流动，避免了 高频小振幅激励下的动态硬化。低 频大振幅的激励下，液体同时在腰 形通道和惯性通道之间流动，产生 较大动刚度和阻尼。 6 l 腰形通道2 惯性通道3 下驻4 上腔 图1 5 腰形通道式液压悬置 f i g 1 5w a i s ts h a p e dh y d r a u l i cm o u n t 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 6 是多液室型液压悬置【2 0 1 ， 悬置有三液室。其中a 为工作室，b 、 c 为膨胀室，工作室a 经惯性通道1 、 2 分别与膨胀室b 、c 相连通。因为 两通道的尺寸参数( 长度、截面积) 不同，通道内的液注也就具有了不同 的共振频率，因此该型动力总成悬置 在较宽的频带范围内取得了较大理 想阻尼，动态特性效果明显。 半主动式动力总成悬置 半主动式动力总成悬置通过控 制调节液压悬置的液体介质参数和 结构参数改变刚度和阻尼参数，继 而改变系统的动态响应。 图1 7 所示为电流变液压悬置 怛1 i 。电流变液体是一种悬浮在电介 质溶液中高度极化的物质，可随电 场强度高速变化而调整电流变液体 的粘特性。该型液压悬置需要控制 电流变液体的电压虽高，但实际通 过电流很小，功率消耗也较低，因 此适合用作半主动液压悬置的介质。 电流变半主动动力总成悬置的结构形 式与普通的液压悬置大致相同，只是 在普通液压悬置基础上增加了可以提 供电流的电极板。随着施加电场强度 的变化，电流变液体的粘度也随之变 化，产生的阻尼力也就变成了由施加 的电压来控制的可控力。试验表明， 电流变半主动液压悬置可明显改进普 通液压悬置的动态特性问题。 图1 8 所示为磁流变液压悬置 2 2 】。 1 、2 惯性通道 a 工作室 b 、c 膨胀室 图1 6 多液室型液压悬置 f i g 1 6m u l t i l i q u i dv e n t r i c u l a rh y d r a u l i cm o u n t 图1 7 电流变液半主动动力总成悬置 f i g 1 7s e m i - a c t i v ee l e c t r o - r h e o l o g i c a lf l u i d p o w e r - t r a i nm o u n t 图1 8 磁流变液半主动动力总成悬置 f i g 1 8s e m i - a c t i v em a g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i d p o w e r - t r a i nm o u n t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 该装置引入了新型磁流变液体材料，它可以在外作用磁场的作用下改变本身的粘 特性，从而改变悬置的动刚度和阻尼。外用电压作用励磁线圈产生磁场，磁流变 液体的磁性介质颗粒受磁场作用改变组织结构，使得通过惯性通道和节流孔的液 体流动性改变，动刚度和阻尼得以实时调节。试验表明，磁流变半主动液压悬置 也明显地改善了悬置系统的动特性和车辆的乘坐舒适性。 主动式动力总成悬置 典型的主动式动力总成悬置包括被动式悬置( 橡胶主簧等) 、力作动器、结构 振动传感器以及电控装置。被动式悬置主要是在低频力作动器不起作用时发挥减 振作用的；力作动器用来提供大小合适且反应灵敏的动态力；传感器可以是力传 感器，或者加速度传感器，用来将控制信号传输到控制装置；电控装置控制力作 动器产生力的幅值和相位。该型液压悬置利用控制单元将外部输入的振动信号转 换，借助力作动器输出与外部振动等幅、共频、反向的振动，从而实现最佳减振 控制效果。 图1 9 为主动式动力总成悬置【2 3 | 。 其中弹性橡胶弹簧主要起支撑发动机 的静态重量的作用，初始位移使得液 体经长通道进入补偿室。低频激励下， 液体来回流动于补偿室和工作室之间， 形成涡流，从而把振动能量转化为热 能，实现减振降噪。高频激励下，流 动在长通道内的液注惯性升高，长通 道流动机制丧失，液体不能通过它流 动于工作室和补偿室之间，此时力作 动器产生输出大小合理的作用力，以 减小发动机悬置系统振动和噪声。 几种动力总成悬置的比较 图1 9 丰动式动力总成悬置 f i g 1 9a c t i v ep o w e r - t r a i nm o u n t 簧 被动式动力总成悬置虽然具有结 构简单、成本低廉、安装方便等优点，但它是靠牺牲高频时动态性能来换取低频 阶段的减振降噪效果的，代价太高。另外由于其存在结构固定，液体的阻尼特性 不可调等缺陷，导致其动态特性不能随发动机的转速和实际工况作出相应的调整， 局限性较大。目前该型悬置主要应用在较低端价位的车型上。 半主动动力总成悬置的优点在于其阻尼的大幅可调，从而实现最佳减振降噪 的目的。目前，半主动动力总成悬置的研究工作主要是电流变液压悬置和磁流变 液压悬置，使用新型电流变或磁流变材料，通过改变外加电场或磁场的强度来改 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 变悬置内部液体的粘特性，进一步改变液压悬置的动刚度和滞后角等特性指标。 主动式动力总成悬置利用动力减振技术，理论上可以使悬置系统的振动响应 为零，而且相应速度快，隔振性能优于被动式动力总成悬置和半主动动力总成悬 置。但目前主动式液压悬置仍存在一些问题，如动力源、控制单元、传感器、力 作动器要求高，价格偏高，功率消耗较大，系统相对较复杂等。目前鲜有成功开 发应用的先例。 综合比较上述的几种动力总成悬置类型，半主动动力总成悬置凭借系统简单、 控制理论成熟、易于操作和实现、阻尼的大幅可调等优势，具有着未来占据主流 市场的潜能，市场前景和实用价值较可观。国内外的相关研究表明，半主动液压 悬置使用效果甚理想。 1 2 3 存在的主要问题 目前，在动力总成液压悬置领域仍存在的主要问题如下： 被动式动力总成悬置虽然具有结构简单、成本低廉、操作方便、易 于实现等优势，但其靠牺牲其他频率段的动特性来实现良好的低频动特性是不可 取的。而且其存在的结构固定、液体的阻尼不可调、高频时动态硬化等问题，限 制了此类型悬置的使用场合和前景。 半主动式动力总成悬置虽然兼顾了被动式和主动式动力总成悬置的 优势，但新型材料磁流变的性能、作用机理及匹配问题尚不甚明确，悬置系统的 非线性在时域上描述液压悬置的基本动态特性还没有明确的理论表达式。此类型 悬置的许多参数一般是经大量的试验得到，这些参数也就随着悬置结构参数的变 化而变化，因此难以确定液压悬置的液力参数。 主动式动力总成悬置系统结构复杂，控制理论相对较欠缺，而且成 本代价高，主动式液压悬置在车辆动力总成上的真正应用方面的研究工作还需较 长的时间和实践。 1 3 磁流变技术的发展 磁流变技术的物质基础就是磁流变液体。磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ) 是一种可控液体，简称m r f 。1 9 4 8 年，美国国家标准局的r a b i n o w j 2 4 最早发明 了磁流变液，但当时由于电流变液的应用研究空前地热火朝天，更持久、广泛和 深入，以致对于磁流变液的应用研究一直处于搁浅状态。直到1 9 9 1 年第3 届国际 电流变液学术研讨会唯一一篇论述磁流变液的文章，使得一些研究机构和大学才 开始重新关注这项应用研究。自1 9 9 5 年以来，国外各种会议、期刊及专利公报上 有关磁流变液的文献相继出现并增多，1 9 9 6 年美国应用物理大百科全书【l3 j 将 磁流变液作为一种受磁场作用的新型磁流变材料收纳成条。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 1 磁流变液的流变机理【2 5 。2 7 】 图1 1 0 ( a ) 零磁场下随机分布( b ) 强磁场下成链束状 f i g 1 1 0 ( a ) r a n d o md i s t r i b u t i o ni nz e r om a g n e t i c & l d ( b ) c h a i n si nh i l g hm a g n e t i cf i e l d 中国科技大学和复旦大学对磁流变液的流变机理进行了研究，但试验表明， 磁流变液的流变机理还没有被学者完全明确、完全认可的合理解释。从实验室显 微镜下的观察结果显示如图1 1 0 所示： 在零磁场作用下，磁流变液的颗粒呈现随机分布，具有良好的流动性；在强 磁场作用下，磁流变液的颗粒分布却又是很有规则的，且沿场强方向成链束状排 列，其内部颗粒的重新排列改变了液体的流动状态，即限制了液体的流动，并可 以在毫秒级内实现从一个自由流动、线粘性的牛顿流体转变成具有一定剪切屈服 强度、高粘度、低流动型的b i n g h a m 流体。鉴于磁流变液的连续、无级、可逆、 响应迅速的特点，国内外学者和工业界的工程师们掀起了对磁流变液及其应用器 件的研究热潮。 1 3 2 磁流变技术在工程上的应用 目前磁流变技术的发展多表现为磁流变液器件在工程上的广泛应用，其中涵 盖了机器人领域、汽车行业、航空航天领域、机械制造领域、建筑结构领域等。 磁流变液器件的广泛应用得益于其体积小，对杂质影响不敏感的特殊性能以及磁 表1 1 磁流变技术的应用及特点 t a b l e1 1a p p l i c a t i o na n dc h a r a c t e f i s t i c so f m a g n e t o - t h e o l o g i c a lt e c h n o l o g y 领域位置特点 机器人领域活动关节体积小、响应快、动作灵活 汽车行业悬置、悬架、离合器、制动器改善乘坐舒适性、安全性 机械制造行业车床定位加紧、研磨( 抛光) 工艺加工精度高 土木工程领域建筑、桥梁的阻尼器能耗低、回复力大、鲁棒性好 航空航天领域飞机的螺旋桨显著减振、降噪 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 流变液体较大的剪切屈服应力，因此国内外权威学者预测，磁流变技术将在上述 领域发挥出色的作用。 磁流变液器件的成功代表就是磁流变液减振器，这是国内外最广泛的一项应 用。磁流变技术应用具体如上表1 1 2 8 1 。 1 4 本文的研究目的及主要内容 本课题来自安徽亚新科噪声与振动技术有限公司，目的是研制一种新型的动 力总成磁流变液半主动液压悬置，从而有效地改善发动机悬置系统的振动和噪声 问题。 本文主要讨论动力总成磁流变液半主动悬置的结构问题和材料的选择问题， 着重分析悬置内部的磁场分布和模型的台架试验数据，具体研究内容如下： 在查阅文献的基础上，分析国内外动力总成悬置的研究现状，介绍动力总 成悬置的发展历程以及磁流变技术在工程上的应用。 讨论动力总成悬置的结构设计，以某型汽车发动机型号为基础，根据半主 动控制液压悬置刚度和阻尼的理想动态特性的要求，从总体尺寸、结构合理性和 可靠性等方面对液压悬置进行结构设计，研究有关参数的确定方法；同时考虑材 料对悬置性能的影响以正确选择悬置各部分材料。 一 在确定结构形状的基础上，结合电磁场数值分析的理论依据，重点研究 悬置内部的磁场分布情况，分析研究了相关参数的影响，并进行了理论验证的工 作。 采用键合图理论建立动力总成磁流变液悬置数学模型，推导出相应参数化 动特性公式，利用m a t l a b 语言工具对磁流变液悬置动特性进行性能模拟，分析 各参数的影响等。 介绍动力总成磁流变液悬置的动特性台架试验的相关情况，并对收集的试 验数据整理和试验结果的分析。 重庆大学硕士学位论文2 动力总成磁流变液悬置结构设计及分析 2 动力总成磁流变液悬置结构设计及分析 2 1 磁流变液液压悬置工作原理与结构 2 1 1 磁流变液液压悬置工作原理 3 9 ，4 1 4 6 磁流变液半主动液压悬置是在普通被动式液压悬置的基础上改进研制的，其 工作原理的特殊性就是采用新型m r f ( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ) 智能材料作为 悬置的基础工作介质，在磁场作用下改变m r 液体的流动状态，从而使悬置的动 态特性发生改变。该型悬置的惯性通道处安置有一均匀缠绕铜线线圈的线圈座， 悬置外部的车载电源为励磁线圈供电，通电线圈产生的磁场作用在惯性通道内的 磁流变液体上，以改变磁流变液体的流动特性( 粘度) 。通过励磁线圈的电流强度 不同，获得的磁场作用强度也就不同，磁流变液体在周围磁场的作用下，其内部 的磁性介质微粒的磁化运动方向大致与磁感线方向平行，磁化运动使得磁性介质 微粒形成首尾相连的链束状结构和较复杂的网状结构，以致极大地改变了磁流变 液的流变特性，从而实现悬置的动刚度和阻尼匹配合理、方便可调的目的，具有 理想的动态特性，大大提高了在不同频率激振下悬置的减振降噪效果