硕士论文-汽车动力总成液压悬置隔振降噪特性研究.pdf

j 娄U 1 D C 汁 幽拉。垃3 查盈I 出也B 蛾趔垮 J I A N G S U U N l Y E R S I T Y 甫掘：望丑 蚰。，：止础蝴 硕士学位论_ 爻 M A S T E R SD l S S E R T A T l O N 圃 沦文题u ：一杰4 勘盖芘鑫禽显一 一庵起硅蛭蠼丝宝 学科专业：一蔓虹王擅 一一 作者姓名：王垂当 一一 指导教师：垦玉。壹 答辩l j l O t ：一一巡蛐且且且一一 江苏大学硕士学位论文 摘要 车辆的内部噪声一直是影响乘坐舒适性的关键问题，其中又以低频噪声为 甚。低频噪声的来源主要是由发动机振动，悬架系统振动所引起的车身板件振动 产生的辐射噪声。液压悬置是汽车车架或车身与发动机间的主要隔振元件，其特 性决定了发动机和车架之间能量传递，从而影响到由发动机振动所引起的车内噪 声。 本文以某汽车为研究对象。首先，在液压悬置动力学模型研究的基础上，建 立了基于A D A M s ，E N G I N E 平台的动力学仿真模型，进行了发动机怠速工况和额 定工况下发动机的振动向车架或车身传递仿真计算，并与试验的结果进行了对比 分析。验证了仿真模型的正确性。其次，运用有限元软件A N S Y S ，建立了某汽 车车身动态特性分析模型，计算得到车身的模态及振型，其结果与实体车身模态 试验的结果相一致，以计算得到发动机传递到车架悬置位置的力为激振力，施加 到汽车车身动态分析模型，计算得到了发动机怠速和额定转速工况下车身的振动 响应。并将计算得到的振动响应作为边界条件，运用u S S Y s N O I S E 软件采用 边界元法计算车身表面的声压分布，在此基础上计算得到车内声场的声压值。最 后，从降低车内噪声出发，以悬置系统力的传递率最小为优化目标，进行了液压 悬置系统参数优化，改善了汽车车内噪声。 关键词：汽车，液压悬置，振动，噪声，仿真 江苏大学项士学位论文 A b s t r a c t T h ei n t e r i o rn o i s eo ft h ev e h i c l eh a sb e e nt h ek e yt oi m p r o v e r i d i n gq u a l i f i e s ，a n d l o wf r e q u e n c ya c o u s t i c si st h em o s ti m p o r t a n tt o i m p r o v et h ec a r b o r n ea c o u s t i c c o m f o r t a b i l i v y T h ep r i m a r ys o u r c eo ft h el o wf r e q u e n c ya c o u s t i c si st h er a d i a t i n g n o i s ep r o d u c e db yt h ev e h i c l es t r u c t u r a lv i b r a t i o n ，w h i c hi si n d u c e db yt h ev i b r a t i n g o ft h ee n g i n ea n dt h es u s p e n s i o ns y s t e m H y d r a u l i cm o u n ti st h ek e yc o m p o n e n tt o i s o l a t ev i b r a t i o nb e t w e e ne n g i n ea n dc h a s s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cm o u n t s y s t e md e t e r m i n et h ep o w e rt r a n s f e rb e t w e e nt h ee n g i n ea n dc h a s s i s I th a sb e e n p r o v e nt h a tu s i n gh y d r a u l i cm o u n tC a l ll o w e ri n t e r i o rn o i s ei n d u c e db ye n g i n e S v r i b r a t i o n T h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri so n eC a r F i r s t ，o nt h ef o u n d a t i o no fh y d r a u l i c m o u n t Sc h a r a c t e r i s t i c ，t h eM u l t i b o d ys i m u l a t i o nm o d e lo ft h eh y d r a u l i cm o u n ti s e s t a b l i s h e di nA D A M S E n g i n e A n dt h ef o r c et r a n s f e r r i n gf r o me n g i n et oc h a s s i si s c a l c u l a t e du n d e rt h ei d l ea n dg e n e r a lc o n d i t i o n T h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n m o d e li sv e r i f i e db yt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h et e s t A n d t h e n ，u s i n gA N S Y Sw h i c hi sap o w e r f u lF Es o t t w a r e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i sm o d e lo ft h eb o d yi se s t a b l i s h e d T h em o d ea n dv i b r a t i o nt y p ea r em a d eo u t t h r o u g hF E M T h em o d er e s u l ti si na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l to ft h em o d a lt e s to f t r u ev e h i c l eb o d y ，A c t i v es o u r c ei sp l a c e do nt h eb o d ys u s p e n s i o na n dt h eb o d y v i b r a t i o nr e s p o n s ei sc a l c u l a t e du n d e rt w oc o n d i t i o n sa b o v em e n t i o n e d U s i n gt h e r e s p o n s ea st h eb o u n d a r yc o n t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no nt h eC a rs u r f a c ea n dt h e nt h e p r e s s u r ei sc a l c u l a t e db yB E M A tl a s t t h ei n t e r i o rn o i s eo ft h e C a ri ss t r o n g l yr e d u c e d b yo p t i m i z i n gt h eh y d r a u l i cm o u n t K e y w o r d s ：v e h i c l e ，h y d r a u l i cm o u n t ，v i b r a t i o n ，n o i s e ，s i m u l a t e I l 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。本人授权巧苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 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 本学位论文属于，在 年我解密后适用本授权书。 不保密功 学位论文作者签名：过建乞 2 近年6 月妇 指导教师签名：1 长。吝 耐年6 月，J 日 独创性申明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容以外，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成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 龟缮易 弘巧年1 7 月f 归 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 车内噪声的概述及研究现状 车辆噪声广泛地影响着人们的各种活动，是影响面最广的环境污染之一。在 早期的车辆设计中，人们已经注意到车内噪声对乘坐舒适性的影响，但是由于测 试手段、计算机分析技术等方面的落后，未能对该问题进行深入的研究。随着人 们对环境意识的逐渐增强，人们对噪声水平的要求也越来越高。国外一些发达国 图1 1E C E 汽车加速噪声限值变化 图1 2 日本汽车加速噪声限值变化 家从二十世纪6 0 年 代起就对车辆的噪 声给予了足够的重 视，制定了很多的 法规和标准控制噪 声，并且每过三到 五年就修订一次法 规或标准。比较有 代表性的有：联合 国欧洲经济委员会 ( E C E ) 、欧洲经济 共同体( E E C ，现为 欧盟E U ) ，日本和美 国等地制定的法规 和标准。图1 1 和 图1 2 分别为E C E 和日本标准所规定 的汽车加速度噪声 限值修订情况，可以看出国外发达国家对车辆噪声水平要求是逐年提高的。我国 在1 9 7 9 年制定并公布了G B1 4 9 5 7 9 机动车辆允许噪声和G B1 4 9 6 7 9 机动 车辆噪声测量方法等几项关于车辆噪声的国家标准”1 1 2 。虽然我国对车辆噪声 江苏大学硕士学位论文 限值的要求相对国外来说还比较落后，但是也同时说明我国政府对车辆噪声问题 的关注。近年来，世界各国对车辆噪声限值的要求越来越严格，我国也制定了新 标准汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法( G B1 4 9 5 2 0 0 2 ) ，新标准的出台 促使各大汽车厂商对控制车辆噪声不断研究深 入。 车内噪声源很广泛，一般可分为两类：一 是发动机，传送系统，风扇，进、排气噪声和 车外的噪声通过车身板件的间隙、门窗间隙或 通风管道向车内传播噪声；二是由发动机振动， 悬架系统振动所引起的车身板件振动产生的辐 射噪声。前者为“空气声”，后者为“结构声”。 通常情况下，8 0 0 H z 以上的高频噪声中主要是 空气声，而5 0 0 H z 以下的中低频噪声主要是结 构声。众多的研究表明，车内噪声大部分能量 都集中在低频段【3 】。图1 3 为某国产轿车后座 噪声l 3 倍频谱，在4 0 0 H z 以下车内噪声比较 大，特别是在2 0 H z 2 0 0 H z 这个范围内，噪声 尤其大：但是在5 0 0 H z 以上，噪声基本上就很 小。这种状况的原因主要是因为，车身内壁表 面都安装有装饰材料和吸声材料，这些物品对 车内噪声的中高频部分有很好的吸收衰减作 用，但是对低频部分作用却不大。 图1 3 某国产轿车后座噪声l 3 倍频谱 低频范围的噪声对人体的不良影响也是很 明显的。特别是在2 0 H z 2 0 0 H z 这个范围内，人们对这段低频噪声的感觉就是“隆 隆”的沉闷的感，学术上称其为“轰鸣声( B o o m i n gN o i s e ) ”。人们会感到鼓膜 发胀、头晕、头痛、疲劳、失眠、呼吸困难等【3 】，这些现象都会使驾驶员和乘客 感到极度不适，特别是驾驶员若发生这些反映，则很有可能造成交通事故。因此 研究低频段的车内噪声更是有很大的现实意义。 车内噪声的控制技术一般可以分为两类：一为被动控制技术；二为主动控制 2 江苏大学硕士学位论文 技术【6 】【羽。车内噪声的被动控制也称为无源降噪，它主要用来降低车内的中、高 频噪声。被动降噪主要是针对噪声的传播途径来采取一些措施，如在车身内壁表 面安装吸声材料，在车身内表面安装阻尼减振材料，采用多层隔声结构对发动机 振动噪声等外部噪声源进行隔离，改善车身结构的密封性能，在发动机与车架的 连接处、车身与底盘各连接处安装隔振部件来降低振动向车身传递。车内噪声的 主动控制技术( A c t i v eN o i s eC o n t r o l ，简称为A N C ) 也叫做有源噪声控制，是 近2 0 年来发展起来的噪声控制技术。主动噪声控制技术有别于传统的被动噪声 控制技术，它是基于声波的干涉原理，利用人为附加的声源( 次级声源) 与噪声 源( 初级声源) 形成相消干涉来达到消声的目的，特别适用于被动控制技术难以 消除的低频噪声1 9 】。自从1 9 3 3 年，德国物理学家L u e g 提出有源消声概念和实现 思路以来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，直至1 9 9 1 年日本尼桑公 司在其新型B l u eB i r d 轿车上开始试装备噪声主动控制系统，成功降低车内噪声 5 6 d B 。由于其成本和技术的问题，要达到车内噪声整体控制的要求还未达到， 但是对于局部区域的降噪( 如驾驶员耳边降噪) 已成为可能嶂n “。 振动噪声的早期研究方法主要有：古典噪声传递分析；统计能量分析； 声弹性试验比较模型；模态分析【6 】 8 1 。随着电子技术和信息处理技术的发展， 模态分析越来越受到人们的关注，成为了一种可靠的分析方法。但是这些传统的 分析方法都受到一个条件的制约就是需要原型车的存在，而对原型车降噪的 改进是需要很多次的测试和修改车形才能达到预期目标。这种反复测试、分析和 计算的过程周期长、费用高，因此世界各大汽车厂商都追求在汽车图纸设计过程 中就能对车内噪声进行预测，这样就可以缩短产品研发的周期，并且还可以减少 研发的费用，使自己的产品更有竞争力。近年来，随着数值分析技术和计算机技 术的飞速发展，以前一些难以运用的理论也能在实际工作中得到运用。其中车身 边界与车内声场耦合振动研究的数值分析方法有了很大的发展，声固耦合振 动分析的方法主要有以下几种：F E M ( F i n i t eE l e m e n tM e t h o d ) ：B E M ( B o u n d a r yE l e m e n tM e t h o d ) ；B B A M ( B u i l d i n gB l o c kA p p r o a c hM e t h o d ) ； S M F M ( S y m m e t r i cM o d a lF o r m u l a t i o nM e t h o d ) ；O H S M ( H y b r i dS u b s t r u c t u r e M e t h o d ) ；G C M S M ( G e n e r a l i z e dC o m b i n a t o r i a lM o d a lS y n t h e s i sM e t h o d ) ； S G H S M ( S e v e r a lG r i dH y b r i dS u b s t r u c t u r eM e t h o d ) i s 州。特别是第一种有限元法 江苏大学硕士学位论文 ( F E M ) 的运用目前已经比较成熟，1 9 7 5 年，通用公司就是用有限元分析软件 N A S T R A N 成功预测出了车内噪声。比利时的L M S 公司开发的声学分析软件 S Y S N O I S E 是目前市场上公认领先的噪声分析软件，该软件结合了边界元法与有 限元法，以及两者之间的耦合分析，对于开放式、半开放式、封闭式的声场都能 适用，而且精度也较高。目前，已经被宝马、D a i m l e r C h r y s l e r 、福特、本田、通 用、雷诺、丰田及沃尔沃等公司用来开发更舒适的车型，而且其产品还被空客和 波音公司采用。但是，由于S Y S N O I S E 在前处理方面比较薄弱，采用S Y S N O I S E 对车内声场进行分析，同时要用A N S Y S 来做前处理。 发动机振动引起车身板件振动而产生的噪声属于结构声，大部分处在低频阶 段。同时由于世界上汽车车身轻量化的发展趋势，而发动机的重量却很难降低， 因此发动机振动对车身板件振动的贡献量不减反增。所以由发动机振动所引起的 车内噪声也是研究的一大方向。本课题的研究重点就在于研究由发动机振动引起 车身板件振动而产生的车内噪声。 11 2 液压悬置的对隔振降噪的研究现状 因为发动机本身的工作原理，其振动是无法避免的，所以要减少由发动机振 动所引起的车内噪声，只有在振动向车内传递的途径中对其减振，来达到减少对 车身振动激励的目的，从而降低车内噪声。图1 4 为发动机振动向车内传递的详 细途径。图中空心箭头的过程是可以进行隔振的( 隔振措施比较容易实现) ，而 实心箭头的过程是无法或难以进行隔振的。其中，发动机振动向车架的传递是主 要的隔振目标，这是因为此步骤是振动传递的第一个步骤，只有在此处将其隔离， 才是最直接的隔振手段，而且发动机车架的振动系统由于自由度比较少，也 比较容易分析和计算，从而可以更好的进行优化设计。因此，对于发动机与车架 连接处的唯一部件发动机悬置( 动力总成悬置) ，就成了主要的隔振元件以 及研究对象。 早期的汽车上，是没有发动机悬置这个部件的。发动机直接靠螺栓连接于车 架，由于发动机振动直接作用于车架，而当汽车在路况较差的路面上行驶时，车 架也将力反作用于发动机，这样常常造成曲轴箱和支架的损坏。后来汽车设计师 开始使用皮革衬垫来减振；但是当时人们的主要目的是防止曲轴箱的破坏，并不 4 江苏大学硕士学位论文 是以隔离发动机振动为主要目的。到了二十世纪2 0 年代，人们开始用橡胶垫来 降低发动机振动的能量。随着人们的需要，又将橡胶硫化到金属骨架上形成了各 种各样的橡胶悬置。橡胶悬置的特性决定了其刚度偏大、阻尼不足和高频动态硬 化的缺点，很难满足汽车动力总成在较宽频率范围内对悬置系统的隔振要求。但 是同时，当代汽车向小型、经济、轻量化和高舒适性发展，发动机多采用铝制平 衡性较差的四缸发动机，世界各大汽车厂商为了解决发动机的隔振降噪问题，便 开始致力于发展更为有效的隔振元件液压阻尼式橡胶悬置( 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 ) ，简称为液阻悬置或液压悬置( H y d r a u l i c a l l y D a m p e dM o u n t ，H D M ) 1 8 1 1 9 1 2 0 1 2 2 1 。液压悬置动特性优良：低频时，具有大阻 尼、高刚度特性，可以有效衰减汽车启动、制动、换档和急加速或减速时，因发 动机输出扭矩的波动引起的大幅振动；高频时( 相对于发动机) ，具有小阻尼、 低刚度特性，可在较宽频带内克服橡胶主弹簧的动态硬化效应，显著地扩大动力 总成的悬置系统的有效隔振频率范围，因此可以较好地隔离动力总成的高频振 动，降低汽车在高速行驶时的车内振动和车内噪声。 图1 4 发动机振动向车身传递的途径 从上世纪4 0 年代美国人提出将液压减振和橡胶悬置组成一体的思想至今， 液压悬置经历了不断发展和完善的过程。世界各大汽车厂商及零部件厂研制了多 种多样的液压悬置。虽然品种繁多，但是按照控制原理来分，可以分为三类： 被动式，半主动式，主动式。图1 5 为详细的分类情引2 4 】【1 9 1 18 1 。 江苏大学硕士学位论文 图1 , 5 液压悬置的分类 被动式液压悬置由于结构较简单，价格低廉，所以应用很广泛；半主动式液 压悬置可根据输入信号，利用低功率作动器，调整内部参数，变化其工作状态， 优化动态特性，实现最佳隔振降噪目的。这其中有利用电流变液体的液压悬置， 通过电流小，功率消耗低，可以在低频范围内明显改善液压悬置的隔振特性。但 是其缺点是：电流变作用相对较弱，无法用于大型设备；无电场时液体粘度太大， 阻力很大；随着温度升高，通过电流变液体的电流迅速增加，功率消耗上升，甚 至会引起安全问题。主动式液压悬置是利用控制单元将外部振动输入信号转换， 6 江苏大学硕士学位论文 并通过作动器输出与外部振动同频、等幅、反向振动，以实现最佳隔振降噪目的 的。主动式液压悬置的控制目标是：设计一个反馈控制系统，应用主动式液压悬 置后，可使发动机怠速运转时的车体振动最小。半主动式液压悬置和主动式液压 悬置由于成本较高，所以应用不是很广，但是作为性能更为优良的悬置，是以后 的发展方向；但是，对被动式液压悬置研究仍将继续，因为它是设计和研究半主 动式和主动式液压悬置的基础。 液压悬置被广泛应用于发动机的隔振降噪后，取得了不俗的效果。1 9 7 9 年 的德国大众公司首次将液压悬置应用于实车，实验证明，车辆的舒适性明显改善。 1 9 8 3 年，日本三菱公司在其豪华G a l a n t 轿车上应用了电控节流阀开度的液压悬 置( 半主动液压悬置的首次实际应用) ，结果表明其减振降噪效果良好。1 9 8 4 年， 日本开发了液柱共振式液压悬置，其对减振降噪效果较好。同年，德国 F r e u d e n 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 式六缸发动机上安装了解耦式液 压悬置，最多可降低车内噪声3 5 d B ( A ) 。1 9 8 5 年，美国通用汽车公司规定A 型和K 型车全部采用液压悬置，同时福特公司将液压悬置用于轻型货车，这些 说明液压悬置开始向普通车普及，同时也说明了普通车对车内舒适性要求的提 高。随后的几年中，人们的研究重点向主动式，半主动式液压悬置转移，美国、 德国的一些公司。如F r e u d e n b e r g 、A v o n 、M e t z e l e r 等，开发了多种主动式和半 主动式的液压悬置，并且在实际运用中取得了不错的效果【1 9 】【2 4 】。随着液压悬置 的不断发展，其应用范围也不断扩大，甚至已经在飞机上使用，来控制机身的振 动和噪声【2 7 】。国内在上世纪9 0 年代也开始致力于液压悬置的研究，特别是吉林 大学( 原吉林工业大学) ，他们对A u d i1 0 0 的动力总成悬置系统进行了试验研究， 在其液压悬置的基础上开发了多种液压悬置，并在国产轿车C A 7 2 2 0 上首次应用 了液柱共振式悬置，并且成功降低了车内噪声2 - 3 d B ( A ) 1 2 4 。国内的几家汽车 公司也已经在其产品上应用了液压悬置，如上海大众、通用、一汽大众、北京吉 普等。 要让液压悬置能够隔离发动机的振动并降低车内噪声，并不是件容易的事 情。上面所述的C A 7 2 2 0 在使用原A u d i1 0 0 的液压悬置后，隔振降噪效果不明 显，但是换了液柱共振式液压悬置后，车内噪声明显降低，这就说明了要让液压 悬置起到隔振降噪的效果，必须要研究其动特性，并且在此基础上对其参数进行 7 江苏大学硕士学位论文 优化，以达到最好的隔振降噪的效果，这就促进了对液压悬置建模的研究。1 9 8 5 年，美国L o r d 公司的W 融l a c eC F l o w e r 对橡胶悬置和几种简单的液压悬置建立 了分析模型，从理论上验证了液压悬置隔振降噪的能力【2 6 】：日本尼桑公司第一个 建立动力总成液压悬置的隔振分析系统，来研究悬置的隔振效果，虽然他们 的模型只有三个自由度，但还是比较好的对其作出了优化；1 9 9 4 年美国L O H I T S A 公司建立了六个自由度的动力总成液压悬置系统模型，对悬置元件作出了更 好的优化设计：德国F r e u d e n b e r g 公司基于所建立的六自由度动力总成悬置 系统隔振分析模型，计算分析了系统的固有振动特性和发动机启动、停车、碰撞 时动力总成_ 悬置系统的振动及冲击响应特性，并以发动机侧倾振动解耦和改 善车内N V H 为目标，优化了液压悬置系统的隔振特性。该公司的液压悬置的设 计开发体系代表了目前汽车动力总成悬置系统设计开发技术的领先水平【2 8 】。在国 内，吉林大学的王立公等人建立了十个自由度的动力总成液柱共振式液压悬 置力学模型，对液柱共振式液压悬置对轿车N V H 性能的影响，提供了理论依据： 湖北汽车工业学院的郑冬黎等人，针对不同理论建立的三种悬置模型进行了比 较，为更好的建模打下了基础【2 9 】【3 0 1 。 1 3 本课题的研究意义、目的及内容 随着我国人民生活水平的提高，对车辆的舒适性也与日俱增；同时，国家对 车辆噪声方面也不断的推出新的法规或标准来加以控制。因此，降低车内噪声成 了汽车厂商的一大工作重点。另外一方面，由于我国在车身设计方面能力还很低， 大多数车型还是以引进外国成熟的车型或在其车型上加以修改为主。车内的噪声 问题是个很复杂的问题，所以任何一处改动都可能造成车内噪声的激增，如原桑 塔纳2 0 0 0 就是如此，由于其车厢座处低频噪声过大，直接影响了其的销量，直 至改进后销量才开始上升。这是一个例子，也是一个教训。如果在车辆设计或修 改的过程中就能对其车内噪声进行预测或分析，从而能对车内的声场进行优化， 这无疑将大大减少以上情况的发生。其实国外汽车厂商早就在车型设计阶段，对 其车内声场进行预测或分析。但是，以往的预测是基于对原型车的试验测试，然 后再进行改进再测试，如此不断反复直至达到满意效果。这种方式最大的缺点在 于：对原型车的依赖，这无疑大大增加了研究费用以及时间。若能在图纸设计阶 江苏大学硕士学位论文 段，就能对车内声场进行预测，这无疑将节约相当多的费用和时间，随着高性能 计算机的发展，这已经成为可能。一直以来，发动机振动和路面的激励是车内低 频噪声的主要两个来源。由于现代汽车向轻量化发展，可是动力总成的质量却由 于技术的原因不能降低，因此动力总成对车内噪声的贡献越来越大。改善这种状 况的办法之一就是降低振动向车身传递，具体的方法有发动机的整体封装技术， 和采用先进的悬置系统来衰减发动机振动传递到车架上。所以，世界各大汽车公 司对这些方面的研究一直没有中断过。 本课题的研究目的就是研究动力总成液压悬置的隔振特性，并以减小车身的 振动和降低车内噪声为目标，并且在此基础上对液压悬置的参数进行优化，以求 达到最好的隔振降噪效果。现在国内外对此类研究大多数都是以试验研究为主， 本课题就是尽量利用计算机辅助模拟计算( C A E ) 的方法来研究车内噪声问题， 特别是由发动机振动引起的车内低频噪声，以达到在车辆图纸设计阶段，就能够 对其车内噪声进行预测。这样就可以大大缩短整车设计的周期，减少研发经费， 使该产品更具有竞争力。 本研究可以分为以下几部分： ( 1 ) 研究国内外大量的参考资料，了解对于本课题的研究现状，确定本课题的 发展方向。 ( 2 ) 在A D A M S 软件下建立发动机的多体动力学模型，利用A D A M S E N G I N E 模块下液压悬置的模型进行动力学分析，得出固定转速下车架所受到的激 振力。 ( 3 ) 在A N S Y S 软件中建立车身和车架整体的模型，在车架悬置的固定处加载 由A D A M S 计算出的激振力，由此计算出车身的受迫振动。 ( 4 ) 利用声学软件S Y S N O I S E 计算车内噪声，导入A N S Y S 中计算出的车身振 动的响应作为边界条件，计算出声场的响应。 ( 5 ) 修改液压悬置的参数，再次仿真，比较仿真结果。可以得出参数变化对车 内声场的影响，在此基础上进行液压悬置参数的优化。 ( 6 ) 通过实验对仿真结果做出验证，证明模型的正确性。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章动力总成液压悬置动力学特性的研究 液压悬置的结构有多种型式，而被动式液压悬置仍是目前应用最广泛的型 式，而且被动式液压悬置也是研究半主动式和主动式液压悬置的基础，所以本章 以被动式液压悬置为对象，建立动力学分析模型，并基于A D A M S 进行仿真分析， 研究液压悬置的动力学特性与其结构参数的关系。 2 1 液压悬置结构分析 图2 1 是一种带有惯性通道和解耦盘的被动式液压悬置的横截面，由橡胶主 簧、底膜、隔板等组成。橡胶主簧的主要作用是，承受动力总成的静、动载荷， 图2 1 典型液压悬置的结构 提供悬置的高频弹性，并 产生类似于活塞的泵吸 作用，能将液体压入下液 室或从其中吸出，其中橡 胶起弹性作用，金属结构 保证其工作稳定性，提供 固定连接机构，并可根据 需要改变刚度；底膜的刚 度较低，起密封作用，可 随下液室的压力的变化 而变形，类似于电容的能 量储存器，为悬置的液压减振机构发挥作用提供了可能；隔板主要是把橡胶悬置 和底膜之间的液室分为上液室和下液室f 2 5 1 【2 6 】。 图中孔口的平面把悬置分成两个液室( 上液室和下液室) 。上液室的一端界 限是橡胶主簧，另一端是孔口平面；下液室界限一端是底膜，另一端是孔口平面。 主簧有两个作用，第一个作用是承受在悬置上的静载荷和动载荷；第二个作用是 从惯性通道中抽取或压缩液体，起到一个泵吸作用。在抽取液体的过程中，主簧 将会轻微的膨胀，以至于下液室的液体不会被泵吸作用都抽取出来。这种膨胀效 果是随着上液室的体积变化率与压力变化率的比值而变化，定义为上液室的刚度 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章动力总成液压悬置动力学特性的研究 液压悬置的结构有多种型式，而被动式液压悬置仍是目前应用最广泛的型 式，面且被动式液压悬置也是研究半主动式和主动式液压悬置的基础，所以本章 以被动式液压悬置为对象，建立动力学分析模型，并基于A D A M S 进行仿真分析， 研究液压悬置的动力学特性与其结构参数的关系。 2 1 液压悬置结构分析 图2 ，1 是一种带有惯性通道和解耦盘的被动式液压悬置的横截面，由橡胶主 簧、底膜、隔板等组成。橡胶主簧的主要作用是，承受动力总成的静、动载荷， 上苌 一鞭兰势 学一1 手剑 席譬暖4 图21 典型液压悬置的结构 提供悬置的高频弹性，井 产生类似于活塞的泵吸 作用，能将液体压入下液 室或从其中吸出，其中橡 胶起弹性作用，金属结构 。 保证其工作稳定性提供 惯性通道 固定连接机构，并可根据 需要改变刚度；底膜的刚 度较低，起密封作用，可 随下液室的压力的变化 而变形，类似于电容的能 量储存器，为悬置的液压减振机构发挥作用提供了可能；隔板主要是把橡胶悬置 和底膜之间的液室分为上滚室和下液室 2 5 1 1 2 6 1 。 图中孔口的平面把悬置分成两个液室( 上液室和下液室) ! 上液室的一端界 限是橡胶主簧，另一端是孔口平面；下液室界限一端是底膜，另一端是孔口平面。 主簧有两个作用，第一个作用是承受在悬置上的静载荷和动载荷；第二个作用是 从惯性通道中抽取或压缩液体，起到一个泵吸作用。在抽取液体的过程中，主簧 将会轻微的膨胀，以至于下液室的液体不会被泵吸作用都抽取出来。这种膨胀效 果是随着上液室的体积变化率与压力变化率的比值而变化，定义为上液室的刚度 果是随着上液室的体积变化率与压力变化率的比值而变化，定义为上液室的刚度 江苏大学硕士学位论文 K ，巧= 二。底膜是一个柔韧的振动板，它可以作为液体在上下液室流动的 吖 简单储存器，其刚度为世。惯性通道是一个长度为L 横截面积A ，的节流通道， 在管道中所限制的液体的质量为r n = f d 三。当悬置受到振动激励时，在泵吸运动 下的液体在管中前后流动并且出入下液室，形成振动液柱。由于它有质量而且还 有象弹簧一样的上液室刚度足，和下液室刚度足。，这种液体质量的存在会产生振 荡器的效果。该管道称为惯性通道，因为它限制液体并且指导了液体的流向，并 且为在它内部的液体振荡提供一个惯性或质量，给上液室的泵吸运动起了个阻碍 作用，其功能类似于速度放大式的动态吸振器。解耦盘的作用是限制浮动的活塞。 对于通过悬置的大振幅输入，上液室的泵吸作用将会使解耦盘紧压在底膜上，液 体会全部流过惯性通道，从而产生大阻尼。对于小振幅的输入，上液室刚度所限 制的泵吸作用不会强迫使解耦器到底部位置。解耦盘随上下液室的振荡流做简单 的振动。所以当悬置在高频小振幅条件下出现动态硬化时，解耦器根据振动幅度 在液室间振动或产生变形，吸收振动能量，将液压减振部分解除耦合，从而可以 降低悬置的动刚度和振动传递率及高频振动引起的车内噪声【2 “。 2 2 动力总成悬置隔振特性要求 发动机的振源有两个，一个是着火压力脉冲，另一个是惯性力和惯性力矩。 着火压力脉冲是燃气在气缸内爆发产生的气压力脉冲，它产生绕曲轴轴线扭 矩。多缸机的合成扭矩以及与它等值反向的由发动机悬置件承受的翻倒力矩都是 曲轴转角的周期函数。着火脉冲频率由下式确定： 厂：三船 ( 2 1 ) f 式中：t 发动机的冲程数； n 发动机转速( 转，秒) ； Z 发动机气缸数。 对于不平衡惯性力和力矩，在设计发动机时通常采用适当气缸数、气缸排列、 适当布置曲轴和设置平衡块等方法来进行平衡。但是，要达到发动机完全平衡是 极其困难的，只有尽量可能达到外平衡，使惯性力和惯性力矩尽可能小。 江苏大学硕士学位论文 为了减少发动机振动向车身传递，在动力总成与车身连接中采用了悬置隔振 件。隔振件的有效性一般用力和位移的传递率来度量，即隔振系数。 力传递率：叩，= 而 急翥要翥鸶舞嚣器糯 位移传递率：仇= 面毒意赛要翟矗等嵩器募 隔振效率：E = ( 1 - r ) 4 1 0 0 若将发动机悬置、车身简化为图2 2 所示的振动系统，当用幅值为F o 的激 振力或力矩对固有频率为无的简化系统作正弦扫描激振，那么，当毒口1 时， J 。 传递率n 一1 ；当= 1 时，产生共振，传递率r l l ；毒 i 时，传递率r l 2 ) 外，还需要满足以下要求： | 。 ( 1 ) 顺从运动：顺从运动主要考虑的是汽车摆动造成的车架扭转，如果车架和 发动机之间没有运动顺从，车架就会给发动机过大的负荷。三点悬置的运 动顺从最好，合理设计的四点悬置，也可能顺从车架的扭转。 ( 2 ) 约束发动机过大的纵向窜动。 ( 3 )限制机体上的静弯矩( 飞轮、离合器外壳) ，该弯矩大小与悬置前后位置 相关。可在尾部使用附加悬置( 各方向上较软) 控制该弯矩。 ( 4 ) 抗扭矩。 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 合理的阻抗和隔绝动负荷。 2 3 液压悬置动力学分析模型的研到2 5 1 1 2 6 1 1 2 9 1 2 3 1 机械式液压悬置模型 图2 2 就是简化的惯性通道解耦盘式液压悬置的力学模型。该模型用机 械形式的元件及参数构成，对悬置的液体部分时，把本来用压力、体积、流量等 物理量描述的流体的作用等效为用力和速度来表达的机械元件，如液室的体积刚 度用液力弹簧代替，惯性通道内振荡液柱用质量与阻尼表示，并由一以不同面积 为臂长的杠杆与液室连接起来。 假设外界激励 图2 2 惯性通道一解耦盘式液压悬置的力学模型 F ( t ) 垂直作用在发动 机对此悬置的等效质 量M 上，悬置对车架的 作用力为辱( f ) 。该力 学模型用杠杆表示不 同面积下力的关系，它 将惯性通道部分的惯 性和阻尼效应放在杠 杆的一边，并用液力弹 簧K ，和K 。模拟在液压作用下上下液室橡胶元件围壁的膨胀和压缩效应。模型中 将橡胶主簧当作“质m M 。一弹簧磁一阻尼R 。”系统。上液室与下液室的体积 刚度定义为每单位体积变化的压力变化量，分别用K ，和世。表示，在模型中用线 性弹簧来表示。占为解耦盘与底座之间的自由空隙。参量A 。表示橡胶主簧之间 泵动液体时的等效活塞面积。惯性通道内有一个质量为m ，= 卢“，L 的振荡液柱， 其中P 为液体密度，爿与分别表示通道的横截面积和几何长度。液柱在通道内 1 3 江苏大学硕士学位论文 流动的沿程能量损失与局部能量损失可用阻尼器R 。表示。根据此力学模型，就可 以用解振动微分方程的方法，对每个自由度列力学方程。M 与M R 共有统一的位 移X 。( f ) ，m ，有一位移X ：( ) ，此结构简化为两自由度系统，并且由于上端输入幅 值的不同，悬置是否处于“解耦”状态，解耦间隙J 可分为占= O 及占 0 两种情 况。 ( 1 ) 当J = 0 时，解耦间隙关闭，分别对M 和m ，进行受力分析，如图2 3 所示 即可得到关于x ，( t ) ，X ：( t ) 的振动微分方程。 ( a ) 对M 的受力分析( b ) 对m i 的受力分析 图2 3 对M 和m 的受力分析图 珂寺，般J 贝量M 明口J 以得到r A ： ( 膳+ M 一) X 1 = F - K R X l - R R 贾- K , A ；( 置+ z z 砉) 上式经整理后为： ( M 十_ j 捣毫城织互城争+ K 凼= F 同样对m 的受力分析可E , z 一1 0 下式： 叫成一鸭颤即丢蝎瓴知A r - R , A 拽爿r ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 ) 当占 0 时，此时液体不流过惯性通道，仅有x 一个自由度，其振动微分 方程为： 1 4 江苏大学硕士学位论文 ( M + M R ) 置= F - K R z l 一R R 岩l K t A ；X 上式经整理后为： ( 4 + M R ) 碧l + R 月卫1 + ( 足R + 墨爿；) 。z 1 = F 由图2 2 可知： 暑= 墨+ ( K 。+ K ，犀) 义 所以，力的传递率为： ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 叩，：型：堡型草鱼墅k ( 2 8 ) 。 I F ll ( M + M R ) X j 十R R 墨+ ( K R + K 群) 蜀I 可以设置= A e 拍，将其代入上式可以得到： 旷斜- I 雨嚣罴I c z 吲 2 3 2 机械流体耦合悬置模型 图2 4 为采用机械流体理论 建立的悬置力学模型。该模型分为橡 胶主簧部分和流体部分，橡胶主簧同 样由刚度K R 、阻尼R R 及质量M R 描 述。流体部分包括上下液室，其体积 刚度为l ( 1 与K b ，假设每个液室有统 一的压力P ；与 ，横截面积A l 与A b ， 图2 4 机械一流体理论联合模型液室内流体位移X 3 与x 4 。连接两液 室的惯性通道，其横截面积为A 。，长 度为l ，通道内振荡液柱的质量为m i ，位移为x 2 ，R t ( N s m m ) 表示液柱在振动 过程中的沿程和局部损失( R I = A i 2 R ) 。 在建立数学模型时，对液体部分列体积及压力变化关系式，机械部分则用振 动微分方程来解。针对不同振幅输入。悬置是否处于解耦状态，分为大振幅( 6 = O ) 和小振幅( 8 ) O ) 两种情形。 ( 1 ) 对于第一种情形，利用流体力学的知识，由上面的模型可推出下列平衡方 江苏大学硕士学位论文 程式： 总的体积变化为零：y = 一A e x l + 4 X 3 + A b x 4 = 0 ( 2 1 0 ) 假定上液室的压力一致：只= ( 爿。而) 墨 ( 2 1 1 ) 假定下液室的压力一致：只= ( 4 x 4 ) 瓦 ( 2 1 2 ) 流入惯性通道的液体质量等于流入下液室的液体质量：A t x ：= A b x 。( 2 1 3 ) 对惯性通道内振荡液柱用牛顿第二定律：m ，王：+ R l j 2 = A 。( 只一只) ( 2 1 4 ) 对悬置用牛顿第二定律：( M + M R ) 量l + R R k l + K R X l + 鼻4 P = F ( 2 1 5 ) ( 2 ) 当6 ) 0 时，等式与上面的相同： ( 汀+ M R ) 薯= F K R x l R R i a K t 4 ；x l ( 2 1 6 ) 2 3 3 键合图理论模型 图2 5 为采用键合图理论建立的悬置力学模型，图2 6 为键合图理论模型。 图2 5 中，C 。与C b 表示各液室的体积柔量，定义为体积刚度的倒数。对流体的 描述，一般用压力P 与流量Q 来表示。图2 6 中，系统上端的输入定为流源S F 。 橡胶主簧用容性元件K R 和阻性元件R R 表示， 其质量包含于质量M 中。上、 下液室由容性元件C 。和C b 来模拟。惯性通道部分，来回运动的液柱表现出来 的流体惯性效应和管内流阻作用分别用惯性元件I 。与阻性元件R I 来模拟。解耦 部分则用容性元件C d 、惯性元件I d 与阻性元件分别表示其刚度变化、惯性效 应和流阻作用。下列方程组就是整理后的状态方程。 图2 5 键合图理论力学模型 芸融 。丘X 笸品一4 2 弧： 龟N 。” P i s 姝, 4 “ 江苏大学硕士学位论文 旌= F 一蹦一磁x 一鲁以 矿刊声吉如一古 睡斗+ 每 睡专P P d 气= 击巧一击一鲁B 。 如2 击巧一击圪一击一鲁嘞 ( 2 1 7 ) 通过比较各分析模型可以看出，机械式建模最为简便，能比较容易理解模型 的含义；对各部分的刚度、阻尼也比较好控制，从而能够进行液压悬置的优化设 计。在元件及其之间联系的描述上，键合图理论都更贴近于悬置原型，但是其模 型较为抽象，在软件仿真分析中难以实现，因此本章中将用机械式模型进行动力 学分析。 2 4A D A M S 软件的简介【3 1 】f 3 2 1 3 3 】 A D A M S ( A u t o m a t i c D y n a m i c A n a l y s i so f