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硕士论文 汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 摘要 汽车动力总成是汽车振动的主要激振源之一，对汽车的乘坐舒适性有很大的影响。 合理设计汽车动力总成悬置系统可以明显降低汽车的振动和噪声，改善汽车的乘坐舒适 性。 本，文基于隔振理论、优化设计理论和c a d c a e 一体化技术，运用三维软件u g 、 有限元分析软件a n s y s 、机械系统动力学分析软件a d a m s 和m a t l a b 软件对某轿 车动力总成悬置系统进行了建模、仿真分析和优化设计。论文首先分析了动力总成悬置 元件的特点和隔振原理，建立了动力总成坐标系及相关坐标系，进行了动力总成悬置系 统的初步设计；其次，利用a n s y s 软件，对悬置支架进行了模态分析，结果表明悬置 支架符合设计要求；再次，应用拉格朗日法建立了动力总成悬置系统的数学模型，运用 m a t l a b 的g u i d e 模块开发了动力总成悬置系统的固有频率计算专用程序，该程序能 够方便、准确、快速地计算系统的固有频率和固有振型；最后，以系统固有频率的合理 配置和系统的模态解耦为目标运用多目标优化的方法对动力总成悬置系统进行了优化 设计，并运用a d a m s 软件建立了动力总成的多体动力学模型，对优化后的动力总成悬 置系统进行了模态分析，分析结果表明，优化后的动力总成悬置系统满足了产品设计要 求，所选用的优化设计方法是可行的。 本文的研究成果和方法对汽车动力总成悬置系统的设计具有参考指导意义；同时， 对工程实际中类似的隔振系统的设计也有一定的参考价值 关键词：动力总成，悬置系统，优化设计，m a t l a b ，a d a m s a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ep o w e r t r a i ni st h em a i ns o u r c eo fv i b r a t i o ne x c i t a t i o no ft h ev e h i c l e ，w h i c h h a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h er i d ec o m f o r t t l l eo p t i m a lc a p a b i l i t yo fd e s i g n i n gam o u n ts y s t e m o fa u t o m o b i l ep o w e r t r a i nc a nr e d u c ev i b r a t i o no ft h ev e h i c l ea n dn o i s e ，i m p r o v et h ev e h i c l e r i d ec o m f o r t b a s e do nt h et h e o r yo fv i b r a t i o ni s o l a t i o n ，t h et h e o r yo fo p t i m i z ed e s i g na n dc a d c a e s y s t e mi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ，u s i n g3 ds o f t w a r eu g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，t h em e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r ea d a m sa n ds o f t w a r e m a t l a bt ob u i l tm o u n ts y s t e mm o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g n f i r s t ，t h e p a p e ra n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o u n tc o m p o n e n t sa n dt h ep r i n c i p l eo fv i b r a t i o n i s o l a t i o n ，b u i kt h ep o w e r t r a i nc o o r d i n a t ea n dt h er e l e v a n tc o o r d i n a t e ，p r e l i m i n a r yd e s i g n e d t h ep o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m ；s e c o n d ，b yu s i n ga n s y ss o f t w a r et oa n a l y s i st h em o d a lo f m o u n tb r a c k e t s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o u n tb r a c k e t s c o m p l yw i t ht h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ；t h i r d ，t h ea p p l i c a t i o no fl a g r a n g em e t h o dt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ep o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m ，a n dt h e nu s i n gm a t l a b g u i d em o d u l ed e v e l o p e d s p e c i a lp r o g r a mt oc a l c u l a t et h en a t u r a lf r e q u e n c i e so fm o u n ts y s t e m t h i sp r o g r a mc a nb e c o n v e n i e n t l y ，a c c u r a t e l ya n dq u i c k l yc o m p u t i n g n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dn a t u r a lv i b r a t i o no f t h ep o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m ；a tl a s t ，s e tt h en a t u r a lf r e q u e n c i e so fm o u n ts y s t e ma n dm o d a l d e c o u p l i n ga st a r g e tu s i n gm u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o dt oo p t i m i z et h ep o w e r t r a i n m o u n ts y s t e m a n dt h e ne s t a b l i s h e dt h ep o w e r t r a i nm u l t i b o d yd y n a m i c sm o d e li na d a m s s o f t w a r e ，a n da n a l y z e s dt h em o d a lo ft h em o u n ts y s t e m ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o p t i m i z a t i o no ft h ep o w e r t r a i nm o u n ts y s t e mt os a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fp r o d u c t s ， t h em e t h o do ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sf e a s i b l e t h er e s u l t sa n dm e t h o d so ft h es t u d ya r eh e l p f u lf o rt h ed e s i g no ft h ep o w e r t r a i nm o u n t s y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h e r ea l s oi sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ei ns i m i l a rd e s i g no fv i b r a t i o n i s o l a t i o ns y s t e mi nt h ee n g i n e e r i n g k e yw o r d ：p o w e r t r a i n ，m o u n ts y s t e m ，o p t i m u md e s i g n ，m a t l a b ，a d a m s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 叩伯咖 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：三啦 彳r n 沁7 年石月名日 硕士论文汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 1 绪论 1 1 研究背景 汽车作为一种产品有很多指标，如可靠性、动力性、燃油经济性、噪声与振动等等。 虽然安全性和可靠性等技术指标非常重要，但是随着人们对乘坐舒适性的要求越来越 高，汽车的噪声与振动也越来越备受关注，已经成为影响一部汽车品牌最重要的指标之 一。政府法规对汽车噪声与振动的要求越来越高，顾客购买汽车时，噪声与振动是主要 考虑的因素之一。这使得汽车公司、有关政府机构、大学都投入大量的人力与财力从事 汽车降噪与减振的研究l l j 。 汽车的振动主要是由两部分引起的，其一，汽车行驶时的路面随机激励：其二，发 动机工作时的振动激励。随着道路质量的不断提高以及汽车悬架系统的不断完善，路面 随机激励对汽车乘坐舒适性的影响得到了缓解【2 】。因此，有效降低发动机引起的汽车振 动越来越受到人们的关注。 发动机是将自然界某种能量直接转换为机械能并拖动某些机械进行工作的机器。一 般轿车上安装的发动机是平衡较差的四缸四冲程发动机。它的工作原理是把燃料( 一般 是汽油或柴油) 燃烧产生的热能通过活塞、连杆和曲轴转化为机械能。每个工作循环经 历进气、压缩、作功、排气四个行程，而只有作功行程对外输出机械能，其余三个行程 只是作功行程的辅助行程。因此，作功行程时，曲轴的转速比其他三个行程内的曲轴转 速要高。所以曲轴转速是不均匀的，发动机的运转也是不平稳的【3 】。由此可知发动机输 出的转矩是周期性波动的，惯性力( 矩) 是不平衡的。同时，发动机在工作过程中，由于 实际工况和负荷的不断变化，反扭矩也在不断变化。这样不但能激起动力总成本身的刚 体振动和弹性振动，而且能激起汽车动力传动系统的扭转振动、弯曲振动和整车的各种 振动以及这些振动引起车厢内空气共振产生的噪音，从而导致十分复杂的振动、噪声及 结构疲劳强度问题。另外，现在发动机追求大功率和轻量化设计，使得发动机振动加剧 【4 1 o 为了克服振动造成的各方面负面影响，人们采取了各种方法和途径来降低发动机和 整车的振动。其中，发动机悬置系统以其良好的减振性能，能够自成体系的结构特点以 及多种多样的结构类型，逐渐成为发动机减振隔振的高效、实用的主要方法【5 1 。 1 2 动力总成悬置系统的概况 动力总成悬置是连接发动机和车架之间的部分，与发动机和变速器一起称为“动力 总成悬置系统”。动力总成悬置系统功能的好坏直接影响整车的性能，因此，在现代汽 车设计中悬置的设计是很重要的。要提高动力总成悬置系统的隔振性能，目前国内外主 l 1 绪论 硕士论文 要通过以下两种方法来实现。第一，从悬置元件入手。即通过合理设计悬置元件，使悬 置元件的自身动特性更能接近最佳状态，更能满足动力总成隔振的各种性能要求。第二， 从悬置系统整体入手。即应用振动理论对动力总成悬置系统进行优化设计，使得动力总 成悬置系统的整体隔振性能达到最优状态【4 】。下面从这两个方面介绍一下动力总成悬置 的发展情况。 1 2 1 动力总成悬置元件的历史回顾 在汽车发展的初期，发动机是直接靠螺栓刚性地固连在车架上，动力总成的振动直 接传递到车架上。同时，路面的随机激励又通过车架直接传递给发动机，这样常常造成 发动机曲轴箱和支架的破坏，严重影响了汽车的乘坐舒适性和使用寿命。 随着汽车技术的发展，人们开始逐渐重视起发动机振动对整车的舒适性以及发动机 与其他部件使用寿命的影响。2 0 世纪初期，人们使用皮革和布垫等柔软件作为动力总成 和车架的连接件，以降低发动机和车架之间振动的传递率和提高发动机与其他部件的使 用寿命。由于皮革和布垫等减振特性较差，因此隔振效果不是很明显。到了2 0 世纪三 十年代，橡胶以其独有的优良特性受到人们的青睐。橡胶有一定的弹性和阻尼，是很好 的隔振材料。汽车设计师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递 率。于是，采用把橡胶硫化到金属骨架上的方法，设计出了各式各样的橡胶悬置元件。 下面是几种比较典型的悬置，如图1 1 所示。 麓 压缝藏势嘲照删 图1 1 几种比较典型的悬置 橡胶悬置是由金属板件和硫化到金属板上的橡胶组成，使用的橡胶多半为三种：天 然橡胶、人工橡胶和硅胶。这些材料的优点是： ( 1 ) 抗张强度、拉裂强度等机械强度 的耐久性好。( 2 ) 常温下弹力下降小。( 3 ) 价格低廉。金属骨架可以防止橡胶悬置产 生过大变形和作为悬置的连接部分。橡胶悬置的特点是结构简单、三向橡胶常数、可靠 性较高、制造成本低、使用和维修方便，因此橡胶悬置应用很广泛，尤其是在n v h 性 能要求较低的车辆上。 虽然橡胶悬置有诸多优点，但是也不能满足各个方面的要求，例如： ( 1 ) 由于橡胶结构的特点，橡胶材料刚度和阻尼只能同时设计得大或同时设计得 硕士论文汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 小。 ( 2 ) 橡胶材料耐温、耐油性能较差，通常用天然橡胶制成的减振橡胶块，不能在 7 0 摄氏度以上的高温下使用。 ( 3 ) 橡胶悬置的动刚度和阻尼特性很难满足发动机多工况宽频带隔振、降噪的要 求。为防止汽车在刹车、转弯及路况较差的道路上行驶时动力总成不产生较大的位移， 需要橡胶悬置有较大的刚度和阻尼。同时，为了有效控制高频噪声，又需要橡胶悬置有 较小的刚度和阻尼。因此，在设计橡胶悬置时要在这两者之间寻找一个平衡，设计师们 往往采用折中的方法来兼顾两者。这就导致了橡胶悬置元件减振、降噪能力的部分丧失。 基于以上原因，橡胶悬置很难在一些高档汽车上广泛使用，于是，液压悬置就应运而生。 2 0 世纪四十年代初美国人r i c h e rh a r d i n g 和s t r a c h o u s k y 提出了将液力减振机构和 橡胶悬置结合成一体的思想，1 9 6 2 年，通用公司的r i c h a r dr a s m u s s e n 率先申请了液压 悬置的专利。从此液压悬置开始在汽车上使用。人们设计出了多种应用于发动机隔振的 性能优良的液压悬置。液压悬置的结构虽然非常多，但大致可分成两类：非耦合液压悬 置和耦合液压悬置，如图1 2 所示【6 j 7 1 。 囊台横压纛置 图1 2 液压悬置 1 9 7 9 年，德国大众公司率先在a u d i 五缸o t t o 发动机上应用液压悬置瞵删，并开发 了a u d ii r a g e 、f r e u d e n b e r g 、a u d ii i 三种可用于五缸和六缸发动机的动力总成悬置系统， 第一次将液压悬置应用于实车。实践表明，液压悬置比橡胶悬置的抗冲击能力好，并大 大提高了汽车的舒适性。另外，液压悬置的刚度比橡胶悬置容易调节。 1 9 8 2 年日本在f r ( 汽车动力总成在汽车前部纵置) 式轿车应用液压悬置以降低怠 速振动。1 9 8 4 年日本开发出一种既能降低发动机振动又可降低车腔b o o m 声的液柱共 振式液压悬置。e s c a n 公司开发了惯性通道固定解耦膜式液压悬置之后，1 9 8 5 年美国 通用公司规定a 型和k 型车全部采用液压悬置。同年，f o r d 汽车公司在其生产的 s u p e r c a b 轻型货车上采用液压悬置，表明液压悬置的应用开始由高级轿车向其他类型汽 车普及。在这一时期液压悬置开始向半主动控制式、主动控制式方向发展i l 卟【l 4 。 随着人们对汽车舒适性要求的进一步提高，被动式橡胶悬置和液压悬置的隔振、降 噪性能已不能满足人们的要求。1 9 8 8 年u s h i j i m aa n dt a k a n o 研究了传统的被动式液压 3 1 绪论 硕士论文 悬置，指出由于解耦膜的非线性特性使得被动式液压悬置对简单的正弦波输入适应性良 好，而对于各种波的叠加激励却无能为力，为了解决被动式液压悬置存在的问题，人们 开始了半主动悬置和主动悬置的研究【1 5 h 1 8 】。 实际上，最早的半主动式液压悬置是1 9 8 3 年日本m i t s u b i s h i 汽车公司在g a n l a n t 豪 华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。1 9 8 7 年美国a v o n 公司开发了控制气体弹簧气压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 公司在法兰克福展览会上展出了可以根据发动机工作负荷和路况的变化而 提供最优阻尼的半主动控制式液压悬置。同年，世界上首个电流变液体的液压悬置由 m e t z e l e r 公司开发成功。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 电控节流孔开度的半主动控制式液压悬置系统。国产的本田雅阁也采用了一种可以控制 节流孔开闭的半主动控制式液压悬型1 9 1 【2 3 1 。 1 9 8 7 年，r w h e r r i c h 实验室率先研制主动控制式液压悬置系统。1 9 8 8 年 f r e u d e n b e r g 公司在f w d 式四缸发动机上应用了主动控制式液压悬置取得了满意的效 果，这标志着主动控制式液压悬置在实用方面取得了突破性进展。19 9 1 年，m e t z e l e r 公 司和f r e u d e n b e r g 公司合作开发了采用电流变液体的主动式液压悬置系统。 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。1 9 9 5 年，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 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 2 4 1 - - 2 7 1 。 2 0 0 0 年以后，随着对电流变液、磁流变液和压电陶瓷等智能材料的研究及其在发动 机悬置上的应用，极大地推动着悬置半主动和主动控制的发展。2 0 0 2 年，韩国人y w l e e 把电磁作动器与液压悬置的解耦盘连接，形成一个作动的活塞，直接驱动液压悬置里的 液体，改变悬置的动刚度，从而降低振动幅值。2 0 0 2 年，加拿大人m s f o u n m a n i 设计了一种形状记忆金属式主动悬置。该悬置是利用形状记忆金属的特性来改变液压悬 置的主簧刚度，来提高悬置的隔振特性。2 0 0 3 年日本五十铃公司采用了电磁作动器与液 压悬置结合，对重型柴油机振动实施主动控制，隔振效果比较明显。2 0 0 4 年吉林大学郑 瑞清等人提出了一种电致伸缩作动器液压悬置，如图1 3 所示，该悬置利用电致伸缩材 料的伸长位移与施加的电压平方成正比这一特性对发动机振动进行主动控制【2 8 h 3 2 】。 4 硕士论文汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 体 图1 3 电流变液悬置 自汽车诞生以来，发动机悬置经历了由无到有、由简单到复杂、由低级到高级、由 被动式橡胶悬置和液压悬置到半主动和主动悬置及磁流变、电流变液压悬置等多种形式 的发展过程。随着人们对汽车乘坐舒适性要求的不断增加和设计技术的不断提高，发动 机悬置元件将日趋完善。 1 2 2 动力总成悬置系统优化设计的研究概况 悬置元件的不断改进，确实对汽车振动造成的负面影响起到了有效的缓解作用。但 是，液压悬置要求高、成本高、制造工艺复杂，因此，也使液压悬置的广泛应用受到了 限制。于是，汽车开发工程师们开始对多个悬置元件组成的悬置系统进行研究设计，期 望通过合理的位置、刚度、阻尼配置达到理想的隔振效果。国内外广大学者和工程技术 人员围绕这一问题进行了深入细致的研究，提出了不少设计方法和设计理论。 1 2 2 1 国外研究概况 国外在这方面的研究源于2 0 纪五十年代，a n o n 和h o r i s o n 等人提出了应用撞击中 心理论实现振动解耦的基本方法。他们将动力总成和车架视为刚体，橡胶简化为三个方 向垂直的弹簧，利用动力总成惯性主轴特性和撞击中心理论阐述了如何选择悬置刚度和 位置等参数，使前后悬置的振动互不影响。1 9 5 9 年，w i l s o n 利用撞击中心理论对动力 总成悬置系统进行了解耦设计。1 9 6 5 年，t i m p n e r 也在动力总成悬置系统的解耦设计中 应用了撞击中心理论【3 3 】 【3 6 1 。 2 0 世纪七十年代，b l b e l i e r k n i g h t 利用打击中心的理论，考虑使各悬置点尽可 能靠近弹性体振动节点位置，提出合理布置动力总成悬置系统的方法。 2 0 世纪七十年代中期，t o s h i o 和s a k a t a 。介绍了一种分析动力总成振动及噪声向 车体传递特性的有效方法一机械阻抗法，分析表明悬置刚度降低时，车内前座椅处噪声 降低【3 7 】。 1 9 7 9 年，j o h s o n 首次用数学手段对悬置系统进行优化设计，他以横置发动机前置前 驱动轿车为例，把合理配置系统的固有频率和实现各自由度之间的振动解耦设为目标函 数，把各悬置的各向刚度和悬置的位置坐标及悬置垂向与侧向刚度比等设为变量进行优 化计算，取得了比较理想的结果郾j 。1 9 8 3 年，j a m e se b e n a r d 采用惩罚函数法进行优化， 5 i 绪论 硕士论文 以动力总成悬置系统固有频率的合理配置为优化目标，以悬置刚度、悬置的位置坐标以 及悬置的安装角度为优化变量。得到了合理的固有频率布置1 3 圳。1 9 8 4 年，g e c kp e 等 人以侧倾解耦，降低侧倾模态为目标对悬置系统进行优化，并提出了较合理的悬置设计 原则【4 0 1 。 1 9 9 0 年，南斯拉夫人m d e m i c 4 1 1 以悬置点响应力和响应力矩为目标，以悬置的位 置与刚度为变量，采用改进的h o o k e j e e v e s 法进行了优化，该方法同时适用于橡胶悬置 和液压悬置的优化设计。1 9 9 3 年，j o l mb r e t l 以汽车怠速时乘员座椅处在频域下的响应 最大值最小为目标，以悬置位置和刚度为设计变量进行了整车优化，使得怠速状态下乘 员座椅处的响应显著减d x t 4 2 。日本n i s s a n 公司的t e t s u y aa r a i 和t a k a ok a b o z u k a 4 3 】以动 力总成系统的绕曲轴方向( i b ) 的模态与r x 、r y 、r z 三个模态相解耦以及合理配 置垂直振动模态( r z ) 与滚动模态( i 泷) 为目标，以悬置的位置坐标和悬置的刚度为 设计变量，进行了整车优化。优化后悬置垂直方向动反力在怠速状态下有所下降。同时 表明悬置的布置位置对悬置系统的隔振性能的影响最大。1 9 9 4 年，美国l o h i t s a 公司 在六自由度的动力总成液压悬置系统模型的基础上，以液压悬置的力传递率为目标，以 各悬置的方位角、刚度、阻尼为设计变量，以橡胶压剪刚度比、悬置的空间位置以及动 力总成悬置系统的固有振动频率配置、侧倾振动解耦等为约束条件，进行了悬置系统的 优化设计m 】。1 9 9 8 年，福特公司的a r s o l o m a n 在一款卡车的设计当中应用了解耦理 论，解决了其侧向振动的问趔4 5 1 4 6 1 。 2 0 0 0 年，s e o n h oc h o 以能量解耦理论对动力总成悬置系统进行了解耦优化设计， 在建立优化模型时考虑了车体的弹性，建立了车体的有限元模型。优化结果表明转向柱 及座椅处的振动加速度均有所下降h 。 1 2 2 2 国内研究概况 国内在这方面的研究虽然起步较晚，但也取得了不少重要成果。特别是九十年代以 后，中国汽车工业迅速崛起，国内的研究工作也更加深入细致。 1 9 8 3 年，清华大学的徐石安等人提出以悬置处动反力幅值最小为目标函数，适当控 制系统的固有频率进行优化设计的方法，取得了较好的结果【4 8 】。 1 9 8 5 年，潘旭峰，胡子正结合d d 6 8 0 大客车发动机悬置参数设计问题，对悬置参 数进行了模糊多目标优化，也获得了满意效果 4 9 1 。 1 9 9 5 年，程序、张建润和王志新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，求出座椅的振动响应，兼顾各子结 构的运动匹配，以座椅加速度响应值最小为目标函数，经优化计算得到发动机悬置系统 的最佳参数1 5 0 j 。 1 9 9 6 年，裘新以振动传递率作为主要目标函数，侧倾方向上系统的频率接近最优为 次要目标函数，针对动力总成液压悬置系统进行了优化，在所建立的优化模型中考虑了 6 硕士论文汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 液压悬置阻尼的时变特性。同年，温任林、颜景平以整车为背景，提出以汽车驾驶室振 动能量最小和发动机悬置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，计算实例表明选择合适的发动机悬置参数可以有效地降低汽车的振动【5 l j 【5 2 1 。 2 0 0 1 年，吕振华、罗捷、范让林在讨论动力总成悬置系统的设计理论与优化方法的 基础上，系统地分析了悬置的安装位置、安装角度及悬置的三向刚度对动力总成悬置系 统隔振性能设计目标的影响，并针对两种动力总成进行了优化设计计算分析，通过调节 悬置的安装位置、安装角度及悬置的三向主刚度，使系统的解耦程度提高【5 3 1 。 2 0 0 5 年，上官文斌等人结合工程实际，论述了动力总成位移控制设计的一般原理。 以一轿车动力总成4 点悬置系统为例，针对汽车的一特殊行驶工况，对动力总成的质心 位移、悬置位移和支承点反力进行了计算。他们提出的动力总成位移控制的设计思想和 计算方法对汽车动力总成的设计具有指导意义1 5 训。 2 0 0 5 年，吕振华、范让林探讨了对于前、后悬置均采用v 形悬置组的振动系统易 于达到的弹性解耦程度。提出了v 形悬置组布置设计的最小刚度比、约束条件和悬置倾 角的选择范围，完善了v 形悬置组的设计方法。这些概念和设计方法拓展了动力总成悬 置系统的弹性解耦设计理论【5 5 。 2 0 0 6 年，王显会、李守成等人综合运用弹性中心理论和能量解耦方法对动力总成悬 置系统进行了优化设计。动力总成悬置系统的隔振性能有了明显提高，有效地降低了轿 车动力总成悬置振动垆6 j 。 2 0 0 6 年，南京航空航天大学的张斌、翁建生、汪洋结合能量法解耦，运用模糊数学 模型对汽车动力总成的悬置进行了研究。计算结果表明，这种方法有刘5 7 l 。 1 3 课题来源与意义及主要研究内容 1 3 1 课题的来源 该项目为国内一汽车厂自主开发的一款新车，现有自动档及手动档二种变速器配 置，需要进行悬置匹配设计，即橡胶及支架结构设计。系统的设计要求如表1 1 所示。 表1 1 动力总成悬置系统应满足的要求 模态频率范围( h z )解耦程度 i 也( z 方向平动)8 1l9 0 r y ( x 方向平动) 7 1 5 6 0 r x ( y 方向平动) 7 1 3 8 5 r x x ( y 方向转动)8 1 2 9 0 r y y ( x 方向转动) 8 1 8 8 5 r z z ( z 方向转动) 8 1 7 6 0 7 1 绪论 硕士论文 1 3 2 课题意义极其主要研究内容 本课题以动力总成悬置系统为研究对象，应用隔振理论、优化设计理论，对动力总 成悬置系统进行设计，以降低汽车的振动和噪声，改善汽车的乘坐舒适性。 本课题将采用计算机辅助设计的方法对动力总成悬置系统进行设计，应用三维建模 软件u g 建立悬置支架三维模型，应用大型通用有限元分析软件a n s y s 对支架进行模 态分析，应用m a t l a b 软件进行优化，应用机械系统动力学分析软件a d a m s 对系统 进行仿真分析。论文主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 分析动力总成悬置元件的的特点并综述其发展历程及动力总成悬置系统优化 设计的国内外研究现状。 ( 2 ) 对动力总成进行激励分析( 包括单缸机的激励分析和四缸四冲程发动机的激 励分析) ，介绍单自由度隔振原理、优化设计原理及优化设计方法。 ( 3 ) 建立动力总成坐标系及相关坐标系( 包括曲轴坐标系、主惯性轴坐标系和扭 轴坐标系) 。将动力总成悬置系统的参数( 包括悬置的位置坐标、动力总成的转动惯量) 转换到扭轴坐标系下。对动力总成悬置系统进行初步设计，并对悬置的支架进行模态分 析，检验支架是否满足要求。 ( 4 ) 建立动力总成悬置系统的力学模型，应用拉格朗日法建立动力总成悬置系统 数学模型，计算动力总成悬置系统的固有频率和固有振型，并使用m a t l a b 的g u i d e 用户界面开发模块开发动力总成悬置系统的固有频率计算专用程序。 ( 5 ) 以动力总成悬置系统的固有频率的合理配置和系统的解耦为目标进行优化设 计。确定优化变量、优化目标和约束条件，选择合适的优化算法，在m a t l a b 中编写 优化程序。 ( 6 ) 在a d a m s 中建立动力总成悬置系统的动力学模型进行仿真分析。 8 硕士论文 汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 2 动力总成悬置系统的隔振原理 2 1 动力总成悬置系统的几点假设 动力总成悬置系统是一个复杂的六自由度振动系统，对六个自由度系统进行隔振分 析是非常复杂的，在研究和设计该系统时作如下假设： ( 1 ) 假设动力总成及车架是绝对缸体结构； ( 2 ) 假设发动机的旋转角速度是一个常数； ( 3 ) 发动机在水平方向和铅垂方向的振动与回转振动之间互不影响。 根据这三点假设，可分别独立的研究以下几种振动。 ( 1 ) 发动机的铅垂振动； ( 2 ) 回转力矩引起的发动机的振动； ( 3 ) 发动机绕横轴的振动； ( 4 ) 发动机绕铅垂轴的振动和横向干扰力的振动【5 8 1 。 2 。2 动力总成激励分析 发动机的振动可分为内部振动和外部振动，主要来源于气缸内周期变化的气体压力 和曲柄机构运动产生的惯性力。内部振动指在发动机的内部，由于运动惯性力和交变压 力引起发动机的部件间的相互振动。外部振动指发动机作为整体的振动，是由不平衡力 矩或波动输出扭矩引起的【l 】。概括起来，引起发动机振动的振源有： ( 1 ) 不平衡的回转运动质量所产生的离心力及离心力矩； ( 2 ) 不平衡的往复运动质量所产生的惯性力及惯性力矩； ( 3 ) 不平衡的反作用简谐扭矩； ( 4 ) 个别气缸不发火或爆发压力不均匀； ( 5 ) 因机身( 曲柄箱) 刚性不足导致内力矩输出引起的弯曲振动： ( 6 ) 路面不平坦引起的振动，一般为2 5 h z 以下的低频随机振动； ( 7 ) 由汽车行驶中加速或刹车时的惯性力引起的纵向振动【5 9 】。 2 2 1 单缸机激励分析 2 2 1 1 运动部件惯性力产生的激振力 活塞、连杆、曲柄等运动部件的惯性力包括往复运动部件产生的往复惯性力、不平 衡旋转质量产生的离心惯性力及连杆摆动时产生的惯性力。精确分析连杆惯性力时比较 复杂，工程上一般是在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 在曲柄销与活塞上的两个质量来代替，并把其他的不平衡质量也等效地简化到这两点 9 2 动力总成悬冠系统的隔振原理 硕士论文 上。图2 1 a 的连杆可近似等效成图2 i b 的二质量系统，简化原则如下： ( 1 ) 离散质量聊l 与m 2 之和等于连杆总质量m ，即m = m l + 肌2 。 ( 2 ) 两离散质量的重心位置与连杆的重心位置重合，即，l 。= 争聊，m ：= 争所。式 中，为连杆的长度，为连杆重心到连杆大端中心的距离，：为连杆重心到连杆小端 中心的距离。 对 秘 图2 1 发动机连杆 于是，发动机曲柄连杆机构的质量最后可用简化到曲柄销上的质量m ，与活塞销上的 质量m ，来代替。曲柄连杆结构简化成图2 2 所示的二质量系统。这样，发动机曲柄、连 杆机构运动部件的惯性力可分为两部分：往复运动部件的往复惯性力和旋转运动部件的 离心惯性力。其中，往复惯性力作用在活塞销中心或十字头中心，并通过连杆，最后作 用在曲柄销商，离心惯性力则始终通过曲轴中心。 图2 2 发动机曲柄连杆机构 集中在活塞上的质量肌：作上下往复运动，其往复惯性力的大小等于质量肌：与活塞 加速度量的乘积，而方向与加速度的方向相反【5 8 】，即 l o 中f 。匆 硕士论文 汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 p j = 一m 2 2 ( 2 1 ) z = 0 c + c a = o b c o s a + a b c o s p = ，c o s ( x + l c o s l 3 ( 2 2 ) = r ( c o s a + - - c o s1 3 ) ，( 1 + 九- - c o s a o f 一寻九c o s 2 f ) 、 44 7 舅r 0 0 2 ( c o s o o t + x c o s 2 c o t ) ( 2 3 ) 将( 2 3 ) 代入( 2 1 ) ，得 只= - m 2 r g o2 ( c o s o t + 九c o s 2 0 ) t ) ( 2 4 ) 式中，九= ；曲柄与连杆长度之比。= 务，z ( $ - 1 ) ，其中，z 为曲轴每分钟转数。 质量m ，作等速圆周运动，其离心惯性力为： e = m l r f d 2 ( 2 5 ) 在图2 2 所示的坐标轴上的投影为： 耻胍r 0 ) 2c ，o s 0 3 ( 2 6 )1k 厶0 ， 1 名= - m l r f d 2 s i n c o t 由式2 5 可见，离心惯性力大小不变，而方向随曲柄变换，并且总是通过旋转中心。 它一般情况下可能激起曲轴的横向振动，但不会直接激起曲轴的扭转振动与纵向振动。 2 2 1 2 气缸内气体压力产生的激振力 由于发动机是间歇作功的工作过程，气缸内的气体压力在一个工作循环内剧烈变 化，如图2 3 为汽油机的气体压力展开式示功图，它的循环周期为4 7 【。当发动机工作 时，作用在曲柄连杆机构上的主动力是： 足= ( 墨- 1 ) 孚， ( 2 7 ) 式中，乓为活塞顶面上气体的爆发压力； d 一活塞的直径。 忍与往复惯性力弓均沿气缸轴线方向，其合力p 等于它们的代数和 p = 乞+ 忍 ( 2 8 ) 2 动力总成悬置系统的隔振原理 硕士论文 1 2 1 0 i i i l l i o1 0 02 0 03 4 0 0s 6 0 07 0 08 0 0 转角，( 。 图2 3 汽油机的气体压力 l x 厂武 图2 4 活塞连杆上的受力 根据达朗贝尔原理，由图2 4 可写出活塞的受力平衡方程 iec o s d p p = 0 s i n + 一只= 0 解得连杆的轴向力只和活塞的侧向压力只： 1 9 = ：p 尸伽c o s 巾d p 分析曲轴的受力情况，可求出激振扭矩 m ：尸! 巡q ! c o s d p 把式( 2 8 ) 代入式( 2 1 1 ) 中，得 m = 弓絮0 s 毗 。 co 。 由曲轴平衡方程 塑鱼堕， c o s d p ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 7 6 5 4 3 2 i o 一7阜己鹱理 硕士论文 汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 n x cc o s 巾+ f , c o s 0 _ 0( 2 1 3 ) i ，一只s i n 巾一cs i n 0 = 0 得支撑的反作用力： 誓2p , c o s + - f 一, 跗( 2 1 4 ) l ，= 只s i n 巾+ cs i n 0 。 把式( 2 1 0 ) 代入( 2 1 4 ) 中，得： j n ，x 卵一e 竺( 2 1 5 ) i ，= p t a n 巾+ e s i n 0 。 2 2 1 3 运动部件自身重力产生的激振力 运动部件重力包括往复运动件总重量和旋转运动件作用在曲轴销中心的当量偏心 旋转重量，其方向都是垂直向下。旋转重量产生的切向和径向激励力分别为频率等于曲 轴角速度的一次简谐分量。单位活塞面积上往复运动件重量产生的切向和径向激励力主 要包含一次与二次简谐分量，其中径向激励力还包含一个直流分量。 由以上分析可将单缸发动机的激振力简化为如图2 5 ( b ) 所示。由式( 2 1 5 ) 及图 2 5 ( a ) 可知，发动机缸体对支撑车架的铅垂力。中，只有往复惯性力尸，和离心惯性 力一f c o s 0 传递给车架。引起整车的垂向振动。同时，可以得到，发动机缸体对支撑的 水平压力，中的气体压力和往复惯性力部分p t a n 巾与活塞对气缸壁的压力 只= p t a n + 构成一反转力偶，如式( 2 1 2 ) 所示。由于这一反转力矩的存在，使整车产 生横向摆动。，。中，旋转质量的离心惯性力在水平方向的分量c s i n 0 传递给车架，使 汽车产生水平振动。 ( a )( b ) 图2 5 单缸发动机受力图 2 动力总成悬置系统的隔振原理 硕士论文 2 2 2 四缸四冲程发动机的激励分析 本课题中的发动机是直列四缸四冲程发动机，可将其视为由曲柄连接起来的几个单 缸发动机。作用在整个缸体上的干扰力，应是各单缸体受到的干扰力组成的一组空间力 系如图2 6 ( a ) 所示。一般情况下，此力系可简化为图2 6 ( b ) 所示的受力情况【5 引。 ( a ) ( b ) 图2 6 四缸直列汽车发动机受力情况 图中的干扰力和力矩按下式计算。设9 。表示第f 个曲柄与第一个曲柄的夹角，n 为 气缸数，为曲柄回转半径。 兄= m i r m 2 c 。s ( c o t + t p l ) + c o s ( r o t + 9 2 ) + c o s ( r o t + 3 ) + c o s ( c o t + 4 ) 】 ( 2 1 6 ) = m l ，2 a lc o s ( r o t + i ) 弓= m 2 r o2 口1c o s ( c o t + i ) + 朋2 ，2 x a 2c o s ( 2 m t + n ) ( 2 1 7 ) 总的铅垂干扰力为： 只= r + 弓 ( 2 1 8 ) = ( m l + ，”2 ) ，2 a lc o s ( r o t + ( p i ) + ，竹2 r o2 l a 2c o s ( 2 m t + p n ) 水平干扰力仅与旋转惯性力的水平分量有关，即： 只= m l r f d2 口ls i n ( c o t + q ) i ) ( 2 1 9 ) 式中，a 、( p 。、a ：、午兀表示夹角为( p ，与2 ( p ，的n 个单位矢量和的模与方向角，它 们决定于曲柄间的相对位置，是一组常数。由于这里曲柄夹角为1 8 0 度均布，则有： 只= 4 m 2 t 0 3 2 lc o s 2 r o t ( 2 2 0 ) e = o ( 2 2 1 ) 纵向( 沿曲轴方向) 没有作用力。绕铅垂轴的干扰力矩等于各缸水平干扰力x 轴之矩， 它仅与旋转惯性力有关，即： m ，= m l t o ) 2 z ，s i n ( r o t + i r e ) ( 2 2 2 ) t = l 1 4 硕士论文汽车发动机悬置的优化设计及仿真分析 绕水平轴转动的干扰力矩m 。等于各缸铅垂干扰力对y 轴的力矩，即： m y = 必秽+ m 秒 ：聊。彻z 杰7 f c 。s + 讯) 一m ：砌z 4 和。s ，+ 抚) 一所：，z 九4c 。s ( 2 c o t + i 7 r ) ( 2 2 3 绕曲轴轴线的干扰力矩是与惯性力及气体压力有关的周期函数： m ：= m 反= q + p j ) r 竺慧蠹盟 ( 2 2 4 ) 由式( 2 1 6