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轿车动力总成液压悬置系统隔振性能的动力学仿真研究 摘要 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，合理的汽车动力总成悬置系统的设计可以明显的降低汽车动力总成和 车体的振动。本文以轿车动力总成液压悬置系统为研究对象，对悬置系统的隔 振性能进行了系统的研究，主要研究工作包括以下几个方面： 1 在阅读大量国内外参考文献的基础上，对发动机动力总成液压悬置元件 的发展进行了系统的总结，并根据其结构进行科学分类，较为详尽地阐 述了各种液压悬置的工作原理，性能特点，并指出了其不足之处，以及 今后的发展方向。对液压悬置系统的发展历史也作了简要的回顾，并指 出了它的发展趋势。 2 系统总结并分析了汽车动力总成隔振悬置的设计理论，为汽车动力总成 悬置系统的隔振设计提供了一套比较完整的理论依据。具体阐述了所用 到的撞击中心理论，介绍了v 型悬置系统的特点，并对平行布蜀系统与 v 型布置系统进行了比较。 3 结合液压悬置样件就其结构和工作原理进行较详细的分析，然后给出其 动特性的定义。 4 建立了液压悬置的等效力学模型和橡胶悬置的力学模型，在此基础上建 立了动力总成六自由度的三维动力学模型。运用动力学分析软件 a d a m s 中的l i n e a r 模块进行了动力总成六阶刚体模态的仿真计算。分 析了发动机激励的特点，运用a d a m s 进行了动力总成液压悬置系统 的怠速和高速工况下的仿真计算。绘制了在时域和频域上的动力总成的 加速度运动响应，质心的角加速度运动响应以及后左，后右液压悬置， 前橡胶悬置的动反力曲线，以及患速，高速工况下各悬置的加速度功率 谱密度曲线。最后还计算出了动力总成液压悬置系统怠速工况下的振动 传递率并分析了其隔振性能。 5 通过实验对动力总成的基本参数进行了测试，分别对动力总成重心的确 定和质量惯性矩的计算进行了简要的介绍，最后给出了实验结果。 6 针对轿车动力总成液压悬置系统开展了动力总成悬置系统隔振特性实 验测试，通过对实验采集的振动信号的分析与处理，分析了样车液压悬 置系统的隔振特性，为以后的产品的开发提供了有价值的参考依据。 关键词：动力总成，隔振，液压悬置，动力学，a d a m s ，仿真 a d y n a m i c a l l ys i m u l a t i n gs t u d y o fv i b r a t i o ni s o l a t i o n p e r f o r m a n c eo nh y d r a u l i cp o w e r t r a i nm o u n t s y s t e m o fc a r 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 sam a l ns o u r c eo fa u t o m o t i v ev i b r a t i o n ，w h i c ht a k e sa n i m p o r t a n ti n f l u e n c eo n a u t o m o t i v ec o m f o r t p r o p e rd e s i g no fa u t o m o t i v ep o w e r t r a i n w o u l dg r e a t l yr e d u c et h ev i b r a t i o no fa u t o m o t i v ep o w e r t r a i na n db o d y t h i sa r t i c l e t a k e st h eh y d r a u l i cp o w e r t r a i nm o u n ts y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t i v e ，s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e st h ev i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eh y d r a u l i cm o l m ts y s t e m t h e f o l l o w i n gs u b j e c t sa r es t u d i e d ： 1 b a s e do nal o to fr e f e r e n c e s t h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo fh y d r a u l i cm o u n t si s r e v i e w e d t h e nt h e ya r ec l a s s i f i e db yt h e i rs t r u c t u r e s t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ， c h a r a c t e r i s t i c s a n dw e a k n e s so fe a c ht y p ea r es t a t e di nd e t a i l t h ed e v e l o p i n g h i s t o r yo fh y d r a u l i cm o u n ts y s t e mi sa l s or e v i e w e db r i e f l y , a n dt h ed e v e l o p i n g t r e n di sa l s os u g g e s t e d 2 b ys y s t e m a t i c a l l ya n a l y z i n gt h ed e s i g nt h e o r i e so fa u t o m o t i v ep o w e r t r a i nm o u n t s y s t e m s ，t h i sa r t i c l es u g g e s t saf u l lt h e o r yf o rt h ed e s i g no f v i b r a t i o ni s o l a t i o ni n a u t o m o t i v ep o w e r t r m nm o u n ts y s t e m t h e “s h o c kc e n t e r t h e o r yi ss t a t e di n d e t a i s m e a n w h i l e ，t h i sa r t i c l ei l l u s t r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i co fvt y p em o u r n s y s t e ma n dc o m p a r e s t h ee f f e c t so f p a r a l l e ld i s p l a c e m e n ta n dv d i s p l a c e m e n t 3 w i t ht h es t u d yo ft h es a m p l eo fh y d r a u l i cm o u n t i t ss t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l ea r ea n a l y z e di nd e t a i l s 。a n dt h ed e f i n i t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si s a l s og i v e n 4 t h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h eh v d r a n l i cm o u n t sa n dr u b b e rm o u n ti ss e tu p a n d t h e6 - d e g r e e o f - f r e e d o mm o d e lo fe n g i n ep o w e r t r a i ni ss e tu p ，t o o t h es i x o r i g i n a lm o d e l so fp o w e r t r a i ns y s t e ma r ec a l c u l a t e db yd y n a m i c a l l ya n a l y z i n g s o f h a r e _ l i n e a rm o d e li na d a m s t h ec h a r a c t e r i s t i co fe n g i n ee x c i t i n gi s a n a l y z e d t h eh y d r a u l i cm o u n ts y s t e m s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o no ni d l ew o r k i n g c o n d i t i o na n dh i g hs p e e dw o r k h a gc o n d i t i o ni sc a r r i e do u tb va d a m s t h e r e s p o n s ec u r v eo f r e a rl e f th y d r a u l i cm o u n t ，r e a rr i g h th y d r a u l i cm o u n t ，a n dt h e f o r er u b b e rm o u n ti ne a c hc o n d i t i o n sa r ed r a u g h t t h e1 3 u r v eo f h y d r a u l i cm o u n t s y s t e m st r a n s m i s s i b i l i t yi s a l s oc a l c u l a t e di nt h ee n da n dt h ep e r f o r m a n c eo f v i b r a t i o ni s o l a t i o ni sa n a l y z e d 5 n l eb a s i cp a r a m e t e r so fp m so ft h ep o w e r t r a i nm o u n ts y s t e ma r em e a s u r e db y t h ee x p e r i m e n t s s i m p l yi n t r o d u c et h ec e r t a m t yo fm a s sc e n t e ra n dm a s si n e r t i a q u a d r a t u r e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r eo b t a i n e df i n a l l y , 6t h ec h a r a c t e r i s t i co fv i b r a t i o ni s o l a t i o ni nh y d r a u l i cp o w e r t r a i nm o u n ts y s t e mi n ac a ri st e s t e db ye x p e r i m e n t s t h r o u g hp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h ev i b r a t i o n d a t aa c q u i r e df r o mt h ee x p e r i m e n t s ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co f v i b r a t i o ni s o l a t i o ni n h y d r a u l i c m o u n t s y s t e m ，a n dp r o v i d e s t h ev a l u a b l e s t a n d a r d sf o rt h el a t e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：p o w e r t r a i n ，v i b r a t i o ni s o l a t i o n ，h y d r a u l i cm o u n t ，d y n a m i c s ，a d a m s s i m u l a t i o n 独创性声明 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。据 我所知，除t 文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金g b 工些厶堂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。 学位论文作者签字：；纠茎 签字日期：a 午年岁月a d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目b 工些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： ；王位 签字日期：a 眦年5 月c i 。目 学位论文作者毕业后去向：永足 r ：作单位： 孑己 通讯地址： 无， 翩签名去t 侈 , 也尸 熟雠吨p 签字日期：，7 年厂月a i 珀 电话 邮编 致谢 本文的研究工作是在导师方锡邦副教授的悉心指导下完成的。他的渊博的 学识和丰富的实践经验以及解决分析问题的思路，严谨的治学态度，使学生永 远受益，终生难忘。同时衷心感谢方老师在研究生学习，工作和生活阶段给予 我莫大的关心和帮助。 在论文的试验工作中，我校实验室的唐永琪老师，王文平老师，徐建中老 师和温千宏老师给予了大力指导和帮助，向他们表示由衷的谢意。同时还感谢 上汽奇瑞公司有关领导和技术人员。 感谢于景飞，梅奋勇，古月水同学在论文完成阶段对我的帮助。 对我的父母，姐姐和所有关心我的老师和朋友们在我攻读硕士学位期间给 予的帮助，支持和鼓励表示深深的谢意。 作者：汪佳 2 0 0 4 年5 月2 2 日 第一章绪论 舒适性是现代汽车，特别是轿车的主要性能指标。引起汽车振动的振源主 要有两个。一是汽车行驶时的路面随机激励；二是发动机工作时的振动激励。 般地讲，路面不平度激励对驾驶员手，脚以及乘员的舒适性影响较大，但是 随着道路条件的改善和轿车悬架系统设计的完善，这方面的影响在一定程度上 得到缓解；另一方面，现代轿车的设计强调轻量化，采用了新型高强度轻质材 料以图降低整车质量，而发动机的质量却难以降低。这样，发动机的质量在整 车质量中所占比重有所上升。然而由于发动机多采用平衡性较差的四缸四冲程 发动机，轿车多采用整体式的薄壁结构车身，这样的车身弹性增加，振动趋势上 升，发动机对车身的振动激励相对增加，以上诸多因素使得发动机激励成为轿车 的主要振源。发动机振动的传递路径是由动力总成经悬置传递到车架或车身上。 因此，最大限度地减小发动机产生的振动和噪声向车架或车身的传递是汽车隔 振和降噪的关键，作为振动传递路径中的一个重要元件动力总成的悬置， 对于汽车的隔振和降噪来说，是一个特别重要的环节。 通常发动机在启动和怠速等低速工况下，动力总成将产生低频大振幅的振 动，导致车内振动较大，降低乘坐舒适性：而发动机在中高速工况下，动力总 成将表现为高频小振幅，导致车内噪声较大。动力总成的悬置作为动力总成的 隔振元件，对提高乘坐舒适性和降低车内噪声的传播有着重要的作用。如何设 计和布置悬置以图获得较佳的减振降噪效果的动力总成悬置系统设计也从最初 的经验设计发展为一门科学 1 l ，下面简单回顾一下动力总成悬置元件和系统设 计的发展过程。 1 i 动力总成悬置的理想动特性 当振动激励频率等于汽车某阶固有频率时，将使之产生强烈的振动和噪声。 汽车动力总成受到的激励主要包括来自发动机，路面和轮胎的稳态激励，以及 汽车转弯，制动，在不平路面上等工况下扭矩变化造成的瞬态激励。 动力总成悬置将动力总成与车体连接在一起，其目的在于衰减动力总成的低 频振动，隔离其高频振动向车体的传递，抑制车室空腔共鸣声( b o o m i n gn o i s e ) ， 并以动力总成作为动力吸振器抑制车体的某阶共振。由此可见，对动力总成悬 置的隔振性能要求是很高的。 发计和选择动力总成悬置时应当考虑：静载( 动力总成及其附件重量) ，动 载( 随机振动引起的载荷，发动机的扭转载荷) 。动力总成悬置设计的基本要求 是：固定并支撑动力总成；承受动力总成的内部作用力( 如发动机的往复惯性 力，输出扭矩等) 和外部作用力( 汽车其它部分对动力总成的作用力) ；最大限 度的双向隔离动力总成与车体的振动；保证汽车一定的大修寿命；保证汽车生 产和装配过程中的工艺要求。 动力总成悬置系统的理想动特性是：悬置具有较高静刚度，以支撑动力总成 重量和输出扭矩；悬置具有低频大阻尼，高剐度特性，以衰减汽车起动，制动， 换档以及急加速，减速过程中，因发动机输出扭矩波动引起的大振幅振动；悬 置应当在7 - 1 2 h z 范围内具有较大阻尼，以迅速衰减因路面，轮胎激励引起的动 力总成低频振动；悬置在2 5 h z 附近应具有较低动刚度，以衰减怠速振动；悬置 应具有高频小阻尼，低动刚度特性，以降低振动传递率，提高降噪效果。显然， 动力总成悬置的理想动特性要求十分复杂，有时甚至是相互矛盾的。 1 2 动力总成悬置元件的发展历史 在早期的汽车设计中没有发动机动力总成这个概念，因为发动机是直接靠 螺栓连到车架上去的。这样，发动机的振动直接传到车架，车架的变形和振动 也直接传递到发动机上，但这常常造成曲轴箱和支架的破坏。随着汽车设计 制造水平的提高，发动机作为汽车的主要振源对整车舒适性的影响才日益突出。 人们开始用皮革，布垫来连接动力总成与车架。到本世纪二十年代，橡胶丌始 作为悬置元件的主要材料，但当时设计其的主要目的是为了防止曲轴箱的破坏， 而不是以隔离发动机的振动为目的。后来，四缸发动机被广泛采用，由于其强 烈的二阶不平衡惯性力造成动力总成的振动更加突出，对整车舒适性的影响也 大为增强。在这种情况下，各大汽车制造厂开始关注动力总成的减振降噪问题。 于是，通过将橡胶硫化到金属骨架上，各种各样的橡胶悬置元件就被设计出来 了。 橡胶悬置元件应用于动力总成悬置上曾发挥了重要的隔振作用。然而，由 于橡胶有其自身的局限性，其动刚度和阻尼滞后角与频率基本上是线性变化关 系，并且阻尼滞后角很小( 一般只有1 0 。左右) 3 1 ，所以在发动机低频工作范 围内，尤其是在怠速时，必须采用动刚度较大的橡胶悬置，但是不利于高频降 噪。同时由于道路条件的改善，车辆轻量化的设计发展趋势，特别是发动机前 置前驱动的布置，传统的橡胶悬置已无法满足轿车多工况宽频带上的减振降噪 的要求。 随着新工艺、新材料的发展，二十世纪七十年代末研制出了一种具有频变 特性( 频变刚度和频变阻尼) 的液压阻尼式橡胶悬置( r u b b e rm o u n t s w i t h h y d r a u l i cd a m p i n g ) ，简称液压悬置。它是将橡胶支撑与液压减振机构组合在一 起，比纯合成橡胶悬置具有优良的减振性能。其实早在二十世纪四十年代，r i c h e r h a r d i n g 和s t r a c h o u s k y 就提出将橡胶支撑与液压减振机构组合在一起的思想， 并且在美国申请了专利。但是将这一思想付诸于实际生产应用却经历了很长一 段时间。1 9 6 2 年，美国通用汽车公司的r i c h a r dr a s m u s s e n 申请了第个发动机 液压悬置专利，其基本作用是产生较大的阻尼，其鲒构示意图如圉卜l 所示。 当时这种液压悬置最初并没有得到广泛应用，随着前轮驱动轿车的大规模出现 以及液压悬嚣自身技术水平的提高，液压悬置才在轿车上得到迅速推广使用。 2 b h e r 幽1 一l i 流孔式液压悬置 自液压悬置得到各大汽车公司的重视后，陆续开发研制出了各种结构的液 压悬置。1 9 7 9 年原西德的大众汽车公司第一次在其生产的五缸发动机a u d i o 轿 车上安装了液压悬置，以提高乘坐舒适性。试验结果表明，最初研制开发的液 压悬置的减振特性主要依靠内部截流阀尺寸的改变来实现，在发动机低频工作 范围内有比橡胶悬置更好的减振特性，但是在中高频工作范围内的动刚度特性 与椽胶悬置相比较差别不大，不利于降低噪声，所以初期的液压悬置只用于工 作较平稳的六缸和八缸发动机上。图卜2 a 和图卜2 b 为这种液压悬置与橡胶悬 置的动特性对比曲线。 一液压悬置 一6 0 0 橡胶悬置 要” ，一一 考2 0 0 f 彳二二 2 0 【= 一一。 02 04 0 f h z 图卜2 a 动刚度特征曲线 葚二嬷 由图】一2 a 和图1 - 2 b 可以看出，液压悬置的动刚度和损失角具有较强的变频 特性，而橡胶悬罨的动刚度和损失角基本上不随频率变化。液压悬置的动刚度在 1 0 h z 左右达到最小，在2 0 h z 左右达到最大，然后开始下降，当频率超过3 0 h z 左右后趋于平稳：液压悬置的阻尼损失角在5 一2 5 i - i z 范围内比较大，在1 0 h z 左 右达到最大，这一性能有利于衰减发动机怠速频段( 一般为2 0 2 8 h z ) 的大振幅 振动。 为了进一步降低中高频工作范围内的噪声水平，国外许多汽车厂商又开发研 制了一种可进一步降低高频动网0 度的解耦式液压悬置，如原西德 f r e u d e n b u r g m e g u l a s t i k 公司在前置后驱动式( f r ) 六缸发动机上安装该悬置， 试验结果表明，与橡胶悬置相比较，车内噪声最多可降低3 5 d b 。其工作原理是： 内部采用解耦膜或解耦盘，在高频区域内解耦装置通过调整内部液体的流量和流 向以充分降低高频时悬置的动刚度，另外该悬置可以有效地降低车内的噪声。图 卜3 为解耦式液压悬置与普通式液压悬置的动刚度比较曲线。 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 01 02 03 04 05 06 0 f h z 堕! 塑塑壅墨聱鲢i 堕里j ! ! ! 塑剧鏖竖塑线 一 八十年代后期，人们开始设计半主动式，主动式动力总成悬置元件。现在己 成功开发出了半主动式和主动控制式液压悬置，并在四缸发动机上得到应用，取 得了令人满意的效果。半主动式液压悬置是根据输入信号，利用低功率作动器， 调整悬置的内部参数及其工作状态，优化其动特性，从而实现减振降噪的目的。 文献【4 】介绍了一种可调式液压悬置，其能在发动机怠速和发动机工作过程之间 调节阻尼特性。如图1 4 所示。文献【5 介绍了将电流变液体应用于液压悬置从 而实现半主动控制。此外，还有控制截流通道参数式液压悬置，控制气体弹簧压 力式液压悬置，控制液柱共振式液压悬置等。主动控制式液压悬置是利用控制单 元将外部振动输入信号转换，并通过作功器输出与外部激励同频等幅，反向响应， 以实现减振降噪目的的液压悬置。图1 5 为主动式液压悬置。文献 6 】【7 中讲 到主动式液压悬置的控制模型中作了如下假设：怠速工况下，车架是被认为是作 微幅振动的弹性结构，动力总成为刚体并通过悬置元件固定在车架上，液压悬置 是连接动力总成和车架的弹性元件，沿着其轴向传递力，动力总成为振源，因前 悬景支撑了动力总成重量的8 0 故从成本上考虑两个前悬置采用了主动式液压 悬置。文献【8 应用压电式助动器实现主动控制。文献 9 】着重研究了发动机怠速 大振幅条件下的主动控制。德国学者m u l l e r 等提出了主动吸振器。a s w a n s o n 对电动解耦主动控制式液压悬置进行了研究等等。 m a i nr u b b e t 1 ) c c o u p i e t 图1 - 4 可调式液压悬置图i - 5 主动式液压悬置 主动控制式液压悬置已经有了应用。同时，液压悬置也用到汽车的其它部位 如驾驶室等。图1 5 主动式液压悬置在开发液压悬置的同时，人们对液压悬 置进行了大量的理论分析和实验研究，因为液压悬置具有非线性刚度和阻尼，非 线性系统的分析方法应用到液压悬置的分析上来f l o 】。有限元方法也应用到橡胶， 液压悬置的分析上。文献 h i 对橡胶悬置应用商业性的非线性有限元分析软件进 行了参数化优化设计，以期达到系统对悬置刚度的要求；文献1 2 进行了液压悬 置的有限元建模。 综上所述，自第一个橡胶元件的产生，动力总成悬置元件结构由简单到复 杂，由普通的橡胶悬置到液压悬置，而液压悬置根据控制方式又由被动式到半主 动和主动控制式，这就是动力总成悬置元件发展的必然趋势。动力总成悬置的分 类如图卜6 所示。 1 3 液压悬置的评价与展望 汽车动力总成液压悬鼍是国际上八十年代迅速发展起来的隔振新技术，它 克服了橡胶悬置的缺陷，具有优良的动特性，可以明显降低整车振动和车内噪声 水平，提高乘坐舒适性，受到世界各国的重视，并得到用户的好评。现在液压悬 置不仅在轿车上逐步普及，并开始在客车，货车，以及包括船她，飞机，农用车 在内的移动式机械上应用。就其在汽车上的应用而言，液压悬置不仅用于动力总 成悬置，也开始用于独立悬架与车身连接处以及驾驶室悬置等重要隔报部位。因 此，液压悬置替代橡胶悬置是汽车技术发展的必然趋势，开展液压悬置的研究， 对提高国产汽车隔振技术水平具有重要意义。 液压悬置经过多年发展，结构日趋复杂，性能日趋完善。被动式液压悬置 的优点是：结构尺寸小，制造安装工艺简单，成本低，不消耗功率，可在某一段 时问内明显提高整车舒适性，目前得到较为广泛地应用。其中，如解耦盘式，解 耦膜式以及多室式液压悬置在不同程度上表现出优异性能，极具发展前途，应用 前景十分广阔。随着应用的日趋广泛，必然会出现结构更新。性能更为优异的被 动式液压悬置。此外，被动式液压悬置同时也是半主动式液压悬置和主动式液压 悬置的发展前提和基础，当前该予以重点研究。 半主动式液压悬置可根据输入信号调整液压悬置的动特性，应用表明其性 能明显优于被动式液压悬置，与主动式液压悬置相比，其控制理论比较成熟，成 本较低，结构简单，作动器消耗功率少。但半主动式液压悬置增加了控制机构， 使成本增加，结构尺寸增大，安装不便，因此虽然有应用的实例，尚未达到推广， 普及的程度。此外，半主动式液压悬置往往在某一频段有令人不满意的特性，尚 有待进一步完善和提高。 主动式液压悬置利用动力消振技术，系统响应速度快，减振效果明显优于半 主动式液压悬置，理论上可使车架振动响应为零。实验表明，它比应用开环控制 的半主动液压悬置的车内噪声降低5 - 1 0 d b ，代表了液压悬置的未来。目前主动式 液压悬置的主要问题是：传感器，控制单元，动力源和作动器技术要求较高，价 格昂贵，功率消耗大( 每个悬簧消耗1 5 w ，而半主动液压悬置仅为1 5 w ) 。而 且由于发动机机舱环境复杂，温度高，易于接触油污，易于损坏，不易维修，因 此鲜有应用的实例。未来的发展方向是降低主动式液压悬置复杂程度和成本，提 高系统的可靠性，以期得到应用。 液 j 矗 悬 冒 被 动 式 液 捱 悬 置 荫 室 式 液 压 悬 置 多 两 室 式 液 压 悬 置 简单液压悬置 惯性通道式液压悬置 解耦式液压悬置 多液室式液压悬置 气液式液压悬置 半主动控制式液压悬置 主动控制式液压悬置 图1 - 6 动力总成悬置的分类 腔外连通的液压悬置 腔内连通的液战悬置 解耦盘式液压悬置 解耦膜式液压悬置 解耦球阎式液压悬置 惯性通道式液压悬置 解耦式液旌悬置 液柱共振式液压悬置 解耦功能的气液悬置 温度补偿功能的气液悬置 控制节流通道的液压悬置 控制气体弹簧压力的液压悬置 控制液柱共振的液压悬置 利用电流变液体的液压悬置 1 4 悬置系统的发展历史和目前研究状况 悬置元件的研究只是动力总成隔振系统的一个基本问题，最终目标是确定 整个动力总成悬置系统的动态特性，设计出具有良好减振降噪功能的隔振系统 1 3 - 1 7 1 。人们对动力总成悬置系统做了大量的分析和研究工作。早期，人们通常 把悬置系统简化为单自由度振动系统( 如图1 7 ) ，该模型对于研究悬置元件本身 特性和隔振原理很有价值。但是发动机悬置是六自由度系统，如果仍以该模型来 研究悬置系统，则无法实现发动机悬置各模态之间的解耦。针对这个问题，二十 世纪七十年代由c k h d h a r a n 和d w w i n d s t e i n 提出了发动机悬置系统六自由度 的振动微分方程组： 阻】谚 + k 肛 = f ( 1 1 ) 并且对该振动微分方程组进行了固有振动特性计算。 6 图卜7 单自由度振动系统 二十世纪五十年代a n o n 和h a r i s o n 等人提出了应用撞击中心理论来实现系 统振动解耦，利用动力总成惯性主轴特性和撞击中心理论讨论了如何选取橡胶悬 胃的刚度和位置。七十年代初，z i b e l l o 和t h o m p s o n 等人将动力总成橡胶悬置、 驾驶室悬置等利用正交设计的方法得到了比较满意的刚度和阻尼值。 j o h n s o n 在1 9 7 9 年首次将优化理论用于悬置系统的设计，它是以实现固有 频率的合理匹配和系统各自由度之间实现振动解耦为目标。从理论上分析，利用 斜置式和会聚式的布置方式可以实现完全解耦( 如图卜8 ) ，但由于受到空间的限 制很难实现，如果使前后悬置系统的弹性主轴与动力总成滚摆轴线重合，可实现 部分解耦( 如图卜9 ) 。上述方法一般适用于纵向对称的发动机前置后驱动式动 力总成系统。 ，。、。材。气 蠹骖 7 豳i - 8 完全解耦的布置形式图1 - 9 部分解耦的布置形式 运用能量解耦法，可以对发动机前置前驱动的悬置系统进行优化设计；运用 机械阻抗法对系统进行优化分析时，可得到系统的动态特性，根据振动理论，它 需要将系统转化为模态坐标系，这种方法对具有结构阻尼的橡胶悬置系统比较理 想。但是对于动力总成液压悬置系统的优化设计，1 9 9 4 年s k a n o 和s h a y a s h i 提出了以系统振动传递率为最小的目标函数。 国内关于悬置系统的研究起步较晚，始于二十世纪八十年代初由清化大学 和二汽共同合作研究，首次利用发动机六自由度模型开展研究，在消化国外研究 成果的基础上，给出了动力总成有关参数的测试方法和试验装置，编制了固有频 率和固有振型的计算程序，取得了一些基础性研究成果，随着计算机和测试仪器 的快速发展，他们的研究成果还是有相当的参考价值。但是同国外相比较还存在 一定的差距，还没有形成完整的悬置元件设计试验和悬置系统参数化分析和设计 的理论和方法。 1 5 悬置系统对整车振动的影响 无论研究悬置元件，还是悬置系统，最终目标是最大限度地减少发动机振 动向车体的传递、提高乘坐舒适性、改善整车的n v h 特性，所以说只有把动力 总成悬置系统放在整车动力学模型中来研究才有实际意义i t s _ “】。1 9 8 2 年德国学 者g e r l l ：a r dd o d i b a c h e r 在整车建模时考虑动力总成悬置系统，建立了平面七自由 度模型( 如图卜1 0 ) 。1 9 8 4 年美国伊立诺伊大学博士k e v i na w i s e 在整车建模 时同时考虑了动力总成悬置系统和驾驶室悬置系统，分析了悬置系统参数的改变 对汽车行驶平顺性的影响。在建模和优化时，国外已由平面模型发展为三维立体 模型，如l m s 公司研究轿车动力总成悬置系统的低频振动特性的三维模型( 如 图1 一1 1 ) 。 砘= ：= 蠢。 、 ，_ 瓣 ，： 目1 - 1 0 平面七自由度模型图卜1 l 动力总成悬置系统的三维模型 国内在二十世纪八十年代后期，清化大学研究人员建立了由车桥、车架( 车 身) 、发动机、驾驶室等子系统结构构成的整车八自由度系统模型，提出了各子 系统问的合理匹配和振动转移的新观点。近年来，各大汽车厂家、科研院所和悬 置配套厂家经过共同努力，这方面的研究取得了一定的成果，但是还有许多新的 课题需要去进行深入研究和不断完善。 1 6 本文的研究内容和意义 在对动力总成一液压悬置系统隔振特性的研究中，必须进行一系列的实验研 究。为了指导我们设计实验方案和分析实验结果，有必要先搞清楚悬置的具体布 置方式。液压悬置在实车上一般做平行布置，而传统的橡胶悬置又总是做倾斜安 装( 又称v 型布置) 。为了弄清楚不同安装方法的根本区别，就必须以悬置隔振 技术的发展及其理论进行研究和分析。同时对液压悬置元件在怠速和高速工况下 的隔振性能进行研究分析和实验，为以后的动力总成一液压悬置系统的设计分析 打下必要的基础。综上所述，本文的研究内容和意义是： 一，给出汽车动力总成隔振悬置的设计思想，阐述所用到的撞击中心理论， ，味鹊 。麓。 介绍了v 型悬置系统的特点，以及悬置刚度耦合对动力总成刚体振动的影响， 并对平行布置与v 型布置进行了比较。 二，结合液压悬置样件就其结构和工作原理进行较详细地分析，然后给出其 动特性的定义。建立了液压悬置的等效动力学模型和橡胶悬置的力学模型，在此 基础上建立了动力总成6 自由度的力学模型。分析了发动机激励的特点，并运用 a d a m s 软件进行了动力总成液压悬置系统的怠速和高速工况下的振动响应计 算，绘制了此两种工况下动力总成质心在时域和频域的z 向加速度运动响应曲 线以及绕x 轴方向的角加速度运动响应曲线，后左，后右液压悬置，前橡胶悬 置的动反力曲线以及各悬置在怠速，高速工况下的加速度功率谱密度曲线。最后 还计算出动力总成液压悬置系统怠速工况下的振动传递率并分析了其隔振性能。 三，通过实车实验研究，对动力总成液压悬置系统的隔振性能进行了分析。 从功率谱角度分析和比较了仿真和实验结果，通过比较发现，仿真结果与实验结 果是吻合的，这说明对于动力总成液压悬置系统采用a d a m s 软件通过建模和 仿真计算来研究液压悬置系统的隔振性能的方法是可靠的积有效的，为以后对动 力总成液压悬置系统隔振性能的研究提供了有价值的参考依据。 9 第二章汽车动力总成隔振悬置布置设计理论 以内燃机为动力源的汽车动力总成振动是汽车的主要振源之一。它不仅影 响动力总成及其附件的使用寿命，而且对汽车的舒适性( 振动和噪声特性) ，甚 至汽车的安全性和操纵稳定性都有不利的影响。汽车动力总成振动的隔离技术 已经经历了很长的发展过程，由最初的动力总成与车架刚性连接，到本世纪初 在动力总成和车架之间加柔性物件来减少和防止对曲轴箱，发动机支架的破坏， 再到二十年代利用橡胶隔离和吸收振动的特点来降低动力总成振动向车体的传 递，直到七十年代末开始出现的液压悬置减振技术。在这近一个世纪的发展历 程中，无论是动力总成的振动隔离思想，还是隔振元件及材料本身，都不断得 到发展和完善。本章将对动力总成悬置隔振系统的设计思想做些总结和分析， 旨在为该悬嚣系统的设计提供一套比较完整的理论依据。 2 1 撞击中心理论的应用 为了叙述的方便，首先对动力总成建立曲轴坐标系o x y z ，主惯性轴坐标 系o x ，巧z ，扭矩轴坐标系o x ，弓乙，如图2 - 1 所示。其中，0 为动力总成质 心，x 轴平行于发动机曲轴轴线并指向发动机前端，z 轴与汽缸中心线平行并 指向缸盖，y 轴按右手定则确定。彳，耳z ，为动力总成的三根相互正交的主惯性 轴，当把动力总成视为具有纵向对称面的刚体时，y 轴与n 轴重合。由于一般 动力总成上x 轴与z ，并不重合，有一定夹角，因而动力总成在波动倾覆力矩 的作用下，并不绕主惯性轴x 。摆动，而是绕一根通过质心的特殊轴摆动，该轴 就称为扭矩轴，即图2 1 中所示的彳，轴。z ，轴夹在x 轴和z ，轴之问，其位置 由动力总成的三个主转动惯量以及三根主惯性轴在曲轴坐标系中的方向余弦来 唯一确定l 。它相对于曲轴坐标系的方向余弦是： c 。s 口t = c 。s d 。+ c 。s d 如。；：鬻+ c o s 口z p ，了j 瓦x p 。0 s o r z p c 。s 卢l = c 。s 口“+ c 。s b 了j i x p _ * 瓦c o s 9 y p q - c o s flz，了j乏xe瓦。cosozp c o s g x ，= c o s ，却+ c o s y h j x p 。c o s ( z z p j z p c o s t 2 x p 式中：c z x r , ，y 一为扭矩轴盖，相对于x ，y ，z 轴的方位角；口一，风，y 一， 鬻 ( 。岛，。；口。，z ，乃) 为主惯性轴工，( 匕，z ，) 相对于，y ，z 轴的方位角； j 。，( ，b ) 为动力总成绕主惯性轴x r ( y p ，z ，) 主转动惯量。扭矩轴的方位也 可由实验来测定2 ”。 x x 图2 - 1 坐标系 橡胶悬置有三根相互正交的主刚度轴u ，v 。s 。三根主刚度轴的交点0 称 为悬置的弹性中心。所谓动力总成悬置的平行布置，是指各个悬置的三个主刚 度轴u ，v ，s 必须对应平行于曲轴坐标系的x ，y ，z 轴。所谓v 型布置( 又 称倾斜布置) 是指每个悬置的三个相互正交的主刚度轴中，u 轴平行于曲轴坐 标系中的x 轴，v 轴和s 轴分别与y 轴和z 轴成一夹角口。 v 圈2 - 2 悬置的主刚度轴 利用剐体的撞击中心理论来布置汽车动力总成的前，后悬置是一个有效的 方法。在1 9 4 9 年美国生产的几种汽车上，就开始应用撞击中心理论来确定动力 总成的前，后悬置的位置，并取得了良好的效果 2 7 1 。如图所示，为使a ，b 两 点互为撞击中心( 共扼点) ，就必须满足如下条件： q a 2 = m ( 2 2 ) c g 图2 - 3 撞击中心a ，b 式中i ，为绕通过质心的y 轴的转动惯量：m 为刚体质量：d ，口，为a ，b 两点到质心的水平距离。为此，他们把传动轴的第一个球形万向节用弹性悬置 支撑在车架上，作为动力总成的后悬置。然后把前悬置布置在后悬置互为撞击 中心的共扼点上，同时保持前面两个悬置的v 型布置特点。这样，就使因路面 冲击传到动力总成前悬置的剧烈扰动引起的万向节处的响应最小；反过来，也 使由传动轴传到后悬置的因路面激励造成的扰动在前悬置处引起的响应最小。 同时还发现，将撞击中心平面内做v 型布置的两前悬置提高到动力总成重心所 在的水平面内，可以提高动力总成的稳定性和汽车的乘坐舒适性1 2 7 1 。这就是撞 击中心理论在汽车动力总成悬置设计的最好应用。 1 9 5 6 年h a r r i s o n f 2 8 1 应用撞击中心理论和基于扭矩轴的解耦理论进行悬置的 设计计算。首先找出扭矩轴，使两前悬置的弹性中心落在扭矩轴线上，以使垂 向，横向和横摇三自由度之间的耦和刚度为零：然后以扭矩轴为基准，把前， 后悬置布置在互为撞击中心的共扼点上。这种方法很巧妙，且在当时计算工具 不甚发达的情况下，确实不失为一种简便，有效的悬置设计方法。 对于受较大往复不平衡惯性力扰动的动力总成( 如四缸四行程发动机) ，应 把前悬置布置在往复不平衡的惯性力的中心处，后悬置布置在与前悬置互为撞 击中心的共扼点上1 2 ”，使往复不平衡惯性力不会引起后悬置的过大响应。这种 布置尤其适合于前面采用液压阻尼式橡胶悬置，后端仍采用传统橡胶悬置的动 力总成隔振系统，这样可以充分发挥液压悬置在低频时的大阻尼，高频时的低 动刚度特性的高效隔振缓冲作用。 考虑到动力总成和车身( 车架) 的弹性弯曲振动模态时，对前，后悬置的 布置又提出了更多的要求。仅考虑动力总成的垂向第一阶弯曲振动模态时，如 果使前，后悬置分别位于模态的两个节点上，如图2 4 所示，则动力总成的一 阶弯曲共振不会传递到车架上，车架的高频弯曲振动也不会激起动力总成的一 阶弯曲共振，既可显著提高汽车的舒适性，又改善了动力总成的工作条件和使 用寿命。 图2 - 4 动力总成弯曲振动简图 另一方面，车身的弯曲振动会加强动力总成怠速时的抖动，而且其节点位 置对怠速抖动有显著影响口0 1 。研究表明，弯曲振动节点在后悬置之后可减小动 力总成振动对乘坐舒适性的影响。但随频率升高，该节点会前移。因为在车身 的弯曲共振频率跗近，车身的振动包含两个模态一个绕车架撞击中心的纵 摇刚体模态和一个弯曲模态。该弯曲模态在弯曲共振频率前，后要反相，两模 态叠加的结果使得节点在共振频率前后要改变位置。随频率升高，节点前移。 为了保证该节点位于后悬置之后，就应当使怠速时的主要激励频率低于车架的 一阶弯曲共振频率。这就要求尽量提高车架的阶弯曲共振频率，拉开与怠速 时主要频率之间的距离。例如在车架上装用动力吸振器就是一种可行的方法， 它可使车架的一阶弯曲共振频率升高【3 “。 可见，仅悬置在纵向的布置就要兼顾到多方面的影响。每考虑到一个影响 因素就会收到一份效果。然而在一个具体的动力总戍隔振设计中，完全满足上 述各方面的要求是比较困难的，甚至是不可能的。究竟应当优先考虑哪些因素， 需根据具体情况来定，或通过实验确定。当然如果能有一套比较完整的设计， 计算方法就会大大减轻工作量。 2 2v 型悬置系统的发展与应用 支撑在悬置上的动力总成刚体有六个自由度三个平动自由度和三个转 动自由度。由理论力学可知，动力总成绕三根主惯性轴的主转动谈量相对于其 它非主惯性轴达到极小值，因而改变动力总成绕三根主惯性轴的角运动状态的 力也较小。但由于主惯性轴x 。与x 轴之间有夹角，一般在0 。一1 5 。之间1 ，在 波动倾覆力矩作用下，动力总成将绕扭矩轴x ，摆动。一般扭矩轴与主惯性轴x ， 之间的夹角较小，如1 9 4 9