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汽车动力总成悬置系统优化设计及动特性分析 摘要 动力总成悬置系统连接动力总成与车架或车身，是隔离振动的重要元件。 通过对悬置系统的设计与参数匹配可以减弱动力总成与车身之间的振动传递， 降低车内噪声，从而提高乘坐舒适性，改善整车n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n d h a r s h n e s s ) 性能。 本文结合“国家8 6 3 计划项目“轿车集成开发先进技术一一汽车n v h 控制技术 子课题“动力总成噪声振动控制技术( 编号：2 0 0 6 a a l1 0 10 1 ) ， 对动力总成悬置系统进行优化设计，并对各个悬置元件的动特性进行研究，具 有一定的工程应用价值。 首先，在对动力总成悬置系统研究的理论基础上，通过用数学软件 m a t l a b 编写程序与机械系统动力学分析软件a d a m s 建模两种方式，对悬置 系统进行仿真计算，验证模型的准确性。并对悬置系统的固有频率、能量分布 及受力情况进行分析。 其次，以能量解耦为目标，以各悬置的刚度为变量，考虑频率分布，振动 位移等约束，采用遗传算法对悬置系统进行优化，使系统解耦度大大提高，频 率分布更加合理。设计各悬置的性能曲线，使动力总成在各种工况下的位移满 足要求，以保护动力总成。建立整车模型，对整车中悬置系统的隔振性能进行 分析。 再次，应用有限元方法对动力总成的悬置元件进行性能分析。由于橡胶材 料的非线性，应用非线性有限元进行分析。对于液压悬置，应用流固耦合理论， 分别建立液压悬置中各部件的有限元模型，计算橡胶主簧静刚度及上液室体积 刚度。建立完整的液压悬置模型，分析其静态及动态特性。 关键词：动力总成悬置系统能量解耦液压悬置流固耦合 t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fp o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m a b s t r a c t p o w e r t r a i nm o u n ts y s t e mc o n n e c t s p o w e r t r a i n a n dv e h i c l e b o d y , i s a n i m p o r t a n tc o m p o n e n tt o i s o l a t ev i b r a t i o n t h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o nb e t w e e n p o w e r t r a i na n dv e h i c l eb o d yc a nb er e d u c e dt h r o u g hd e s i g na n dm a t c h i n gt h e p a r a m e t e r so fp o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m a n dn o i s ei n s i d et h ec a rc a nb el o w e r e dt o i m p r o v er i d ec o m f o r ta n dn v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) p e r f o r m a n c e t h et h e s i si sb a s e do nt h es u b - p r o j e c t “c o n t r o lt e c h n o l o g yf o rv i b r a t i o na n d n o i s eo f p o w e r t r a i n o fv e h i c l e i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t a d v a n c e d t e c h n o l o g y c o n t r o l ：c o n t r o lt e c h n o l o g yo nv e h i c l en v h ”，ap r o j e c to f n a t i o n a l a d v a n c e d t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a n ”t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e so p t i m a l d e s i g no np o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m ，a n dh a sr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i co fe a c h m o u n t t h er e s u l ti so f g r e a tv a l u ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i r s t ，b a s e do nt h e o r yo fp o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m ，m o d e lo ft h es y s t e mi s m a d eb yt w ow a y s ：w r i t i n gp r o g r a mb ym a t h e m a t i c a ls o f t w a r em a t l a ba n d m o d e l i n gb ym 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 s s o f t w a r ea d a m s t h e s i m u l a t i o nr e s u l tv a l i d a t e sa c c u r a c yo ft h em o d e l a n dn a t u r a lf r e q u e n c y ，e n e r g y d i s t r i b u t i o na n ds t r e s ss t a t ea r ea n a l y z e d s e c o n d ，t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tt h ee n e r g yd e c o u p l i n g ，t a k e st h es t i f f n e s so f e a c hm o u n ta sv a r i a b l e ，c o n s i d e r st h en a t u r a lf r e q u e n c yd i s t r i b u t i o na n dv i b r a t i o n d i s p l a c e m e n ta n du s e sg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h em o u n ts y s t e m t h er e s u l t s h o w st h a td e c o u p l i n gd e g r e eo ft h es y s t e mi si n c r e a s e d ，a n df r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n i sm o r er e a s o n a b l e t h ep e r f o r m a n c ec u r v eo f e a c hm o u n ti sd e s i g n e dt om a k es u r e t h a tt h ed i s p l a c e m e n to f p o w e r t r a i ni ss a t i s f a c t o r yi na l l w o r kc o n d i t i o n t h e i s o l a t i o np e r f o r m a n c eo fm o u n ts y s t e mi sa n a l y z e di nf u l lv e h i c l em o d e l t h i r d ，p e r f o r m a n c eo ft h em o u n ti sa n a l y z e dw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d n o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tm e t h o di su s e df o rt h en o n l i n e a r i t yo fr u b b e rm a t e r i a l t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fh y d r a u l i ce n g i n em o u n t ( h e m ) w a se s t a b l i s h e db a s e d o nt h ef l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o nt h e o r y t h es y s t e mp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d ，a n d t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca r es i m u l a t e d k e y w o r d s ：p o w e r t r a i n ；m o u n ts y s t e m ；e n e r g yd e c o u p l i n g ；h y d r a u l i ce n g i n e m o u n t ：f l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t io n 插图清单 图1 1 常用橡胶悬置的结构型式5 图1 2 橡胶悬置的动刚度5 图1 3 橡胶悬置的阻尼滞后角5 图1 4 常用的橡胶悬置6 图1 5 惯性通道式液压悬置结构图7 图1 - 6 解耦盘式液压悬置结构图7 图1 7 节流盘式液压悬置结构图8 图1 8 常用的液压悬置8 图2 1 主惯性轴与扭矩轴的位置关系1 2 图2 2 撞击中心原理图1 3 图2 3 单自由度系统隔振原理1 5 图2 4 单自由度隔振系统传递率曲线1 6 图3 1 本文的研究思路1 8 图3 2 动力总成悬置系统的力学模型图1 9 图3 3 悬置元件的力学模型1 9 图3 4 发动机坐标系2 7 图3 5 变速箱坐标系2 7 图3 - 6 左悬置( 橡胶悬置) 2 9 图3 7 右悬置( 液压悬置) 2 9 图3 8 后上悬置2 9 图3 - 9 后下悬置2 9 图3 10 后悬置一2 9 图3 1 1 左右悬置与扭矩轴位置关系一3 0 图3 1 2 各悬置的安装位置一3 0 图3 13a d a m s 所建模型一3 3 图3 1 4 动力总成质心x 方向振动曲线3 6 图3 1 5 动力总成质心y 方向振动曲线3 6 图3 16 动力总成质心z 方向振动曲线3 6 图3 1 7 左悬置受力曲线3 6 图3 1 8 左悬置位移曲线”3 6 图3 19 右悬置受力曲线3 7 图3 2 0 右悬置位移曲线3 7 图3 21 后上悬置受力曲线3 7 图3 2 2 后上悬置位移曲线3 7 图3 2 3 后下悬置受力曲线3 7 图3 2 4 后下悬置位移曲线3 7 图4 1 遗传算法基本流程图- 4 2 图4 2 优化模型”4 2 图4 3 原悬置工作时的频响函数曲线4 4 图4 - 4 改进后悬置工作时的频响函数曲线4 4 图4 5 原悬置工作时的频响函数曲线4 4 图4 6 改进后悬置工作时的频响函数曲线4 4 图4 7 悬置的力位移非线性特性4 5 图4 8 左悬置性能曲线一4 6 图4 9 右悬置性能曲线4 6 图4 10 后上悬置性能曲线4 6 图4 1 1 后下悬置性能曲线4 7 图4 1 2 动力总成模型一5 0 图4 1 3 前悬架模型5 1 图4 1 4 后悬架模型一5 1 图4 1 5 转向系统模型5 1 图4 1 6 横向稳定杆模型”5 l 图4 1 7 轮胎模型5 1 图4 18 制动系统模型一51 图4 1 9 车身模型5l 图4 2 0 整车模型“5 l 图4 2 1 方向盘中心垂向振动加速度5 2 图4 2 2 座椅垂向振动加速度“5 2 图4 2 3 方向盘中心垂向振动加速度均方根值5 3 图4 2 4 座椅垂向振动加速度均方根值5 3 图5 1 材料构型、空间构型及参考构型关系图”5 5 图5 2 橡胶力、位移的时间曲线5 7 图5 3 橡胶的力位移曲线5 7 图5 4 左悬置c a t i a 三维实体模型5 8 图5 5 左悬置h y p e r m e s h 有限元模型- 5 8 图5 - 6 施加约束的左悬置有限元模型5 9 图5 7 左悬置变形前“5 9 图5 8 左悬置变形后5 9 图5 - 9 左悬置应力图5 9 图5 1 0 左悬置z 向力位移曲线- 5 9 图5 1 1 橡胶主簧剖面图一6 0 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 15 图5 1 6 图5 17 图5 18 图5 19 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 图5 - 2 4 图5 2 5 橡胶主簧变形图6 0 橡胶主簧z 向静刚度6 0 橡胶主簧流固耦合有限元模型6 l 上液室流固耦合有限元模型6 l 上液室体积刚度6 1 上液室节点压力分布图6 l 橡胶主簧及橡胶底膜模型6 2 上下液室及惯性通道模型6 2 液压悬置静刚度一6 2 橡胶主簧及橡胶底膜应力分布6 3 上下液室及惯性通道压力分布一6 3 动反力随位移变化曲线6 3 液压悬置动刚度6 4 液压悬置滞后角一6 4 表格清单 表3 1 弹性主轴与坐标轴的夹角一2 2 表3 2 发动机参数一2 7 表3 3 变速箱参数2 7 表3 - 4 发动机坐标系位置2 7 表3 5 变速箱各档速比和主减速比“2 7 表3 6 整车坐标系中发动机与变速箱质心位置2 8 表3 7 动力总成的参数2 8 表3 8 各个悬置的位置“3 l 表3 - 9 悬置系统的刚度”3l 表3 1 0 动力总成悬置系统的振动频率和能量分配( m a t l a b ) 3 2 表3 1 1a d a m s 模态分析结果一3 3 表3 1 2 动力总成悬置系统的振动频率和能量分配( a d a m s ) 一3 4 表3 1 3m a t l a b 与a d a m s 建模的频率差别一3 4 表3 1 4m a t l a b 与a d a m s 建模的能量百分比差别3 4 表3 1 5 动力总成质心与各悬置怠速振动位移与受力一3 8 表4 1 优化后悬置系统的刚度4 3 表4 2 优化前后悬置系统刚度对比4 3 表4 3 优化后悬置系统的振动频率和能量分布4 3 表4 4 左悬置限位点一4 6 表4 5 右悬置限位点4 6 表4 6 后上悬置限位点一4 6 表4 7 后下悬置限位点4 7 表4 8 动力总成质心位移4 7 表4 - 9 左悬置位移与受力4 8 表4 1 0 右悬置位移与受力4 8 表4 1 1 后上悬置位移与受力一4 9 表4 一1 2 后下悬置位移与受力4 9 表4 1 3 方向盘中心垂向振动加速度均方根值5 2 表4 1 4 座椅垂向振动加速度均方根值5 2 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，除了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e 曼王些太堂 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：拷第签字同期： 2 0 1 0 年弓月均同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些太堂有关保留、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 金目曼工些太堂 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：王着、珞导师签名：7 季无最 签字f 1 期：2 0 10 年月乃同签字r 期：2 0 10 年月珥同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师陈无畏教授以及课题组王其东教授和方敏 教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在研究生学习即将结束之际，谨向辛勤 教导培育我的老师们致以崇高的敬意和诚挚的感谢! 深深感谢敬爱的老师们为 我的成长所倾注的心血。 感谢我的导师陈老师，本科毕业设计期间，以及我攻读硕士学位的三年时 间里，得到了陈老师的精心指导和耐心帮助。陈老师渊博的理论知识，严谨求 实的治学作风，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情，无私奉献的工作 精神，时刻感染教育着我。此外，他对学生日常生活的关怀，对学生的理解和 宽容让我深受感动。在此，真诚的祝福陈老师一生平安幸福。 感谢我亲爱的父母及我的兄弟姐妹，他们的无私奉献、支持鼓励使我能够 全身心地投入到学业和科研中，他们对我的殷切期望始终是我奋斗的动力，他 们的恩情，无以言表，唯有用一生去报答。 特别感谢我的朋友王震给我的指导，以及在写论文期间给予我的无私帮助 及支持。 感谢祝辉、王檀彬、赵林峰、刘翔宇、秦炜华、何艳则、朱茂飞、夏光、 李芳龙、王琪明、夏云峰、杨军、陈晓新、王磊、王家恩、李健、汪东斌、高 新颖、黄鹤、郝芳芳以及格物楼4 1 2 、4 1 0 和1 0 8 所有的兄弟姐妹们在课题研究 及论文写作期间给予我的帮助。 感谢我的室友王雪平、柏林、王悦在生活上给予我的帮助和包容。在此， 祝愿他们生活快乐、事业有成! 感谢机械与汽车工程学院的各位老师在我硕士研究生阶段给予我的教导! 最后，向所有关心和支持我完成硕士学业的老师、亲人、朋友和同学表达 我最真诚的祝愿，愿他们永远幸福，快乐。 作者：王景蓉 2 0 1 0 年3 月2 3 日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着汽车技术的发展，汽车各项性能迅速提高，发动机功率也不断增加， 随之而来的是噪声振动的加剧。发动机的振动激励，如气缸内的燃烧压力、不 平衡惯性力以及发动机启动时产生的冲击均有所增加。由于能源的紧缺，汽车 轻量化设计成为发展趋势。结构质量的减少，使结构承受振动和冲击的能力降 低。车身刚度的降低，导致发动机向车身传递的振动强度增加，引起车内噪声 加剧。动力的增加和重量的减小对汽车的振动噪声产生了不利影响，严重影响 了整车的乘坐舒适性。 乘坐舒适性是汽车的主要性能指标之一，汽车的振动噪声对乘员的乘坐舒 适性造成了严重影响。发动机在提供动力的同时，也带来了巨大的噪声振动 1 - 4 j ， 其振动通过动力总成悬置系统传递给车身，引起车身振动并辐射到车厢内，使 车内空气共振，从而产生噪声，使整车的n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 特性变差f 5 儿引。改善乘坐舒适性，除了考虑主要振动噪声源发动机，从源头上 减少振动噪声的产生，如何隔离传递到车身的振动也成为汽车减振降噪不可忽 视的问题。动力总成与悬置支架连接，悬置又通过支架与车身或车架连接，因 此悬置系统在隔离动力总成与车身之间振动传递方面起着重要的作用。通过对 悬置系统进行设计与匹配可以减弱动力总成传递到车身的振动，同时降低高频 结构噪声的传递，从而提高乘坐舒适性。因此悬置系统的研究成为整车设计中 一个必不可少的重要环节1 7 儿引。 关于悬置系统的研究，主要有三方面内容：悬置元件的本身结构及性能的 研究，悬置系统优化设计的研究，以及动力总成与整车之间振动及噪声传递的 研究。目前国内很多汽车厂家并没有完整的动力总成悬置系统设计方案，通常 由悬置生产厂家提供多套悬置，对各套悬置系统的隔振降噪效果进行对比。由 于在设计初期没有对动力总成悬置系统的位置和刚度等性能参数进行优化设计 及匹配，通常无法达到理想的隔振降噪效果。如果在样车生产出来之后对结构 进行修改，往往不易实现，并且造成不必要的浪费和损失。因此在汽车设计初 期对悬置系统进行设计，建立完整的设计开发流程，提高悬置系统的自主开发 能力，对我国汽车企业的发展意义重大。 1 2国内外发展现状 1 2 1悬置元件的国内外研究现状 随着汽车技术的发展，人们对舒适性要求的提高，动力总成与车身之间的 连接方式也不断变化，主要经历了刚性连接、橡胶悬置、被动式液压悬置、半 主动控制式液压悬置和主动控制式液压悬置等阶段。 汽车发展最初，动力总成与车架之间通过螺栓连接。由于螺栓是刚性的， 因此发动机的振动没有衰减就传递到车架，同时路面激励引起的车架振动和变 形也完全作用于动力总成。大的冲击力无法得到缓冲，造成汽车零部件的损坏。 经过改进，用皮革、布垫、软木等代替螺栓作为动力总成和车架的连接件，不 过隔振效果并没有明显的改善。但是从刚性件到柔性件的转变，为以后悬置的 发展提供了思路，柔性连接成为发展方向。 2 0 世纪2 0 年代，开始采用橡胶件来连接动力总成和车架，并在3 0 年代有 了专利。利用橡胶的减振特性来吸收和隔离动力总成的振动，提高发动机与其 他部件的使用寿命。后来由于四缸发动机的广泛应用，其强烈的二阶不平衡惯 性力造成动力总成的振动更加明显，严重影响了整车舒适性与耐久性【9 j 。因此， 动力总成的减振降噪问题开始备受关注。通过将橡胶硫化到金属骨架上，设计 了各种不同的橡胶悬置元件。橡胶悬置结构简单，成本低，但是橡胶本身的特 性决定了其动刚度和滞后角随频率呈线性变化，无法满足汽车各种工况对悬置 元件的隔振要求。 随着汽车设计水平的提高，发动机振动对整车舒适性的影响逐渐凸显出来。 2 0 世纪4 0 年代，美国的r i c h e rh a r d i n g t l 0j 和s t r a c h o u s k y 1 1j 利用液压减振的原 理，将液压减振机构应用于橡胶悬置中i l 引。6 0 年代，美国通用汽车公司的 r i c h a r dr a s m u s s e n 发明了液压悬置，并获得专利【l3 1 。7 0 年代末，国外的轿车 开始采用液压型橡胶悬置。1 9 7 9 年，德国a u d i 公司首次将液压悬置用于实际 车辆，并取得了良好效果【1 4 1 。与橡胶悬置相比，液压悬置在低频具有高刚度大 阻尼，在高频具有低刚度小阻尼，能起到良好的隔振效果。因此，8 0 年代以来， 液压悬置的研究和开发成为研究热点，得到迅速发展，并在动力总成隔振技术 中占有重要地位。液压悬置的发展不断完善，经历了惯性通道式液压悬置，解 耦盘式液压悬置，节流盘式液压悬置。其基本原理是在橡胶悬置的基础上增加 液体内腔，利用液体在悬置内流动产生阻尼，从而使悬置呈现非线性 l5 。 被动式液压悬置在高频下的动态硬化使悬置高频时的减振降噪能力有限， 无法满足现代高级轿车的舒适性要求。随着控制理论的发展以及在液压悬置上 的应用，逐渐出现了半主动和主动控制式液压悬置。1 9 8 3 年，日本m i t s u b i s h i 公司开始采用半主动控制式液压悬置，通过调节节流孔的开度来改变悬置动特 性【l 引。1 9 8 7 年，美国a v o n 公司通过控制气体弹簧气压来调整液压悬置的动特 性，并开始研究主动控制式液压悬置【i 列。这标志着液压悬置由被动式向半主动 和主动控制方向发展。控制式悬置可根据汽车行驶工况实时调节悬置的结构参 数，以获得良好的动态特性，在尽可能大的频率范围内实现隔振降噪，获得理 想的隔振性能。 与国外相比，国内的悬置元件研究技术还不够成熟，液压悬置的研究还处 于起步阶段，亟待对有关的设计理论及应用进行深入、系统的研究，因此对悬 2 置元件特性的研究意义重大。 动力总成悬置元件从无到有，结构从简单到复杂，从橡胶悬置到液压悬置， 从被动式悬置到主动控制式悬置，随着汽车技术的发展，人们对舒适性要求的 提高，悬置元件的性能会不断提高，隔振降噪效果也会日益完善。 1 2 2悬置系统的国内外研究现状 性能良好的悬置元件虽然可以提高悬置系统的隔振性能，但由于结构，生 产工艺，成本，技术水平等条件的制约，很难实现其理想的特性。而且悬置系 统由多个悬置元件组成，各个悬置的性能，安装位置等因素也对整个悬置系统 的隔振性能有很大的影响。因此，对动力总成悬置系统进行优化设计，选择合 理的悬置刚度，安装位置，安装角度等参数，匹配悬置系统的固有频率，也是 改善系统隔振性能的重要手段。国内外学者对动力总成悬置系统进行了深入的 理论和实际应用研究，并取得了很大进展。 2 0 世纪5 0 年代，h a r i s o n 和h o r o v i t z 等人综合应用扭矩轴解耦的方法和撞 击中心理论对悬置系统进行设计。将前悬置弹性中心布置在扭矩轴上，后悬置 布置在前悬置的撞击中心处，使前后悬置振动互不影响。同时还提出了当系统 主要振动方向的固有频率小于怠速时相应激励频率的1 3 时，可以获得较好的 减振效果i l 引。 1 9 7 9 年，美国通用汽车公司的s t e p h e nr j o h n s o n 对悬置系统的安装位置和 刚度进行优化，同时考虑系统的固有频率和各自由度之间解耦程度，减少了系 统各自由度之间的振动耦合【l 引。 1 9 8 4 年，美国福特汽车公司的p e g e e k 和r d p a t t o n 将悬置系统与整车系 统联系起来，考虑了悬置系统对整车噪声振动的影响，悬置系统的优化设计理 论得到进一步完善1 2 0 1 。 8 0 年代，国内清华大学徐石安提出了降低振动传递率，以悬置点处反作用 力幅值最小为目标，并适当控制系统固有频率进行优化，取得良好效果1 2 i i 。文 献【2 2 1 中，上官文斌和蒋学锋引入了扭矩轴的概念，在扭矩轴坐标系中建立优 化模型，以悬置系统的固有频率为目标函数，综合考虑系统解耦，撞击中心原 理以及一阶弯曲模态节点进行优化，具有很高的工程实用价值。文献 2 3 2 4 】 中，指出结构上缺少明确对称面的发动机，主惯性轴与曲轴之间夹角较大，不 适合用扭矩轴法。并提出了能量解耦法，使任意自由度都能方便解耦。文献 2 5 】 中，史文库等人建立了1 6 自由度整车动力学模型，同时考虑动力总成与副车架 的自由度，研究了悬置系统的隔振性能对整车振动的影响。文献 2 6 1 1 2 7 】中，将 发动机悬置看作支承在弹性基础上，重点分析了弹性基础在发动机悬置系统隔 振方面的作用，得出发动机悬置支承的弹性作用是使悬置振动传递率曲线上扬 的主要原因，也是使高频隔振效果变差的原因。 可以看出，国内外研究学者主要应用撞击中心理论和能量解耦等原理，从 固有频率、悬置位置和刚度等方面来考虑悬置系统的减振功能，以达到隔振的 目的。 1 3悬置元件的结构及工作原理 从动力总成悬置的发展可以看出，主要经历了橡胶悬置，被动式液压悬置， 半主动控制式液压悬置和主动控制式液压悬置几个阶段。由于成本及可靠性等 原因，目前大部分汽车上采用的是橡胶悬置和被动式液压悬置。 1 3 1 橡胶悬置 1 3 1 1 橡胶悬置的优缺点 由于结构简单，成本低，可靠性高等特点，橡胶悬置元件目前应用最为广 泛。一般由橡胶与金属骨架硫化而成。橡胶通过受力产生弹性形变起到衰减振 动降低噪声的作用，金属骨架则用来防止橡胶悬置产生过大的变形并用于连接 动力总成。通过调整橡胶的尺寸及加限位块等方式来改变悬置各个方向的刚度。 橡胶悬置的优点为： ( 1 ) 橡胶悬置在轴向、横向、纵向及回转方向上均有隔振性能，且可以适 当改变橡胶悬置的形状及尺寸以达到希望的刚度，刚度选择余地大【2 引。 ( 2 ) 橡胶分子之间，以及橡胶分子与填充剂之间的内摩擦所产生的阻尼可 以较好的衰减振动。 ( 3 ) 通过结构强化、加限位块等方法，可以得到所需的非线性特性。 ( 4 ) 结构简单可靠，维修方便，价格便宜。 同时，橡胶悬置也存在以下缺点： ( 1 ) 橡胶悬置的动刚度和阻尼滞后角随频率变化很小。橡胶的阻尼偏小， 无法对发动机的大振幅振动起有效的抑制作用。易发生蠕变，即在额定载荷下， 其变形在一段时间内不断增加。 ( 2 ) 高频时，橡胶悬置动态硬化现象严重，动刚度显著增大，减振性能差， 容易断裂【1 5 】。 ( 3 ) 橡胶材料在循环应力的作用下可能出现疲劳破坏及永久变形。 ( 4 ) 由于橡胶与金属骨架粘结在一起，要求其粘结强度高于3 m p a ，但是可 能会由于质量问题或长时间在高温环境下工作，使粘结面的粘结强度下降并引 起粘结面剥离，从而导致损坏【”】。 ( 5 ) 耐腐蚀性较差，易老化。 1 3 1 2橡胶悬置的结构形式 橡胶悬置的弹性特性与其结构形式，自由表面形状，橡胶材料及橡胶硬度 4 等因素有关。压缩时具有高能量存储能力，剪切时使用寿命较长。根据橡胶悬 置的受力情况，结构形式主要分为几类：压缩型、剪切型、复合型1 30 1 。压缩型 橡胶悬置压缩刚度大，剪切刚度小，用于振动输入小，支承质量大的场合；剪 切型橡胶悬置压缩刚度小，剪切刚度大，常用于振动输入大、支承质量小的场 合；复合型悬置压缩剪切性能均较好，常用于振动输入大、支承质量大的场合 【z 9 1 。因此通常采用复合型悬置结构，利用其弹性特性，支点设定较为自由。对 于不同形状的橡胶悬置，结构形式选定后，可以通过改变橡胶硬度来改变其弹 性特性。 困ii 蝴 i 獬 压缩型剪切型 复合型 图1 1 常用橡胶悬置的结构型式 为防止动力总成位移过大，使动力总成、进排气系统及汽车其他子系统之 间发生碰撞，同时避免悬置本身遭到破坏，必须从悬置结构上限制过大位移。 有两种方式，一是增加位移较大方向上的悬置刚度。但是过大的刚度可能会影 响悬置的隔振性能，因此通常选用第二种方式：采用非线性、变刚度的悬置结 构。悬置在受到小的激振力时，较小的刚度能有效的隔离振动，在受到较大的 激振力时，悬置的刚度也随之变大，有效的限制动力总成的位移。橡胶悬置的 非线性一般通过增加限位结构来实现。 1 3 1 3 橡胶悬置的动特性 橡胶悬置的动特性如图1 2 ，1 3 所示： o5 01 0 01 5 02 0 0 频率( 1 l z ) 05 01 0 01 5 02 0 0 频率( 1 l z ) 图1 2 橡胶悬置的动刚度图卜3 橡胶悬置的阻尼滞后角 由图1 2 ，1 3 可以看出：动刚度和阻尼滞后角随频率呈线性变化，且变化 报小。如果选择刚度和阻尼都较大的悬置，有利于冲击隔离。大的刚度可以有 效的抵抗外界冲击和发动机激励，抑制低频的大振幅振动，大的阻尼有利于吸 收更多的冲击能量。但是大刚度大阻尼恶化了橡胶悬瞿的高频降噪性能。如果 选择刚度和阻尼都较小的悬置，刚度小使激振频率与固有频率的比值鞍高，同 时阻尼较小，均有利于隔振，可以降低高频的振动噪声。但是小刚度小阻尼不 利于防止冲击，无法有效抑制低频的大振幅振动。囚此橡胶悬置无法满足动力 总成对悬置的低频高刚度丈阻尼高频低刚度小阻尼的要求。只能采取折中措 施。 常用的橡胶悬置如图1 - 4 所示： 图l 一4 常并j 的橡腔忌置 l3 2被动式液压悬置 通常只使用橡胶悬置，无法产生很大的振动阻尼，因此为了让动力总成悬 置越来越满足低、高频工况对悬置的要求，将传统的橡胶悬置与液体组成一体， 形成液压悬置。液压悬置经过不断的改进，结构型式不断变化，主要经历了三 代：惯性通道式液压悬置、解耦盘式液压悬置、节流盘式液压悬置。虽然结构 型式有所不同，但基本具有以下共同点h l 】：有橡胶主簧，用于承受载荷：至少 有两个相互独立又相互连通的液室：液室之间有能产生阻尼作用的孔或惯性通 道等；液室内有工作介质，并有良好的密封性。 l32 1 惯性通道式液压悬置 橡胶内的液体被金属分成上液室和下液室，上下液室通过阻尼孔或惯性通 道连通。 如图1 - 5 所示惯性通道式液压悬置由橡胶主簧、上液室、下液室、惯性 通道、橡胶底膜及液体组成。上液室和下液室充满了液体，橡胶主簧支承动力 总成的质量，同时构成上液室壁。下液室底部是橡胶底膜，其刚度很低，使下 液室起到液体容器的作用。上下液室用一个铁板隔开，铁板内有一个惯性通道， 橡胶主簧受力时会发生弹性变形，同时给液体施加压力，使上下液室之间存在 压力差，从而使液体在惯性通道内流动。利用液体流动产生的节流损失和沿程 损失来耗散振动能量，衰减振动。在低频时阻尼较大，可以有效抑制动力总成 的振动位移，但是高频时有动态硬化现象产生，影响隔振效果【7 1 。 图1 5 惯性通道式液压悬置结构图 1 3 2 2 解耦盘式液压悬置 为了改变高频动态硬化现象，在惯性通道式液压悬置的基础上增加了解耦 盘。解耦盘可以是一个薄钢板，也可以是一个柔软的膜板，自由的悬浮在两个 液室的液体中。如图1 - 6 所示。 图1 6 解耦盘式液压悬置结构图 此种悬置在受到低频大振幅激励时，解耦盘被压到极限位置，没有位移， 此时与惯性通道型悬置相同，液体通过惯性通道并产生振动，有高刚度大阻尼 特性。当受到小振幅位移时，上下液室的液体推动解耦盘在液体中上下运动， 此时很少有液体通过惯性通道，从而使阻尼和刚度降低。因此解耦盘式液压悬 7 置在一定范围的高频存在低刚度小阻尼特性，与惯性通道型相比有所改善，但 是仍会产生动态硬化。 1323 节流盘式液压悬置 节流盘式液压悬置在解耦盘式液压悬置的基础l 增加了节流盘。节流盘与 橡胶主簧固定，在解耦盘上方的液体被l 辅离成两个互通的液室在高频工况下 节流盘对液体流动产生阻力，以减弱高频硬化现象。如图l 一7 所示。 一毛万8 避菖 惶婺8 簋霉 吲1 8 常用的液压总置 1 3 3 半主动控制式悬置和主动控制式悬置1 7 j 为解决被动式液压悬置的不足，振动控制技术逐渐应用于动力总成悬置的 设计。在液压悬置的基础上加入半主动或主动的元件及控制机构，就成为半主 动和主动控制式悬置。当控制元件不工作时，相当于是一个被动式液压悬置。 半主动与主动控制式悬置都有控制系统，区别在于主动控制式悬置有额外 的能量供应系统，称为激振器。激振器提供一个与激振力反向的力以降低和衰 减系统中振动的传递。半主动式悬置则没有额外的能量供应，用动力装置本身 的力来抵抗振动。 主动控制式悬置的激振器有电磁式或伺服液压式的。半主动式有电流变液 和磁流变液悬置，通过对液体通电或加磁场的方式来改变结构的阻尼和刚度。 或者将记忆合金加入到液压悬置的橡胶中，通过通放电改变记忆合金的状态， 从而改变悬置的动特性。 主动控制式悬置在各种频率下隔振效果都很好，但是结构比较复杂。而半 主动控制式悬置结构简单，但是通常只适用于低频。 1 4 本课题的主要研究内容 本文根据某公司开发的一款a 0 车型进行悬置系统的优化设计，主要从悬 置位置、悬置刚度、悬置系统固有频率及振动解耦等方面综合考虑悬置的减振 性能，并对悬置的动特性进行分析研究，从而达到改善整车舒适性的效果。 本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 根据悬置系统的基本要求，探讨悬置的结构及工作原理，以及动力总 成悬置系统的设计方法。结合动力总成的基本参数，初步确定动力总成悬置的 布置形式。 ( 2 ) 建立动力总成悬置系统模型，对所建模型进行验证，确保其准确性。 ( 3 ) 分析动力总成悬置系统的固有频率和振型。 ( 4 ) 综合应用动力总成悬置系统的设计方法进行优化设计。 ( 5 ) 设计各悬置的性能曲线，控制动力总成的振动位移。 ( 6 ) 建立整车模型，研究悬置系统隔振效果。 ( 7 ) 用有限元方法建立悬置元件的模型，分析悬置的静动特性。 9 第二章动力总成悬置系统的设计方法简介 对动力总成悬置系统进行优化设计，首先要对悬置系统有清晰的了解，明 确其功能及设计要求。了解常用的设计方法及涉及到的理论，并在设计过程中 综合应用，以便更好的发挥悬置系统的作用。本章主要对悬置系统及其常用的 设计方法进行介绍。 2 1动力总成悬置系统的功能及设计要求 2 1