（车辆工程专业论文）汽车动力总成悬置系统优化设计与橡胶悬置研究.pdf

汽车动力总成悬置系统优化设计与橡胶悬置研究 摘要 n v h 性能是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是 最直接和最表面的，如今已成国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注 和研究的重要问题之一。而动力总成n v h 特性研究是整车n v h 特性研究的一 个重要子系统，如何设计动力总成悬置系统，使动力总成传到车架上的振动得 到有效隔离，是汽车研究的一个重要课题。 本文利用a d a m s 对某款样车动力总成悬置系统进行了分析和优化设计， 对橡胶悬置进行了有限元分析，其具体工作如下： 1 、研究动力总成悬置系统的发展现状、设计流程，分析并总结了动力总 成悬置系统研究的理论方法，研究成果及现代设计发展趋势。 2 、根据所研究的对象，测量分析出该动力总成悬置系统相关的实验数据 和技术资料，为之后的仿真分析提供试验数据。 3 、根据测量的数据，应用m s c a d a m s v i e w 模块建立了该动力总成悬置 系统的空间六自由度虚拟样机模型。通过a d a m s v i b r a t i o n 模块分析出动力 总成悬置系统的固有特性和能量分布情况，并分析了动力总成悬置系统在怠速 工况、最大扭矩工况、紧急制动工况以及紧急转弯工况下的动态响应。 4 、利用撞击中心理论和扭矩轴法验证悬置点位置的合理性，并以各支承 处悬置元件的刚度为设计变量，以动力总成悬置系统六自由度解耦或部分解耦 为优化目标，以系统固有频率的合理配置为约束条件，对动力总成悬置系统进 行了优化，使得系统解耦程度更高，固有频率分配更加合理，振动传递率减小， 此次优化取得了良好的隔振效果。 6 、利用软件a b a i 3 u s 对橡胶悬置三维有限元模型的静动态弹性仿真研究， 对其应力应变分析，计算出了悬置的各向静刚度，并根据仿真结果与实验结果 的对比分析，验证了橡胶悬置静动态弹性特性有限元仿真方法的有效性。 关键词：动力总成悬置系统优化有限元 o p t i m i z a t i o no fa u t o m o b i l ep o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m a n dr e s e a r c ho nr u b b e rm o u n t s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，p e o p l e sr e q u i r e m e n to nt h e r i d i n gc o m f o r to fa u t o m o b i l e si si n c r e a s i n g ，n v hp e r f o r m a n c et o d a ya sa n i m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft h er e g u l a t i o n sa n dc o m p e t i t i o n ，h a sb e c o m et h ef o c u so ft h e m a n u f a c t u r e r s s t u d y h o wt od e s i g n m o u n t i n gs y s t e m t oi s o l a t ev i b r a t i o n t r a n s m i t t e df r o mp o w e ra s s e m b l yt of r a m eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt a s ko fv e h i c l e r e s e a r c h ac e r t a i nv e h i c l ep o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e mh a sb e e ns t u d i e da n do p t i m i z e d u s i n gd y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr u b b e r m o u n th a sb e e ns t u d i e d i nt h i sp a p e rm a i nj o b sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) m o u n t i n gs y s t e mc u r r e n ts i t u a t i o na n dd e s i g np r o c e s s e sa r es t u d i e d ，a n dt h e p r e v i o u sp o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e mo ft h er e s e a r c hm e t h o d sa n da c h i e v e m e n t s a r es u m m a r i z e d 3 ) t h ei n t e r r e l a t e dt e s td a t aa n dt e c h n i c a lr e f e r e n c e sa b o u tt h ep o w e r t r a i n m o u n t i n gs y s t e ma r eo b t a i n e df o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h 4 ) a c c o r d i n gt ot h et e s td a t a ，as i xd e g r e eo ff r e e d o mm o d e lo ft h ep o w e r t r a i n m o u n t i n gs y s t e mi sb u i l ti na d a m s v i e w ，m o d e ln a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d e l c o u p l i n ga n dt h ev i b r a t i o nr e s p o n s ei nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa r ec a l c u l a t e d 5 ) t h er a t i o n a l i t yo fm o u n t s p o s i t i o ni sv e r i f i e du s i n go ft h ei m p a c tc e n t e r t h e o r ya n dt h em e t h o do ft r aa x i s ，t h em o d e ls t i f f n e s si s o p t i m i z e dt a k i n g a d v a n t a g eo fm o d e le n e r g yd e c o u p l i n ga so b j e c t i v ef u n c t i o n ，r e s u l t ss h o w e dt h a t o p t i m i z a t i o ni ss u c c e s s f u l ，l e v e l o r d e rm o d ed e c o u p l i n gb e c o m eb e t t e r ，t h en a t u r a l f r e q u e n c yi sm o r er a t i o n a l ，t h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i b i l i t yi ss m a l l e r 6 ) t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr u b b e rm o u n ti sb u i l tb yt h es o f t w a r eo f a b a q u s t h em o d e lc a l c u l a t i o no ft h es t a t i ca n dd y n a m i cs t i f f n e s so ft h er u b b e r m o u n ts h o w e dg o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：p o w e r t r a i n ；m o u n t i n gs y s t e m ；o p t i m i z a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t 插图清单 图l - l 典型橡胶减振块的结构形式6 图1 2 动力总成悬置系统设计流程6 图2 1 动力总成悬置系统动力学模型1 1 图3 1 发动机坐标系示意图l6 图3 2 坐在驾驶员位置看各坐标系示意图( 俯视) 1 7 图3 3 仪器示意图l7 图3 4 三线摆法的测量原理图1 8 图3 5 发动机输出转矩拟合曲线2 2 图4 1 动力总成a d a m s 仿真模型2 3 图4 2 第一振型( 沿x 方向移动) 2 5 图4 3 第二振型( 绕x 方向转动) 2 5 图4 4 第三振型( 沿z 方向移动) 一2 5 图4 5 第四振型( 沿y 方向移动) 2 5 图4 - 6 第五振型( 绕y 方向转动) 2 6 图4 7 第六振型( 绕z 方向转动) 2 6 图4 8 怠速工况下质，t bz 方向加速度时域、频域响应2 7 图4 9 怠速工况下质心z 方向位移时域、频域响应2 7 图4 1 0 怠速工况下右悬置z 方向动反力时域、频域响应2 7 图4 11 怠速工况下右悬置z 方向加速度时域、频域响应2 7 图4 1 2 怠速工况下后悬置z 方向动反力时域、频域响应2 8 图4 1 3 怠速工况下后悬置z 方向加速度时域、频域响应2 8 图4 1 4 怠速工况下左悬置z 方向动反力时域、频域响应2 8 图4 1 5 怠速工况下左悬置z 方向加速度时域、频域响应2 8 图4 1 6 最大扭矩工况下右悬置z 方向动反力时域、频域响应2 9 图4 1 7 最大扭矩工况下后悬置z 方向动反力时域、频域响应2 9 图4 1 8 最大扭矩工况下左悬置z 方向动反力时域、频域响应2 9 图4 1 9 制动工况下质心在x 方向的位移响应3 1 图4 2 0 制动工况下右悬置在x 方向的动反力响应3 l 图4 2 l 制动工况下后悬置在x 方向的动反力响应3 l 图4 2 2 制动工况下左悬置在x 方向的动反力响应3 2 图4 2 3 过弯工况下质心在y 方向的位移响应3 2 图4 2 4 过弯工况下右悬置在y 方向的动反力响应3 3 图4 2 5 过弯工况下后悬置在y 方向的动反力响应3 3 图4 2 6 过弯工况下左悬置在y 方向的动反力响应3 3 图5 1 三坐标系的表示方法3 6 图5 2v 型悬置组示意图3 7 图5 3 优化前后的质心加速度频响曲线对比4 2 图5 4 优化前后的质心z 向位移频响曲线对比4 2 图5 5 优化前后质心y 向角位移频响曲线对比4 2 图5 - 6 右悬置振动传递率频响曲线( 优化后) 4 3 图5 7 怠速工况下右悬置在z 方向上的动反力响应( 优化后) 4 4 图5 8 怠速工况下左悬置在z 方向上的动反力响应( 优化后) 4 4 图5 - 9 怠速工况下后悬置在z 方向上的动反力响应( 优化后) 4 4 图6 1 橡胶悬置三维模型4 8 图6 - 2 加载前网格模型4 8 图6 3 悬詈z 向加载后的应力云图4 8 图6 4 悬置x 向加载后的应力云图4 9 图6 5 悬置y 向加载后的应力云图4 8 图6 - 6 后悬置x 向力与位移曲线4 9 图6 7 后悬置y 向力与位移曲线4 9 图6 8 后悬置z 向力与位移曲线5 0 图6 9 理想悬置与传统橡胶悬置动特性对比5 0 图6 1 0z 向动反力随时| 、日j 曲线5 l 图6 1lz 向动反力随位移曲线5 1 图6 1 2 悬置z 向动刚度随频率曲线5 1 表格清单 表1 1 各种载荷下的许用应力6 表2 1 悬置坐标系与广义坐标系夹角定义1 3 表3 1 发动机质心位置( 相对发动机坐标系) 18 表3 2 变速箱质心位置( 相对变速箱坐标系) 1 8 表3 3 相对发动机质心坐标系下发动机惯性参数1 9 表3 4 相对变速箱坐标系下变速箱惯性参数1 9 表3 5 整车坐标系下悬置元件初始位置2 0 表3 - 6 悬置安装角度参数2 0 表3 7 动力总成悬置元件静刚度参数2 0 表3 8 曲柄连杆参数2l 表3 - 9 发动机转速与扭矩对应表2 1 表4 1 系统固有频率和主振型2 5 表4 2 能量分布百分比2 5 表5 1 主惯性轴在曲轴坐标系下的夹角余弦值及主惯性矩。3 7 表5 2 扭矩轴x 2 与曲轴夹角值3 7 表5 3 优化角度后系统的能量分布百分比3 9 表5 - 4 设计变量的表达意义4 0 表5 5 动力总成悬置系统优化前后各阶模态固有频率及振型占优方向4 0 表5 - 6 优化后动力总成悬置系统的各阶能量分布百分比4 l 表5 7 动力总成悬置系统优化前后各数值变量对比表4 1 表6 。l 橡胶悬置计算刚度值与试验值对比5 0 独创性声明 本人卢明所* 交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究l ：作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标，占和致谢的地方外，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 垦! ：些厶：羔 或其他教育机构的学位或证1 5 而使 川过的材料。与我一同。：l ：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。 一、1) 学位论文作者签字：生气克签字日期：弘。年钾月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒8 巴! ：些厶堂 有犬保留、使川学何论文的规定。旮权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件利磁盘，允许论文被夯阅或借阅。本人 授权佥目巴：! ：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屙适川本授权。忙) 学位论文者签名： 签字日期：加f o 年 学位论文作者毕业 f ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： ，日 ，忽马 ，j钥 ：支月向毛0 去 致谢 本论文是在导师魏道高副教授的悉心指导下完成的，在三年的学习中，得 到了魏老师热心的指导和无私的帮助。导师严谨的治学态度、求实敬业的工作 作风和无私奉献的精神，让我受益匪浅，激励着我顺利完成了论文工作，在日 常生活中，魏老师也给予我无微不至的关怀，在这里，向我的导师致以崇高的 敬意和诚挚的感谢。 同时感谢我的同学王景容、王磊、杨军和师兄张伟峰，他们在论文方面给 了我很大的帮助和建议。还要感谢三年来所有帮助过我的同学和老师，与他们 共同度过了美好的三年时光。 我很感激我的亲人，他们的无微不至的支持和关怀让我得以顺利的完成学 业。 最后，感谢所有帮助过我的领导、老师和同学，谢谢您们! 作者：王文亮 2 0 10 年0 4 月l5 日 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 动力总成就是汽车发动机系统和变速系统的总称，为了减小振动，动力总 成通过隔振元件安装在车架上，这样形成的整个振动系统叫做动力总成悬置系 统。 随着汽车技术的发展，乘坐舒适性已经成为人们评价车辆的一个重要指 标。汽车在行驶过程中会出现各种各样的问题都关系到乘坐舒适性，这些问题 大都和振动有关，如何减小振动来解决这些问题就变得至关重要，而汽车的振 动问题表现在各结构的振动传递，汽车的振源主要来自于路面不平激励、不均 匀轮胎旋转、发动机扭矩波动、不平衡传动轴旋转还有发动机倾覆力矩和曲轴 不平衡等激励，其中发动机振动是车辆的主要振源之一。发动机的振动频率 比路面激励高，不仅会激起结构振动，且会激起车身及附件的噪声，严重影响 汽车的n v h 性能，因此追切要求发展性隔振性能良好的发动机悬置元件，尤 其是目前广泛使用的四缸四冲程发动机，由于其剧烈的不平衡力和力矩，使得 对四缸四冲程发动机悬置系统的设计要求大大提高。目前，动力总成悬置系统 的设计受到了广泛的重视，如何更有效的进行隔振己成为汽车设计的重要课 题。 1 2 发动机悬置作用 1 2 1 动力总成悬置系统设计不合理引起的问题 由于动力总成悬置系统设计不合理，可能会导致以下问题和现象f 2 1 ： 1 ) 发动机起动及停车时导致车身振动； 2 ) 发动机无负荷运转时导致车身振动； 3 ) 发动机高速运转时导致车身振动： 4 ) 由于路面及簧下的周期激振力引起的发动机振动传到车身上； 5 ) 由于发动机的位移与其他部件发生碰撞干涉； 6 ) 由于发动机的位移引起加速踏板、操纵杆的拉紧，导致发动机功率的 波动； 7 ) 由于发动机的位移，引起变速杆的振动和变速箱的脱档； 8 ) 离合器跳动。 1 2 2 发动机悬置的作用 汽车动力总成在运行时主要受到瞬态激励和发动机的周期性激励作用。悬 置系统在设计时一般需要考虑以下几方面的要求【3 】- ( 1 ) 、对动力总成具有支撑作用，这是悬置系统的最基本功用，根据悬 置的工作状态，合理设计每个悬置的静动特性，保证悬置变形在许用范围之内， 1 保证悬置系统的使用寿命。 ( 2 ) 、对动力总成具有限位作用，当汽车在启动、紧急制动或过弯等瞬 态工况下，动力总成会受到各种干扰力，悬置必须能有效地限制动力总成的最 大位移，以避免动力总成与相邻零部件发生运动干涉，避免碰撞。 ( 3 ) 、悬置作为车架与发动机的连接件，悬置系统必须具有主动隔振和 被动隔振的双重作用：l 、衰减发动机向车架传递振动力；2 、阻止路面不平激 励对发动机的振动和冲击。 针对支承和限位作用来说，我们要求悬置越硬越好，以限制动力总成的 各向位移，避免运动干涉，保证动力总成正常工作。但从隔振和舒适的角度而 言，悬置越软隔振效果越佳。由于存在这样的矛盾，因此在悬置系统设计中如 何寻求最优方案是一个极为重要的问题。 1 2 3 橡胶作为隔振材料的优点 用橡胶作隔振材料的主要优点如下【4 】： 1 ) 橡胶呈现非线性，其应力、应变具有迟滞作用，不可压缩，弹性模量比 金属等其他一些材料要小，因此是比较良好的隔振材料； 2 ) 金属弹簧作为隔振材料由于本身材料性质关系，会导致固有振动，产生 冲击振动，而且它通过内摩擦产生的衰减幅度小，但是隔振橡胶不存在这方面 的问题，橡胶内摩擦大，临界阻尼比较大，因此很少发生钢弹簧那样的强烈共 振共振现象。另外，橡胶隔振器通常是由橡胶和金属结合而成的，金属与橡胶 复合后的声阻抗较大，能够有效地起到隔声作用。 3 ) 隔振橡胶体积小，重量轻，与金属可以牢固的粘结，而且支承方法简单， 加工制作和维修安装方便； 4 ) 橡胶可通过改变成分和形状结构来改变其弹性系数，以满足悬置设计和 使用的需要。 1 3 动力总成悬置系统的研究发展 1 3 1 动力总成悬置的发展 汽车刚诞生的时候，动力总成与车架之间采用刚性连接，这样动力总成产 生的振动和噪声全部直接传递到车架上，导致乘坐舒适性极差，因此人们就丌 始考虑用柔性材料( 如：皮革垫或者布垫) 来连接动力总成和车架1 引，降低车 架的振动。 直到上世纪二十年代，人们发现开始用橡胶悬置来连接动力总成和车架， 由于橡胶材料具有高弹性、良好阻尼等特性，通过内摩擦力将部分机械能转化 成热能消耗出去了，所以利用橡胶悬置可以减少力的传递，提高乘坐舒适性。 1 9 6 2 年，美国通用汽车公司的r a s m u s s e n 6 】开发出第一个发动机液压悬置， 标志着发动机悬置由纯橡胶悬置开始向液压悬置发展，它是通过结合橡胶支承 2 与液压减振装置在一起，这样具有更好的减振性能。 随后几十年，由于液压悬置的动特性更符合理想悬置的要求，液压悬置的 开发越来越受到重视，纷纷研制出很多不同形式的液压悬置，液压悬置的动刚 度和阻尼角具有变频特性，其优点1 5 】：、在低频时具有大阻尼、高动刚度特 性，满足低速时隔振要求，隔离低速振动，极大衰减振动幅值，很好地控制动 力总成的运动位移和悬置变形，同时可以很好的抗击冲击运动和振动；在高频 域具有小阻尼、低动刚度的特性，可在较宽频率范围内能够满足动力总成的高 频隔振要求，衰减汽车在高速行驶中的车内振动和噪声。解耦式液压悬置【”， 具有很好中高频工作范围内的减振减噪性能，其工作原理是：内部采用橡胶膜 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。 到了上世纪8 0 年代后期，液压悬置的发展趋势是半主动和主动控制式液 压悬置，1 9 8 7 年美国a v o n 公司在h e r r i c h 实验室开始研制开发主动控制式液 压悬置瞵j ，这标志液压悬置己由被动式向半主动和主动控制方向发展。 1 3 2 发动机悬置系统的隔振研究发展 几十年来，经过国内外学者对动力总成悬置系统隔振性能的不断探索和研 究，得出了成熟的悬置系统设计方法，通过分析悬置系统的模态、振型、扭矩 轴线、以及弹性中心与系统解耦的关系来评价动力总成悬置系统的隔振性能。 国外许多专家对动力总成悬置系统隔振研究比较早，做出了许多有益的研 究和探讨，下面介绍几个代表性的研究成果： 上世纪五十年代，a n o nh o r i s o n 和h o r i v i t z 提出悬置系统的六自由度解耦 理论，推导出解耦的计算方法。 上世纪六十年代，w i s o n 和t i m p n e r i9 】通过撞击中心理论来对动力总成悬置 点的布置，起到了一定的解耦效果。 上世纪七十年代，b o l t o n k n i g h t 根据撞击中心理论，通过布置悬置点在弹 性振动模态节点上，提出了合理布置动力总成悬置的方法，取得较好的隔振效 果。 上世纪八十年代，很多轿车采用发动机前置前驱动，并且四缸四冲程发动 机的平衡性很差，对悬置的隔振水平要求较高，但动力总成没有严格的对称面， 主惯性轴与曲轴存在一定角度，而且发动机舱的空间限制，导致悬置点的位置 布置有限，人们丌始运用优化方法对动力总成悬置系统进行设计，主要采用能 量解耦、系统固有频率的合理配置、传递率或悬置处动反力最小等优化目标。 l9 7 9 年，j o h n s o n l l 0 】以固有频率的合理配置和系统能量解耦为优化目标， 设计变量主要是悬置的刚度、悬置位置角度以及悬置垂向与侧向刚度比等，对 动力总成悬置系统进行了优化，取得了比较好的隔振效果。 1 9 8 3 年，b e n a r d i 采用“移频法 对动力总成悬置系统固有频率进行合理 1 配置，优化方法采用惩罚函数法，以悬置刚度、位置以及安装角度为设计变量， 取得了良好的效果。 1 9 8 7 年，h h a t a 和h t a n a k a 【i2 j 以悬置位置的为优化变量，分析发动机悬 置系统在怠速工况下的振动特性，分析出为了避免共振车身弯曲固有频率应高 于怠速激励频率，而且动力总成的固有频率应小于怠速频率的1 4 2 倍。 1 9 9 3 年，a r a i 和k a b o z u k a 以绕x 轴的转动与三方向平动解耦和合理配置 垂直固有频率与转动固有频率为目标，以悬置位置和刚度为设计变量，对整车 进行优化，取得了很好的优化效果，分析出悬置的位置对悬置系统的隔振性能 的巨大影响。 国内对动力总成悬置的研究比较晚，从上世纪八十年代开始，国内学者对 动力总成悬置系统隔振研究也越来越深入，取得了一些重要成果，下面介绍一 下国内这方面的研究状况。 19 8 3 年，徐石安采用的优化目标是悬置处的动反力幅值最小，同时使系统 固有频率得到合理配置，取得了比较好的优化效果1 1 3 。 1 9 9 2 年，上官文斌、蒋学锋提出了利用扭矩轴对动力总成悬置优化设计的 方法，通过在扭矩轴坐标系中建立模型，以系统固有频率的合理配置为优化目 标，达到各自出度解耦，并且运用撞击中心理论和对一阶弯曲模态节点的选取 对悬置布置设计，取得了很好的结果l i 4 。 1 9 9 5 年，徐石安利用传递函数分析动力总成振动，讨论了发动机振动模型 简化的理论基础，以及隔振和解耦的关系，并提出了能量解耦方法【1 5 】。 19 9 7 年，史文库、林逸、吕振华通过建立16 自由度的整车动力学模型， 进行仿真分析和实验，分析了液压悬置和橡胶悬置在怠速工况下对整车振动的 不同影响 1 6 1 。 1 9 9 8 年，史文库和林逸在a u d i lo o 轿车的悬置系统的隔振性能时，考虑了 发动机悬置点在弹性基础上，利用四端参数理论对其计算分析，得出了弹性基 础对动力总成悬置系统隔振性能具有一定影响f 1 7 】。 2 0 0 1 年，樊兴华、陈金玉和黄席樾以人机环境为基础，建立了多目标优化 模型，提出了以人体在垂直振动加速度均方根加权值最小、动力总成悬置系统 能量解耦的多优化目标函数，以悬置参数为设计变量，进行了优化，有效的降 低了汽车振动，改善了汽车的乘坐舒适性【l 引。 2 0 0 3 年，吕振华以动力总成悬置系统的设计理论和优化方法为基础，系统 的分析了各项因素对动力总成悬置系统隔振性能的影响，并以悬置的安装位置 和角度以及悬置的刚度为设计变量，对两种动力总成进行了优化设计，大大提 高了系统的解耦率i l 引。 2 0 0 6 年，周舟、王晓光、李波灏通过建立整车虚拟样机模型，对动力总成 悬置系统进行优化设计，分析了悬置系统的隔振性能【2 引。 4 1 4 动力总成悬置系统的设计流程概述 1 4 1 动力总成悬置系统的匹配设计概述 l 、悬置系统设计所必要的数据l l 】 本论文的第三章会具体介绍到动力总成相关数据的获得。在这里只做个简 要概述如下： ( 1 ) 动力总成的主要参数：设计动力总成悬置系统时，必须已知：动力 总成的重心位置、重量及惯性主轴的方向和绕其轴的惯性矩，设计时可通过相 关试验测得其数据。 ( 2 ) 悬置基本参数：包括悬置弹性参数、安装位置和角度。 ( 2 ) 动力总成悬置系统上产生的激振力的性质：必须了解激振力毋，耳， 疋，咒，瓦，乏的振动频率及其大小。第二章里会详细分析动力总成悬置系统上的 激励力。 2 、固有振动频率的优化 已知在悬置系统产生的激振力的振动频率，则依据隔振理论可以规定悬置 系所希望的固有频率。这样，悬置点的位置、安装角度及悬置的参数在许可范 围内加以变动，用逐次接近法进行计算，直到得到所希望的固有频率，满足隔 振要求为止。 1 4 2 橡胶减振器的设计概述 通过对悬置系统固有频率的优化，得到了所希望的固有振动频率，此时， 必须根据要求设计出各橡胶减振元件，通过对橡胶材料的选定以及悬置形状的 确定，使其弹性常数必须符合要求。 ( 1 ) 橡胶材料的选定 隔振橡胶的橡胶材料【2 1 】在j i s 6 3 8 6 中规定为四种： 1 ) 一般的加硫橡胶，例如n r ( 天然橡胶) ，s b r ( 苯乙烯丁二烯橡胶) ； 2 ) 要求耐油性特别强的加硫橡胶一n b r ( 丙烯腈丁二烯橡胶) ； 3 ) 要求耐蚀性特别强的( 及轻度耐油性) 加硫橡胶一一c r ( 氯丁二烯橡 胶) ： 4 ) 要求振动衰减性特别强的加硫橡胶一一i i r ( 异丁烯异戊二烯橡胶) 。 一般发动机悬置用的橡胶材料是n r 和i i r 。i i r 具有耐蚀性、耐油性和耐 热性等优点，但是其机械性能及加工性差，在实际中大部分用绝用n r 做悬置 减振器。i i r 的特点是内部衰减大、弹性模数小，并且i i r 在同一形状下可以 降低弹性常数，根据振动理论，如果内部衰减大，共振点的振幅值小，但其缺 点是共振点以外的振动传递力增大，对于两种橡胶材料，必须根据实际情况有 效地利用其优缺点。 ( 2 ) 橡胶减震器形状的选定 s 为了得到隔振橡胶的三个方向所希望的弹性常数比，必须采用合理的形 状，典型橡胶减振块的结构形式通常有复合型、剪切型和压缩型3 种【2 2 1 ，如图 1 1 所示。表1 1 是橡胶材料在各种工作状况下的许用应力值【2 7 1 。 o 各 压缗型 b 。剪仞壁 c 复台型 图1 1 典型橡胶减振块的结构形式 表1 1 各种载荷下的许用应力 许用应力( k g c m 2 ) 载荷方向静态 动态冲击 压缩 3 0 - 5 01 0 1 52 5 5 0 拉伸 1 0 - 2 05 一l o1 0 1 5 剪切 1 0 - 2 03 - 51 0 2 0 扭转 2 0 3 一1 02 0 综上所述，动力总成悬置系统设计其基本程序【5 1 如下图l 一2 所示：1 、概念 设计；2 、对动力总成相关参数和数据进行测量和采集：3 、对悬置系统性能进 行优化和结构设计；4 、虚拟样机( 仿真分析和零部件有限元分析) ；5 、根据 最佳方案试制装车；5 、试验验证；7 、批量生产。 撅念设计 相关爿k 采集 山 系统性能优化及结构设计 山 虚拟样机( 仿真分析与部件的有限元分析) 山 山 试验验证 山 图1 2 动力总成悬置系统设计流程 1 5 本课题研究的主要内容 本文主要研究的内容如下： 1 、通过学习国内外相关成果，分析和研究国内外动力总成悬置元件以及 悬置系统优化设计的发展状况，系统学习汽车动力总成悬置系统设计的理论与 方法以及橡胶悬置的有限元方法。 2 、测量和采集发动机及其悬置系统的实验数据和相关参数，包括动力总 成基本参数、悬置基本参数和一些发动机相关参数。 3 、根据发动机动力总成的实际测试所得到的参数，利用a d a m s 建立样 车动力总成悬詈系统的六自由度虚拟样机模型，分析其固有特性与主振型以及 能量分布情况，分析其系统在各种工况下的动态响应。 4 、利用撞击中心理论和扭矩轴法验证悬置位置布置的合理性，最后以悬 置的刚度参数作为设计变量，以能量解耦为目标函数，以固有频率的合理分配 为约束条件，对动力总成悬置系统进行优化设计，并对优化前后的系统进行隔 振特性的对比分析。 5 、利用软件a b a q u s 对橡胶悬置三维有限元模型的静动态特性仿真分析， 对其应力应变分析，计算悬置的各向静刚度和动刚度，对比实验值，验证模型 的有效性。 第二章动力总成悬置系统基础理论 2 1 动力总成悬置系统振源分析 2 1 1 动力总成振源分析 汽车在行驶时，引起汽车动力总成产生振动的原因是多方面的，主要分为 发动机内部激励和外部激励，内部激励主要有发动机不平衡往复质量引起的惯 性力和力矩、不平衡质量旋转运动导致的离心力和力矩、爆发气体压力等。外 部激励主要有路面不平导致的随机激励和瞬态工况下引起的动力总成惯性力。 设本文所研究的动力总成悬置系统受到的激励力为 f ( t ) o ，简化到动力总 成质心处的表达式为： 扩( f ) y = 以e 艺巧乃乏】 下面主要分析激振力b ，e ，疋，瓦，乃，已的特性及其大小， 内部产生的激振力和来自外部的激振力1 2 1 两方面： ( 2 - 1 ) 主要讨论发动机 凡：主要是由汽车瞬态工况下紧急加速和紧急制动时的惯性力以及操纵离 合器的外力构成的，这些力可能引起发动机的x 向位移，和其他接近的部件发 生干扰，产生不协调现象。例如，冷却风扇和散热器的干扰，或变速器脱档等。 e ：主要考虑发动机内部的不平衡旋转质量引起的一次惯性力，以y 方向 的成分为主，外部激振力可不考虑。从理论上说，旋转质量的不平衡现象是完 全可以消除的，由于发动机的曲轴形状复杂，其旋转时或多或少会出现不平衡 现象。此外，曲轴在高速运转时可能产生弯曲振动以及轴承的松动或汽缸体的 变形等现象，都会发生不平衡惯性力和惯性力偶。 易：z 向受力要考虑发动机内部和外部激励两方面，发动机内部的激振力 主要是不平衡旋转质量引起的一次惯性力作用在z 方向的成分和往复质量引起 的不平衡惯性力。发动机外部激振力有来自路面和来自簧下两部分，来自路面 的激振力是由路面凹凸不平引起的随机振动，来自簧下部分的激振力主要是由 于不平衡引起的一次激振力。 l ：这主要由于燃气爆发力和往复质量引起的扭矩变动形成的激振力矩， 特别是怠速时传到车身上的振动和燃气爆发力引起的扭矩变动。设汽缸数为n ， 汽缸直径为d ，曲轴半径为r ，可得出下式： 瓦= r o + ls i n ( m 0 + 气) + 正。s i n ( 2 m 0 + f 2 ，打) ( 2 2 ) 四冲程：m二冲程： ，式中为平均扭矩； 瓦： 2 _ n 2 2 + 2 谐m 波= n 扭矩；ron-d r 4 q c m q s m ( 2 3 ) 。4 占。：辔一l 箜篓相位； ( 2 4 ) q c m ，g s 脚一一由实测示功图求得的扭矩谐波系数的正弦及余弦成分。 由于进气分配不均匀，压缩比不同等引起的爆发力不均匀，可产生如式 ( 2 2 ) 所表示以外的扭矩变动。 e ，己：这是由于发动机内部的不平衡旋转质量引起的次惯性力偶。 除此以外，还有其他激振力，如排气系统的振动、动力传动系的振动、曲 轴的扭转振动、各汽缸的活塞和连杆等的重量差异、装配误差造成的各组件间 隙的不同、拧紧力不均匀等所引起的激振力，这些在设计动力总成悬置系统时 可以不考虑。 本文所研究的发动机动力总成悬置系统的激励力只考虑发动机内部激励， 外部激励暂不予考虑，由于此发动机是直列四缸发动机，曲柄夹角是18 0 。， 第一阶往复惯性力和力矩相互平衡消除，发动机主要激励是第二阶往复惯性力 和绕曲轴的反作用力矩，其受力表达式为： f = kee 巧弓乏j ， ( 2 5 ) 其中：e = 0 ，f ，= 0 ，乃= e 彳= 0 e = 4 m r , 彻2e o s ( 2 c o t ) r9 、-r 咒= 瓦o ( 1 - t - 1 3 s i n ( 2 c o t ) ) ( 2 7 ) z ，= e a( 2 8 ) 式中：m 一一单缸活塞及往复运动部分质量； r 一一曲柄半径； 兄一一曲柄半径与连杆长度之比； 彩一一发动机曲轴转动的角速度： a 一一二、三缸中心线至发动机动力总成质心的距离； t 一一发动机的输出扭矩。 值得注意的是，在分析发动机的振动问题时，可做如下两个假设： a 1 发动机通过发动机悬置安装在车架上，而车架可看作是绝对刚体。 b ) 假设发动机曲轴的回转角速度是一定值，即 缈：2 n 掣弧度秒：常数 ( 2 9 ) o u 实际上，在发动机的循环中，回转角速度是时刻在变化的，随着发动机运 转，这种变化又是在重复进行，但是我们在分析时，重点考虑不平衡力的影响， 所以回转角速度可以假设为定值，忽略其影响。 2 1 2 发动机激振频率范围 上面介绍了动力总成的主要振源，下面分析下其激励的频率范围，其各频 率的计算公式如下【2 5 】： 1 、点火激励频率，由于燃料在气缸内爆发燃烧，在缸体上形成平行于曲 轴的输出力矩脉冲，而多缸发动机的扭矩呈周期性变化，导致发动机上产生反 作用力矩，这种周期性的力矩脉动引起的激励叫做点火激励。点火激励频率计 算公式如下： 石2 焉( 舷) ( 2 - 1 0 ) 其中，n 发动机转速，r r a i n ； i 一发动机汽缸数； c 发动机冲程数。 其频率范围为 赢。意。( 2 - 1 1 ) 其中：i n - 一怠速转速( r m i n ) ； 一一最高转速( r m i n ) 。 2 、不平衡惯性力引起的激励频率，由于发动机不平衡质量的旋转和往复 运动的部分质量产生惯性力，此惯性力激励频率公式可写为： 厶= 等( 舷) ( 2 _ 1 2 ) 其中：n 发动机转速，r m i n ； q 激励力的阶数 不平衡惯性力引起的激励频率范围为： 2 1 时：百百 胛m i n刀m a x q = 2 时：贵贵 ( 2 - 1 4 ) 2 2 动力总成悬置系统动力学方程1 4 5 i 研究动力总成悬置系统的低频振动特性时，常假设动力总成和车架为绝对 刚体，因为动力总成悬置系统的最高阶固有频率比动力总成最低的弹性模态频 率都要低得多。 首先，建立全局坐标系o x y z ，原点在动力总成质心处，x 轴平行予曲轴 轴线，汽车前进方向为正，z 轴垂直向上，y 轴由右手定则确定。 q = ( x , y ，z ，o x ，目。，o z ) 为刚体的广义坐标，图2 一l 为动力总成悬置系统动力学模型 2 6 1 。 图2 1 动力总成悬置系统动力学模型 本文是利用拉格朗日( l a g r a n g e ) 方程建立动力总成悬置系统动力学方程。 拉格朗日方程形式如下： 旦f 鸳1 一堡+ 堡+ 堡：e ( 2 1 5 ) d t 饱ja qa qa q ” 其中：e t 为系统动能，e v 为系统势能，e d 为系统耗散能，q 为系统广义 坐标，r 为系统所受广义力。 1 、系统动能e t 动力总成悬置系统的动能为沿质心平动动能和绕质心转动动能之和，可以 通过下式2 18 得到： e t = 珥动+ 动= 丢祗2 + 圭缈2 + 三2 聊三2 + 丢喜m 一( 2 - 1 6 ) 式中：m i 为动力总成内第i 个微小质量； v i 为第i 个微小质量相对于坐标系的速度。 令7 ，j ，莨表示沿三个坐标方向的单位矢量，其角位移可表示为： 秒= o x i + o y j + 见七 ( 2 1 7 ) 则其角速度可表示为： 口= o , i + 嘭+ 眈七 ( 2 1 8 ) 动力总成上相对质心的任意一点的矢径为： 尹= x ，尹+ y f 歹+ z ，云 ( 2 1 9 ) 通过式2 1 7 和式2 1 9 可以求得任意一点相对于质心的速度为： 哥= 否尹= ( 反7 + 嘭歹+ 晓| j i ) ( x ，7 + ) ，了+ z i 云) ( 2 2 0 ) ：( - y ，矽：+ z ，痧，) 7 + ( 一z ，六十x ，晓) 歹十( 一x ，六十y ，反) 云 将上式2 2 0 代入可算出臻为： = 昙窆鸭谚 ，- i = 三喜【( _ 只晓+ 乙或声+ ( _ 乙晓+ 晓) 歹+ ( _ 五谚+ 咒晓弦j z = 吾l 窆i = i ，珥+ z ? ) 砖+ 三 喜( 芎+ # ) 彩+ 兰 喜，啊( # + 卯) 它 - 兰 喜以薯只 幺或三 喜啊咒互 晓一三 喜惕刁 晓反 转动惯量和惯性积的计算公式如下： = m 心x m f = l 则动力总成做刚体运动的动能为： e r = 珥动+ 丁- 转动 = 秒12 + 扣2 + 丢l 彰+ 丢彩+ 三l 彰 - 毛i 叫6 x 6 y 一毛i 旺。y 6 z 一专i a z 6 。 上式写成矩阵形式，可表示为； 耻多乏舀x 舀y 6 z ：! d 丁肋 2 一 。 ，竹0 0 0 0m00 o0垅0 000l x 00 0 一i 斜 00 0 一i 。 其中，q = kj c ，三晓岛晓r ，肘： 2