（固体力学专业论文）发动机悬置系统动力学计算与实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车动力总成悬置系统是整车振动控制的重要组成部分，对提高汽车n v h 特 性，满足良好的乘坐舒适性具有重要的作用。本文以某橡胶悬置的汽车动力总成 悬置系统为研究对象，对悬置系统的动态特性进行了计算分析和试验研究。 一般在悬置系统建模方法中，通常以悬置元件的静刚度构建计算模型中的刚 度矩阵。然而，实际工况下的悬置元件是在一定频率和振幅的激励力下工作的， 而且，橡胶悬置的动刚度与激励力的振幅和频率有关。本文以发动机怠速工况为 例，通过试验模拟悬置元件实际工况下的工作状态，测试其动刚度值，并以动刚 度值构建力学模型中的刚度矩阵，计算悬置系统实际工况下的动态特性。 其次，本文采用传统的锤击法对悬置系统进行了试验模态分析。测试中，应 用不同质量的脉冲锤进行模态试验，由于橡胶悬置元件刚度的非线性，获得的模 态参数有所差异。针对传统试验模态分析方法的不足之处，采用运行模态分析的 方法，对悬置系统怠速工况下的模念参数进行了辨识。考虑到悬置系统模态比较 密集的特点，采用模态分析领域近年来最新推出的对于模态密集型系统也有较好 识别精度的p o l y m a x 模态参数识别方法，对实际工况下的悬置系统进行了模态参 数的辨识，并对所获得的模态参数进行了验证。运行模态分析中，由于测试数据 直接来源于发动机悬置系统实际振动工作环境，所以运行模态参数能够更加准确 的描述系统实际工况下的动态特性。 采用悬置元件的动刚度值构建刚度矩阵，计算的模念参数与运行模态参数的 误差，比采用静刚度值计算有了明显的降低。 所以，基于悬置元件的动刚度建立的力学模型能更好的模拟悬置系统实际工 况下的动态特性。对悬置系统特定工况下的动态特性分析，优化设计及减振降噪 等有一定的参考价值。 关键词：悬置系统；悬置元件动刚度；运行模态分析；力学模型； 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ep o w e rt r a i n sm o u n t i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fv e h i c l e v i b r a t i o nc o n t r o la n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gn v h c h a r a c t e r i s t i c sa n d m e e t i n gag o o dp l a y si nc o m f o r t i nt h i sp a p e r , w et a k et h er u b b e rm o u n ta sas u b j e c t s t u d i e da n dw es t u d yt h ep o w e rt r a i nm o u n t i n gs y s t e mf r o mb o t ht h e o r ya n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n i ng e n e r a lm o d e l i n gm e t h o do fm o u n t i n gs y s t e m ，p e o p l eu s et h es t a t i cs t i f f n e s so f r u b b e rm o u n tt ob u i l dt h es t i f f n e s sm a t r i xo fc a l c u l a t i o nm o d e l h o w e v e r , i na c t u a l c o n d i t i o n ，t h er u b b e rm o u n tw o r k sa tac e r t a i nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fd r i v i n g f o r c e s f u r t h e r m o r e ，t h ed y n a m i cs t i f f n e s so fr u b b e rm o u n th a sar e l a t i o n s h i pw i t ht h e f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fd r i v i n gf o r c e s s o ，i nt h i sp a p e r , w et a k et h ee n g i n ei d l i n g c o n d i t i o na sa ne x a m p l ea n ds t i m u l a t et h ea c t u a lc o n d i t i o n so fr u b b e rm o u n t ，a n dt e s ti t s d y n a m i cs t i f f n e s si no r d e r t ob u i l dt h es t i f f n e s sm a t r i xo fm e c h a n i c a lm o d e lt oc a l c u l a t e t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm o u n t i n gs y s t e mi na c t u a lc o n d i t i o n s e c o n d l y , t h i sa r t i c l eu s e st h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nm e c h a n i c a lh a m m e r f o r t h ee x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i so fm o u n t i n gs y s t e m d u r i n gt h et e s t ，t h en a t u r a l p a r a m e t e r sa r ed i f f e r e n tw h e n w eu s e d i f f e r e n tm a s sh a m m e r sb e c a u s eo ft h en o n - l i n e a r o fr u b b e rm o u n td y n a m i cs t i f f n e s s d u et ot h ed e f i c i e n c i e so ft r a d i t i o n a lm o d a la n a l y s i s ， w eu s e o p e r a t i o n a lm o d a la n a l y s i st oi d e n t i f yt h em o d a lp a r a m e t e r so fm o u n t i n gs y s t e m i na c t u a lc o n d i t i o n t a k i n gi n t oa c c o u n tt h em o d e so fm o u n t i n gs y s t e mi si n t e n s i v et h i s p a p e ru s ep o l y m a x w h i c hi sp r o d u c e di nr e c e n ty e a r sa n dh a sab e t t e ra c c u r a c yw h e n i d e n t i f ym o d a lp a r a m e t e r sf r o ms y s t e mw i t hi n t e n s i v em o d e s t h em o d a lp a r a m e t e r s i d e n t i f i e da r ev e r i f i e db ym a c i no p e r a t i o n a lm o d a la n a l y s i s ，t h em o d a lp a r a m e t e r sa r e m o r ec l o s et ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fs y s t e mi nr e a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，b e c a u s e t h ed a t ei sd i r e c t l yc o m ef r o mt h er e a lw o r k i n gc o n d i t i o no fe n g i n em o u n t i n gs y s t e m t h ee r r o r sb e t w e e nm o d a lp a r a m e t e r sc a l c u l a t e db ys t i f f n e s sm a t r i xc o n s t r u c t e d w i 也d y n a m i cs t i f f n e s s v a l u e sa n do p e r a t i o n a lm o d a lp a r a m e t e r sa r er e d u c e d s i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dt om o d a lp a r a m e t e r sc a l c u l a t e db ys t a t i cs t i f f n e s sv a l u e s t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i c a lm o d e le s t a b l i s h e db yd y n a m i cs t i f f n e s so fr u b b e rm o u n t 江苏大学硕士学位论文 i na c t u a lc o n d i t i o nc a ns i m u l a t et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb e t t e r a n dt h i sm e t h o d h a ss o m es e n s ef o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fe n g i n em o u n t i n gs y s t e m ， o p t i m u md e s i g na n dr e d u c t i o no fv i b r a t i o na n dn o i s e i ns p e c i f i cw o r k i n gc o n d i t i o n k e yw o r d s ：m o u n t i n gs y s t e m ；d y n a m i cs t i f f n e s so fr u b b e rm o u n t s ；o p e r a t i o n a l m o d a la n a l y s i s ；m e c h a n i c a lm o d e 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， 同意学位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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密函。 学位敝储繇符懈指剥币躲槲 平6 月严 。7 年石月7 日 独创性声明 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。 学位论文作者虢奸乞修 日期：q 年绢芦日 江苏大学硕士学位论文 第一章：绪论 1 1 发动机悬置系统发展概况 1 1 1 发动机悬置系统综述 现代汽车动力总成大都是通过弹性支承安装在车架上的，这种弹性支承在汽 车行业上称之为“悬置 。动力总成悬置系统作为汽车振动系统的一个重要子系统， 其振动的传递特性对汽车舒适性和m r h ( n o i s e 一噪声, v i b r a t i o n 一振动和 h a r s h n e s s - - 声振粗糙度) 性能有很大影响。汽车动力总成悬置系统是指动力总成 ( 包括发动机、离合器及变速器等) 与车架底盘之间的弹性连接系统，适当选择动 力总成悬置系统的参数可以降低发动机的振动传递，由此降低汽车整车的振动和 噪声水平，改善汽车的舒适性，同时还可以保证动力总成工作安全可靠，避免动 力总成零部件及其附件的过早损坏。发动机动力总成悬置元件作为振动传递途径 中的重要元件对汽车的隔振降噪是不可忽视的一个环节。 一个良好的动力总成悬置系统应当能充分减小由发动机引起的振动和噪声， 还要能延长零部件的寿命。因此动力总成悬置系统设计的好坏将直接影响到汽车 的乘坐舒适性。 汽车发动机动力总成在工作状态下所受的力主要有静力( 力矩) 、瞬态和周期 性激振力( 力矩) 。发动机悬置系统既是弹性元件，又是减振装置，它的设计一般 需要满足以下几方面的要求n 1 ： 1 、支承作用：悬置系统的最基本的作用是支承发动机动力总成，必须考虑发 动机动力总成重量及驱动反力矩引起的悬置变形，合理地分配每个悬置所承受的静 载，这样才能保证汽车发动机处于合理的设计位置，保证整个悬置系统的使用寿命。 2 、限位作用：当发动机在受到各种干扰力( 如制动、加速或其他动载荷) 作 用的情况下，悬置应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 部件发生碰撞与干涉，确保发动机正常工作。 3 、隔振作用：悬置作为底盘与发动机的连接件，一方面它要阻止发动机向车 架传递振动力，另一方面它也必须阻止路面不平激励对发动机的振动和冲击。 江苏大学硕士学位论文 - 口见动力总成悬置起着支承、限位干兀隔振的作用。从支承和限位角度束说， 考虑到空n 结构的紧凑性和有限性，希望悬置足越艘越好，最好能将动力总成吲 定不动。而从隔振角度束说，却希望悬置足越软越好，以期将振动隔离到最小。 此二者足一个矛盾体，因此在悬霄系统设计中如何最优化选取悬置剐度足一个丰艇 为重耍的劓题。同时，为了能使振动得到迅速衰减，悬置还应具有适当的阻尼， 这是动力总成悬置设计的另个要求。 理想的动力总成悬置应隔离发动机转速域内由发动机干扰所引起的振动，并 阻止由冲击激励引起的发动机弹跳。这意味着动力总成悬置的动刚度和阻尼心足 依赖于振幅和频率的，这种特性的改善是动力总成悬簧系统发胜的笑键所在。凼 此理想的动力总成悬置应该牲低频范围具有较人阻尼，以耗散能量和柯效衰减汽 车较人的低频振动而在高频范围应有较低的动刚度，川以降低午内噪卢，特别足 降低乍腔共鸣声。 1i2 发动机最置元件发展综进 汽车发展之初，发动机足直接靠螺栓刚性地连到车架上去的，发动机的振动 和变j 眵直接传递给年架，路面的随机激励义通过年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难舒适性。随着汽车设 计水平的提高，发动机作为卡要振动源对整午晌舒适性的影响才渐渐被人们所蘑 视，卜世纪初，人们，f ：始采川皮革垌i 巾挚等柔软件来作为动力总成和车架的连接 什，以减小汽午的振动和提高发动机，其他部件的使用寿命。但足十皮革和师 垫等没有很好的减振特性，冈此所起的效果非常有限。到了u 纪二十年代，人 们丌始利用橡胶的减振特件来降低发动 机与牟体之间的振动传递“1 。橡胶有定 的弹性和阻尼，是很好的隔振材料，于足， 通过将橡胶硫化到金属骨架上，这样各种 各样的橡胶悬置元件就被设汁出来了。橡 胶悬置是 金属板件和硫化到会属板上 的橡胶组成，如图1 - 1 所示。橡胶多采 用天然橡胶，s b r 系橡胶。这是由于这 些材料的抗张强度、拉裂强度等机械强度 幽i1 ：橡腔悬口l 件 江苏大学硕士学位论文 的耐久性好，常温下弹力下降小，且价格低廉。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。橡胶悬置是通过橡胶的内摩擦作用来衰减振动 的。橡胶内摩擦是由橡胶分子和分子之问，以及橡胶分子与填充剂之间相互作用 产生的。试验证明硫化橡胶的内摩擦比金属弹簧大1 0 0 0 倍以上 a lp 适用于高频振 动，所以越来越引起人们的重视。 经过精心设计和制造的橡胶悬置可以在一定程度上隔离和衰减动力总成的振 动。它的特点是三向橡胶常数、结构简单、制造成本低、可靠性较高，使用和维 修方便，因此至今它仍在大部分汽车上，尤其是在n v h 性能要求较低的车辆上 广泛的应用。 1 9 7 4 年和1 9 7 8 年两次石油危机后，世界上掀起了节能浪潮。由于节能和高 速化的要求，发动机、车身趋向轻量化，尤其是越来越多的发动机前置前轮驱动 式( f f ) 轿车和轻( 微) 型客货车等，多采用平衡性较差的四冲程四缸机，这些 加重了发动机振动对乘坐舒适性和车内噪声的不利影响，而随着社会的发展，人 们对汽车的乘坐舒适性提出了更高的要求，市场竞争日益激烈，这两者结合在一 起使汽车厂家迫切需要性能更好的、能取代传统橡胶支承的发动机支承元件。 由于发动机的工作频带很宽，大约在1 0 - - 一5 0 0 h z 范围内，因此要求悬置元件 工作在低频大振幅时( 如：发动机怠速状态) 提供较大的阻尼和较大的刚度特性。 在高频低振幅振动激励下提供低的动刚度和较小的阻尼特性，以衰减高频噪声。 由于橡胶本身的特性决定了其动刚度和阻尼滞后角随频率呈非线性变化，而且阻 尼滞后角很小，一般只有1 0 0 左右，普通的橡胶悬置己无法满足上述要求。因此液 压悬置是为了上述要求而开发出来，并在国外汽车上得到了广泛应用。汽车发动 机液压悬置系统是国际上在上个世纪八十年代迅速发展起来的一种先进的机械振 动控制技术。上世纪4 0 年代术，r i c h e rh a r d i n g 和s t r a c h o u s k y 先后提出将液压 减振机构与橡胶支承组成一体的思想，并在美国申请了专利“1 ，但其机构复杂， 安装不方便，未得到实际应用。1 9 6 2 年美国通用公司r i c h a r dr a s m u s s e n 提出了 一种液压悬置，希望它能提供更大的阻尼，并申请了第一个液压悬置专利1 。德国 是较早进行液压悬置设计研究和开发应用的国家，早在1 9 7 9 年即已开发了三种 可用于五缸和六缸发动机动力总成的a u d i b o g e 、f r e u d e n b e r g 、a u d ii i 悬置系统， 并首先由a u d i 公司在a u d i 五缸o t t o 动力总成悬置系统上安装使用“1 。目前在我 国一汽大众汽车公司生产的a u d i l 0 0 轿车动力总成前左悬置即属此类。1 9 8 2 年 3 江苏大学硕士学位论文 日本应用液压悬置于f r ( 汽车动力总成在汽车前部纵置) 式轿车以降低怠速振 动。1 9 8 4 年日本开发出一种即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。1 9 8 5 年，美国g m 汽车公司规定n 1 ，在所有的a 型和k 型 车上动力总成悬置系统采用液压悬置，液压悬置由此在美国推广应用。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1 ，这是液压悬置 的应用由高级轿车向其他类型汽车普及的开始。 上世纪八十年代后期人们开始设计半主动控制式、主动控制式液压悬置。 据资料记载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9 1 ，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 ，1 9 8 8 年法兰克福展览会上德国f r e u d e n b e r g 公司展出了可以根据 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，m e t z e l e r 公司在世界上首先开发成功电流变液体的液压悬置 1 2 9 标志着液 压悬置由被动式向半主动控制式方向发展的飞跃。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 1 3 i 。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 置。 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 4 1 01 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，这标志主动控制式液压悬置在实用方面取得了突破性进展。1 9 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 0 1 。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 1 5 1 9 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 6 1 。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 1 7 1 0 经过几十年的发展，发动机液压悬置经历了一个结构上由简单到复杂，控制 方式上由被动式到半主动式、主动式的发展过程。随着人们对汽车乘坐舒适性 的要求的不断增加，发动机悬置的隔振性能将向着更加完善的方向发展。 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 3 橡胶悬置元件的特点 橡胶悬置元件被用于隔离发动机振动t 1 9 3 0 年 1 8 1 此时由于汽车上广泛应用四 缸发动机，它的严重不平衡二阶惯性力造成动力总成的振动尤为突出，致使整车 振动加大，影响整车的舒适性。 虽然液压悬置元件是悬置元件发展的趋势，但橡胶悬置元件仍然是目前使用 最为广泛的隔振器。橡胶具有很多优点：橡胶的弹性模量比金属的小，隔振效果 显著；橡胶件的形状不受限制，各方向的刚度可在一定范围内自由选择，具有空 间弹簧特性，能承受多向载荷；利用内摩擦产生的阻尼，能较好的吸收振动和冲 击能量，所以兼有弹簧和阻尼器两种作用；容易与金属牢固的粘结在一起，大大 简化了固定和支承结构，使悬置的整体质量降低；且结构工艺简单，价格低廉， 适合批量生产，使用维修方便。基于这些优点，橡胶悬置至今仍然在绝大部分汽 车上广泛使用，本课题所研究的车型亦采用橡胶悬置。 隔振橡胶有天然橡胶和合成橡胶两大类。其中天然橡胶的强度、延伸性、耐 磨性、耐寒性等综合物理学性能较好，与金属粘结牢固，但是其耐油性、耐热性 较差。而合成橡胶则主要强化某些特殊性能，如耐油性、耐热性、耐候性( 防老 化、防臭氧) 、大阻尼等。隔振橡胶要求有良好的消音、隔振及缓冲能力，能耐一 定温度、性能稳定，制造方便、易于制成所需形状，和金属的粘结好，单位面积 的承载能力大以及使用寿命长等。具体隔振类橡胶主要有以下几种n 9 1 ： 1 、天然橡胶。其强度、延展性、耐磨性和耐寒性等物理性质较好，与金属粘 结牢固，但是其耐油性、耐热性较差。 2 、丁腈橡胶。主要是耐油性好，多用于内燃机装置隔振材料。此外，丁腈橡 胶耐热性也好，阻尼也较大，且能与金属牢固粘合。 3 、氯丁橡胶。主要是耐候性好，并能与金属牢固粘合，多用于对防老化、防 臭氧有较高要求的场合。但生热性太大。 4 、丁基橡胶。阻尼大是其突出优点，故隔振性能好。在耐寒性、耐酸性、耐 臭氧等方面也较好。但与金属粘合较困难，多制成单独的橡胶块使用。 1 2 悬置系统动力学特性国内外研究现状 国外学者对动力总成悬置系统的研究起步较早，早在上个世纪三十年代，i l l i f e 就对悬置系统设计的一些基本原则进行了研究。到上世纪5 0 年代h o r i s o n 和 5 江苏大学硕士学位论文 h o r o v i t z 将汽车发动机动力总成和车架视为刚体，将减振橡胶块视为单纯的弹簧， 利用发动机动力总成惯性主轴特性等计算悬置系统的动态特性，进而调整橡胶悬 置的安装位置和悬置刚度，以达到减少发动机振动向车身传递的目的。早期的悬 置系统研究往往将其简化为单自由度振动系统。该模型对于研究悬置系统本身特 性和隔振原理很有价值，而且也为认识多自由度悬置系统打下了理论基础，但发 动机悬置系统是多自由度系统，单自由度隔振的许多理论并不适用，而且不能解 决自由度间振动耦合问题。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 动力总成悬置系统六自由度振动微分方程组并对该方程组进行了固有振动特性的 计算| s 0 1 01 9 7 6 年，s c h m i t 和c h a r l e s 通过研究表明，悬置系统的振动特性主要取 决于悬置刚度，而振幅则和悬置阻尼有关 2 1 1 。 国内汽车专业人员对动力总成悬置系统的研究起步较晚，但也取得了大量的 成果。1 9 9 2 年，长春汽车研究所的喻慧然等提出了发动机悬置系统设计的一般要 求和原则，并对c a 6 1 0 2 型发动机的悬置系统进行了基本参数的计算，提出了改进 方案。1 9 9 3 年到1 9 9 5 年，清华大学的徐石安和闫红玉对悬置系统提出新的研究方 法，把汽车看成由发动机，车架，驾驶室和车桥等子系统构成的组合系统。通过 分别由理论和测试识别的方法，求出各子结构的动态特性，然后按照一定边界条 件进行组合，获得整个组合系统的动力学方程，求解这个方程即可得到此组合系 统的动态特性。1 9 9 9 年清华大学的裘新等人建立了一种轿车动力总成液阻悬置及 副车架系统的非线性力学模型，进行了系统固有振动特性的模拟计算，同时对悬 置系统在台架上进行了多点激振实验模态分析2 2 1 。 上个世纪六十年代期间，人们对橡胶元件的动态特性进行了研究，逐步完善 前人对悬置设计的认识。近年来，对悬置系统刚度的研究，己由线性化处理向非 线性化方向发展。 2 0 0 5 年t i a nr a nl i n ，n a b i lh f a r a g 研究了利用锤击实验通过最小二乘曲线 拟合法获得橡胶材料的动刚度及阻尼参数2 钉。 近年来，国内大连理工大学内燃机研究所的韩德宝，宋希庚等对橡胶材料减振 器的非线性动态特性进行了实验研究。指出了橡胶材料的刚度和阻尼与激励力的 振幅和频率之间呈曲面关系，表明橡胶材料在较大振幅下的动态特性已不能用简 单的曲线来描述乜们。 中国第一汽车集团的的刘祖斌，刘英杰对悬置元件的动静刚度参数进行了研 6 江苏大学硕士学位论文 究，提出了动力总成悬置匹配计算中关于动静刚度的选取原则，计算静变形时采 用静刚度，计算刚体模态时采用动刚度，计算动力总成关键点位移量时宜动静刚 度同时采用。指出，不同承载状态下动刚度值主要受频率，预载荷和动态载荷幅 值3 个因素的影响晒1 。 人们在前人研究结论的指导下，把悬置系统力学模型进行了简化，以车架为 刚性基础，建立了六自由度的刚体一阻尼弹簧模型，使悬置系统的研究得以进一 步发展。尤其近三十年来，计算机技术的兴起和更有效的振动分析法如有限元法、 机械阻抗法和模态分析、模态综合及优化理论的应用，为更有效地进行悬置系统 的设计、研究提供了十分有利的手段。 1 3 课题研究的目的和意义 随着经济的发展和人民生活水平的提高，汽车的乘坐舒适性越来越受到人们 重视。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。随着道路条件的改善和汽车悬架系统设计的完善，路 面随机激励对汽车乘坐舒适性的影响得到了缓解。现代汽车设计向着提高发动机 功率和车身轻量化的方向发展，采用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。 故发动机振动对整车的影响有所提高，成为车辆的一个主要振源，其振动经悬置 系统传递后引起车身的振动。 所以，发动机的振动直接影响着汽车乘坐的舒适性。从而，建立合理的发动机 动力总成悬置系统模型，快速准确的获得动力总成悬置系统的动态特性显得尤为 重要。 本文的研究的主要目的是，以发动机怠速工况为例，建立悬置系统实际工况下 的力学模型。 怠速工况是汽车发动机重要的工作模式之一，是发动机运转过程中必不可少的 重要环节。汽车在交通密集的城市道路上行驶时，怠速时间约占总运行时间的1 3 ， 大约有3 0 的燃油消耗在怠速工况1 2 6 。因此，建立怠速工况下发动机悬置系统力 学模型，准确的获得动力总成悬置系统的动态特性，可以为下一步的优化设计和 减振降噪提供参考。 一般人们采用悬置元件的静刚度或者由静刚度值推算出近似的动刚度值，计算 7 江苏大学硕士学位论文 系统的动态参数，或在动刚度测试工程中忽略激励力振幅对悬置元件动刚度的影 响2 7 砌。本文以悬置元件实际工况下的动刚度值代替静刚度，构建力学模型中的 刚度矩阵，计算系统的动态参数。从而，建立悬置系统更接近实际工况的力学模 型。 同时，本文分别对悬置元件和整车悬置系统进行了大量的试验测试和分析，其 试验手段和测试结果对悬置系统设计和产品开发具有一定的参考价值。 1 4 课题研究的主要内容及思路 本文以某橡胶悬置的发动机悬置系统为研究对象，对发动机悬置系统的动念 特性进行了理论分析和试验研究。以悬置元件实际工况下的动刚度，建立悬置系 统力学模型。同时，对发动机悬置系统进行了传统的试验模态分析和怠速工况下 的运行模态分析，并对所得的模态参数进行了验证。以悬置元件静刚度和动刚度 建立的力学模型，计算得到的模态参数与运行模态获得的模态参数进行了比较， 以检验力学模型建立的合理性。 针对动力总成悬置系统模态比较密集的特点，本文采用模态分析领域，近年 来最新推出的多参考最d x - - 乘复频率神o l y m a x 法，进行模态参数识别。 课题研究的具体步骤和思路如下： 1 、建立发动机动力总成悬置系统简化模型，应用振动分析及动力学相关知识， 建立悬置系统六自由度动力学模型。 2 、制作悬置元件静刚度测试辅助夹具，应用c s s - - 4 4 0 2 0 电子力能试验机测 试悬置元件的静刚度值。 3 、通过实车测试发动机在怠速工况下悬置元件在各个方向上的振动加速度， 以分析悬置元件在各个方向上所受到的激励力的主要频率和振动幅值。然后在振 动台上模拟实际激励，测试和计算出各悬置元件在此工况下的动刚度值。分别以 悬置元件的静刚度和动刚度值构建悬置系统动力学模犁中的刚度矩阵，计算动态 参数。 4 、设计悬置系统实验安装台架，按照悬置系统的实际安装角度固定在实验内， 利用传统的试验模态分析方法，识别悬置系统的模态参数。 5 、发动机稳定在怠速工况，应用运行模态分析( o p e r a t i o n a lm o d a la n a l y s i s ) 技 术，测试悬置系统怠速工况下的运行模态参数。 8 江苏大学硕士学位论文 6 、基于悬置元件静、动刚度建立的悬置系统动力学模型，计算获得的模态参 数与运行模态参数进行对比，验证力学模型建立的合理性。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章：发动机悬置系统力学模型 为了研究动力总成悬置系统的动态特性，首先需要建立动力总成悬置系统的 动力学模型。机械系统的振动特性，主要取决于系统本身的惯性，弹性和阻尼。 实际机械结构的这些性质是比较复杂的，为了运用数学工具对它们的振动特性进 行分析计算，需要对实际系统作一定程度的简化，抓住其主要特征，忽略次要因 素。简化其质量，刚度，阻尼等参数的性质和分布规律，建立起既能反映实际系 统动力学特性又可以进行计算的力学模型。当一个实际振动系统比较复杂时，建 立的模型越复杂越详细，越能接近实际情况，也越能进行逼真的模拟，但往往使 分析困难，建立的模型越简单，分析越容易，但得到的结果可能不够精确。所以 建立模型时，总是在求得简化表达和逼真模拟二者之问的折衷。 2 1 悬置系统力学模型的简化 2 1 1 模型坐标系的建立 某轿车动力总成采用三点式橡胶悬置，发动机总成本身的固有频率一般在 2 0 0 5 0 0 h z 之间1 2 9 1 而整个发动机悬置系统的固有频率根据设计要求一般在5 3 0 h z ，所以，橡胶：悬置元件相对发动机本身的刚度来说非常“软”，所以可以把发 动机动力总成视为一个具有六自由度的刚体，它通过三个悬置支撑在车架上，悬 置被视为具有三向刚度的弹性阻尼元件。 定义笛卡儿坐标系统 g o x y z 为系统坐标，坐标系原 点g o 为动力总成处于静平衡位 置时的质心处，x 轴指向汽车行 驶方向的反向，y 轴与发动机的 曲轴方向平行，z 轴由右手法则 确定，即垂直向上。动力总成悬。 7 2 置系统的系统坐标定义如图2 1 所示呦1 。动坐标系g 0 x v z 固结 于动力总成质心处，相对于定坐 标系运动，当动力总成静止时， 巧 “1 图2 1 ：动力总成悬置系统坐标定义 f i g u r e2 - 1 ：t h ed e f i n i t i o no fc o o r d i n a t ea b o u tp o w e r t r a i ne n 舀n e m o u n ts y s t e m 1 0 江苏大学硕士学位论文 动、静坐标系重合。系统的广义坐标定义为：相对x 、y 、z 轴的平动坐标x 、y 、 z 和相对x 、y 、z 轴的转动坐标色、o 、晓，即：【鼋】= l y zg g晓了。 2 1 2 橡胶悬置元件动力学模型 使用弹性元件连接发动机和车架能有效的隔离振动，早在2 0 世纪初，人们就 开始用橡胶作为连接发动机和车架的部件，并能够有效的减少振动的传递。直到 现在由于橡胶悬置的隔振性能，经济性以及结构简单等特点，这种悬置被广泛使 用。本文研究的悬置系统就是传统的橡胶悬置系统，所以首先要建立单个橡胶元 件的动力学模型。 橡胶悬置是利用橡胶材料的弹性变形和内部摩擦阻尼特性来隔离振动的。图 2 2 为悬置元件简化模型，橡胶悬置可看作三维空间的粘弹性弹簧，具有平动刚度 和扭转刚度，但各悬置间的距离远大于悬置本身的尺寸，扭簧的作用不太明显，故 扭转刚度可忽略，同时认为各平动间不存在耦合，因而各悬置可简化为具有三个正 交弹性主轴的空间粘弹性弹簧。一般可将悬置元件简化为三个沿主轴方向的弹簧一 阻尼系统，并且每一主轴与动坐标轴之间存在图中所列的央角关系。 地 吃 哆 w 吃 z 心 z 雠矽v 。 图2 2 ：悬置元件简化模犁及坐标夹角 f i g u r e2 - 2 ：e g i n em o u n ts i m p l i f i e dm o d e la n dc o o r d i n a t ei n c l u d e da n g l e 2 2 建立悬置系统力学计算模型 根据自由振动的l a g r a n g e 方程： y 履危& 江苏大学硕士学位论文 瓦d 司o t 一嚣一考 ( 2 - 1 ) 可建立系统的动力学方程。动力总成悬置系统的动力学方程表示为： 【m 】【牙】+ 【c 】【口】+ 【k 】【q 】= 【f 】( 2 - 2 ) 其中：【m 】为系统质量矩阵，【c 】为系统阻尼矩阵，【k 】为系统刚度矩阵，【f 】 为激振力，【q 】为广义坐标矩阵。 阻尼的主要作用是降低共振峰值，对系统的固有频率影响不大，所以建立悬 置系统简化力学模型时，不考虑阻尼的作用，可得到系统的自由振动的微分方程， 也即系统六自由度固有特性的分析方程： 【m 】【百】+ 【k 】【口】= 0( 2 - 3 ) 其中，【m 1 为系统质量矩阵，计算方法如下， 动力总成作刚体运动的动能为： t = 三腑2 + 三哪2 + 1 2 膨2 + j 1 l 老+ 云1 ，y 嘭+ 五1 正之( 2 - 4 ) 22 。 2 。 2 77 2 22 ， 、 一丢j 夥晓岛一导j 。晓晓一丢j 声幺晓 、7 写成矩阵形式，此二次型可记为： r = 三( 习亿包9 见) 其中，矿为广义速度矢量。 m 1 _ lj ，竹0000 0 0 ，挖0000 o0历000 000 3 岱一3 钟一3 。 00 0 - j 斜j 付- j 。 00 0 - j 。- j 坦j 荭 x y z 戗 g 晓 m 为动力总成的总质量，j o 表示动力总成绕各轴的转动惯量脚。 【k 】为系统刚度矩阵： = 圭m ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) o o ol o o o o o o l 也 0 0 m 0 o o 0 m 0 0 0 0 竹d d d d d 江苏大学硕士学位论文 夥：要矿( 2 - 7 ) u ：三窆( k z l ? + k 谆+ k 嘶) = 三喜c 缸；觚心， k k k 茎 ：i 1 乙n 郜7 k t s t ( 2 - 8 ) r ” - 一 趣= c 吩k 趣，r ；毛= k k k g 一 式中l l f ，觚，眺分别为第i 个支承在其弹性主轴u f ，v i ，w i 方向的微变 形量；k k v i ，k 是对应的主刚度。 ia u = 山c c o s a q + a y c o s l 置l + a z c o s 7 1 曲= a x c o s c r 2 + a y c o s 愿+ , s z c o s y 2( 2 1 0 ) 【血= z k r c o s a r 3 + a y c o s 岛+ z 生z c o s y 3 其中，a x ，缈，, s z 分别为橡胶支承沿，x ，y z 方向的微变形量。 ，掰2 ，口3 分别为u ，1 ，w 与x 轴的夹角；磊，愿，孱分别为u ，w 与y 轴的夹角；乃，圪，乃分别为u ，1 ，s 与z 轴的夹角；写成矩阵形式，不失 其中，越= ( 缸甑缸) r ic o s a l jc o s 尾c o s y ul 互= ic o s o r 2 ic o s 履ic o s y 2 ii l c o s a 3 ic o s 玩c o s y 3 i j 把式子( 2 - x 1 ) 代入： 江苏大学硕士学位论文 u ：昙窆l 互r 也互r ( 2 1 2 ) 厶一 i 、 i 10 00 乙 一y s i e = l 01 0 一乞0 一气l ( 2 - 1 3 ) 【- o 01 y s 飞 oj 薯，y s ，乞为s 点在定坐标系中的坐标，通过摆线法找质心的位置。简单第f 个支承的弹性中心为系统第i 点i j = 1 ，2 ) ，该点在定坐标系中的坐标为五，咒， 磊，即有： u ：i 1q r ( n 彰互r 也互e 蛔( 2 - 1 5 ) 【k 】= 【e 】r 阢】7 【毛】【z 】 e 】( 2 1 6 ) 【k ；】为第i 个悬置的主轴向刚度矩阵： 【k i 】_ k u , 0 0 0 气0 0 0 【且】为悬置点位置矩阵： _ 1 000 阻】- l0 1 0 一磊 【_ 0 0 1 咒 而、咒、z j 为第i 个悬置点的坐标。 旺】为悬置弹性主轴坐标夹角矩阵： 1 4 互 0 飞 江苏大学硕士学位论文 = c o s0 u j c o s9 v j c o s 氏 c o s c o s c o s 2 3 悬置系统的模态参数求解 对于方程( 2 - 3 ) ，设其理论解为： 【碉= 【x j s i n ( c o i t + 口) ( 2 一1 7 ) 将其代入方程( 2 3 ) 可得： 【k 】【x ；】= 砰【m 】【x 。】( 2 1 8 ) 即 瞄卜砰【m 】一0 ( 2 - 1 9 ) 而系统固有频率 五= q 2 万( 2 - 2 0 ) 可以看出，系统的圆频率是矩阵【m 】- l 瞵】的特征值，而相应的固有振型是矩 阵 m 】- 1 【k 】的特征向量。这样，就可以通过求解矩阵【m 】- 1 【k 】的特征值和特征向 量来得到发动机动力总成的固有频率五和固有振型。 利用m a t l a b 软件求固有频率的程序很简单，主要利用m a t l a b 中的e i g 函数。编写m a t l a b 程序计算悬置系统固有频率和振型： 1 、将悬置系统参数值m ，j ，- 厂，i ，：，j 。，j 声代入式( 2 6 ) 得到惯性矩阵 阻】。 2 、将悬置元件的位置参数及各悬置元件的三个主轴方向的刚度值代入，分别 得到各个悬置的k ，e ，霉，再由式( 2 1 6 ) 计算得到总刚度矩阵【k 】。 3 、求解矩阵【m 】- 1 【k 】的特征值和特征向量，得到发动机动悬置系统的固有频 率和固有振型。 2 4 发动机动力总成悬置系统参数 发动机动力总成悬置系统的相关参数，可以通过相应的测试和计算获得。具 体方法见参考文献 3 3 。本文研孪的动力总成悬置系统的相关参数整理如下( 由厂 1 s 以巩 s s s o o a 瞄 瞄 螂 江苏大学硕士学位论文 家提供) ：表2 - 1 为动力总成系统的质量及转动惯量参