（车辆工程专业论文）动力总成液压悬置橡胶主簧动特性研究及参数优化.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车动力总成是汽车的主要激振源，动力总成悬置系统用于隔离动力总成与 车架之间的振动，该系统性能的优劣直接关系到动力总成的振动向车体的传递的 大小，对整车舒适性有着重要的影响。随着现代汽车的发展，普通橡胶悬置已经 不能满足汽车动力总成悬置系统隔振的要求。近年来，液压悬置得到了越来越广 泛的应用，它与橡胶悬置相比，在隔振性能方面有了一定的改善。 本文以液压悬置橡胶主簧为研究对象。首先，从对液压悬置进行结构分析和 减振的机理入手，进行合理的简化和假设，建立了“机械一液压”混合复杂数学 模型，模型中考虑了预负载、液体振荡流动和惯性通道形状等因素的影响，上述 的非线性因素的加入，增加了模型的精确度。基于该模型，应用m a t l a b s i m u l i n k 编制了专用仿真软件，仿真研究中讨论了橡胶主簧的参数对悬置动特性的影响。 其次，运用有限元分析软件a n s y s 建立了橡胶主簧的有限元模型，对橡胶 主簧动态特性进行仿真计算。考虑到有限元分析过程中单元类型、网格划分疏密 程度对计算结果准确度的影响，因此注意选择适当的单元类型，以及大变形区域 网格的疏密。本文中橡胶主簧动特性的表征采用橡胶主簧动刚度和滞后角这两个 参数。 最后，基于有限元模型对橡胶主簧进行了优化设计。参数优化后悬置动特性 有一定改善，说明在低频时悬置的隔振性能得到了提高。 关键词：液压悬置，有限元，振动，噪声，优化 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t a st h ee n g i n ei st h em a i ns o u r c eo fv i b r a t i o na n dn o i s ei na u t o m o b i l e s ，t h e e n g i n em o u n t ，w h i c hi sd e s i g n e dt oi s o l a t et h ev i b r a t i o nb e t w e e nt h ee n g i n ea n dt h e c h a s s i s ，p l a y st h ek e yr o l ei na v o i d i n gt h ev i b r a t i o n so ft h ee n g i n ef r o mt h eb o d y m e a n w h i l e ，i ta f f e c t st h es e a t i n gc o m f o r ts i g n i f i c a n t l y w i t ht h eg r e a ti m p r o v e m e n to f t h et e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l e s ，t h et r a d i t i o n a l r u b b e re n g i n em o u n tc o u l d n tm e e tt h e d e m a n df o rt h ei s o l a t i o ns y s t e ma n yl o n g e r r e c e n t l y , t h eh y d r a u l i ce n g i n em o u n t sa r e b e i n gu s e dm o r ea n dm o r ei na u t o m o b i l e s c o m p a r e dt ot h er o b b e re n g i n em o u n t s ， t h eh y d r a u l i co n eh a sm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fi s o l a t i n gt h ev i b r a t i o n s t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri st h em a i nr u b b e rs p r i n go fh y d r a u l i cm o u n t f i r s to fa l l ，s t a r tw i t hs t r u c t u r a la n a l y s i sa n dv i b r a t i o nd a m p i n gm e c h a n i s mo ft h e h y d r a u l i cm o u n ta n dg i v ei ts i m p l i f i c a t i o na n dr e a s o n a b l ea s s u m p t i o n s ，s oa ”m a c h i n e h y d r a u l i c ”h y b r i dc o m p l e xm a t h e m a t i c a lm o d q sw a se s t a b l i s h e d i nt h et h em o d e l ， t h ep r e l o a d ，l i q u i df l o wa u di n e r t i a lo s c i l l a t i o nc h a n n e ls h a p ea n do t h e rf a c t o r sw e r e t o o ki n t oa c c o u n t a st h ea b o v en o n l i n e a re l e m e n t sw a sj o i n e d ，t h em o d e la c c u r a c y i n c r e a s e d b a s e do i lt h i sm o d e l ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o u n tw a ss t u d i e d b yt h ea p p l i c a t i o no fm a t l a b | s i m u l i n ks o f t w a r e s e c o n d l y , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fm b b e rs p r i n gi se s t a b l i s h e db y u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n gs o f t w a r e a n s y si sa p p l i e dt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i nr u b b e rs p r i n g i t i sk n o w nt h a tt h et y p e so ft h ee l e m e n t sa n dt h es i z eo fm e s h i n gs c a l ew o u l da f f e c tt h e p r e c i s i o no ft h ec a l c u l a t i n gr e s u l t m o r ea t t e n t i o n ss h o u l db el o c a t e do nt h et y p e so f t h ee l e m e n t sa n dt h em e s h i n gs c a l ei nt h el a r g ed e f o r m a t i o nz o n e e v a l u a t et h er e s u l t b yq u o t i n gt w op a r a m e t e r s ：t h ed y n a m i cr i g i d i t ya n dt h el a g g i n ga n g l e t h ea n a l y s i s c o n s i s t so ft w om a i np a r t s ：t h ed r i v i n gf o r c ei nt h ef l r s tp a r th a sl o wf r e q u e n c i e sb u t l a r g ea m p l i t u d e s ，i nt h es e c o n dp a r t 奶t hh i g hf r e q u e n c i e sb u ts m a l la m p l i t u d e s f i n a l l y , o p t i m i z et h es t u r e t u r a lp a r a m e t e r so fr u b b e rs p r i n g t h o r u g hp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n ，t h ef o r c et r a n s m i t t e dt ot h eb o d yd e c r e a s e st h a nb e f o r e ，t h ei s o l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c eh a sb e e ni m p o r v e di nl o wf r e q u e n c y k e y w o r d ：h y d r a u l i cm o u n t ，t h ef i n i t ee e l e m e n t ，v i b r a t i o n ，n o i s e ，o p t i m i z a t i o n h i 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， 同意学校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。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密团 学位论毫作者签名磁爰多定 ， 厶? 秒年6 月t 日 指导教师签名：尉 加l 。年6 月，f 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。 学位论文作者签名：) 找芝圾 日期：加to 6 一 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的背景及意义 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，舒适性成了汽车，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。一方 面，随着道路条件的改善和轿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；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。然而发动机却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振动激 励成为轿车的主要振源，其输出转矩的周期性波动和不平衡惯性力( 矩) 既激起 动力总成本身的刚体振动和弹性振动，又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。由上可见动力总成悬置系统的振 动隔离特性对汽车的乘坐舒适性有着很重要的影响，性能良好的动力总成悬置系 统不但可以减少振动向车架的传递，降低车内噪声，提高乘坐舒适性，而且还可 以更好地保护动力总成。如何设计隔振性能优良的悬置系统以及有效地隔离发动 机振动向车身的传递，是汽车设计的一个重要方面。从汽车的发展历史中可以清 晰地看出发动机振动的隔离技术的发展过程。动力总成悬置元件作为振动传递途 径上的一个零件所引起的作用日益受到重视。如何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由经验设计发展成为一门科学。 1 2 发动机悬置的作用 悬置是发动机的隔振元件，动力总成的隔振悬置系统可以对动力总成与车架 之间传递的振动进行双向隔离，对降低车内振动和噪声起着重要的作用。乘坐舒 适性是汽车，尤其是轿车的一项重要性能指标。动力总成悬置系统的振动隔离特 性对汽车的乘坐舒适性有着很重要的影响。性能良好的动力总成悬置系统不仅可 江苏大学硕士学位论文 以减少动力总成振动向车架的传递，降低车内噪声，从而提高乘坐舒适性，而且 可以更好地保护动力总成。能源危机的出现促进了轿车设计的轻量化，加之平衡 性能较差的四缸发动机广泛应用于前置前驱动轿车，并且随着道路条件的不断改 善、人们环保意识的日益加强和市场竞争的日趋激烈，迫切要求提高动力总成悬 置系统的隔振效果。汽车行驶及发动机运转时的振动情况非常复杂，对悬置产生 影响的激励振源既有发动机内部的点火激励n 1 和惯性力及转矩激励瞳1 ，也有来自 外部的道路、悬挂系统、转向系统的激励。一般的说，悬置系统主要需要解决的 振动问题主要有钔： ( 1 ) 降低从发动机传递到车架的稳态振动。在汽车行驶及停车怠速运转时， 往复式内燃机的不平衡旋转质量和平移质量产生的不平衡力( 力矩) 和扭矩波动 的低阶( 主) 谐量激起发动机在悬置上的刚体振动，使发动机在怠速工况易发生 较强的低频振动，在高频区易引发起车内空鸣声。对于中低档轿车常用的直列四 缸发动机，怠速下产生的不平衡力和气压扭钷波动的二阶主谐量引起车体的共 振。 ( 2 ) 隔离因汽车底盘受不平路面和不平衡车轮的稳态( 随机) 振动向动力 总成的传递，消减发动机的低频颤动，同时可以抑制发动机动力总成的振动位移 幅值。于是，在5 2 0 h z 的范围内，悬置应该具有较大的动刚度和阻尼。 ( 3 ) 降低发动机在启动、熄火时和加速、减速、换挡、制动等非稳态工况 下发动机的瞬态振动及其向车体的传递，同时隔离车轮所受路面的冲击而引起的 动力总成的瞬态振动。 综上所述，由隔振理论1 可知，理想的发动机悬置系统除支撑动力总成的质 量外，还能有效的隔离发动机的内部激励，防止过激振动和高频噪声传向车内， 对人的乘坐舒适性造成影响。同时减少发动机受外部激励的冲击，保障发动机在 非稳态工况下的稳定，不会因为与车架之间的相对运动过大而受损。因此悬置在 低频大振幅振动激励下，隔振性能良好的悬置元件是具有良好的振动隔离特性的 悬置系统的基础。为了抑制动力总成的振动位移幅度，在低频大振幅时，悬置应 具有大阻尼、高刚度的特性，这个频段大约为1 - - 2 5 h z ，对应悬置元件的输入位 移振幅幅值在l m m 量级范围内；而在高频小振幅时悬置应具有小阻尼、低刚度的 特性，以降低高频的振动传递率，这个频段大约为2 5 - - - , 2 0 0 h z ，对悬置元件的输 2 江苏大学硕士学位论文 入位移幅值在0 1 m m 量级范围。因此，悬置的动刚度和阻尼必须同时具有频变特 性和幅频特性，是典型的非线性元件嘲。 发动机悬置系统可以对动力总成与车架之间的振动进行双向隔离，因此，实 质性地改善发动机悬置系统特性，对降低车内振动和噪声有着非常重要的作用。 发动机悬置系统的功能除了支撑发动机的重量以外，主要就是隔离振动。对于发 动机悬置系统的要求有以下几个方面h m 3 ： ( 1 ) 支承发动机总成的重量，在各支承上的载荷应有合理的分配； ( 2 ) 发动机工作时不应过多地将振动传递给底盘和车身； ( 3 ) 在汽车紧急制动、加速或受其它外界负荷的作用下，发动机不应有过 大的位移； ( 4 ) 弹性支承元件应有足够的使用寿命。 发动机悬置系统解决的主要振动问题有以下几个口1 ： ( 1 ) 降低从动力总成传递到车架的稳态振动； ( 2 ) 隔离因汽车底盘受不平路面和不平衡车轮激励的稳态( 随机) 振动向 动力总成的传递，消减动力总成的低频抖动( 6 - 1 2 h z ) ； ( 3 ) 降低在发动机启动、熄火时和汽车加速、换档、转弯、减速、制动等 工况下动力总成的瞬态振动及其向车身的传递，同时隔离车轮受路面冲击引起的 动力总成的瞬态振动。 发动机悬置系统的理想动特性是h 1 ： ( 1 ) 悬置具有较高的静刚度，以支承动力总成重量和输出扭矩； ( 2 ) 悬置具有低频大阻尼、高刚度特性，以衰减汽车起动、制动、换档、 急加速以及减速等过程中，因发动机输出扭矩波动引起的大振幅振动； ( 3 ) 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； ( 4 ) 悬置在2 5 h z 附近应当具有较低的动刚度，以衰减怠速振动； ( 5 ) 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。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 发动机悬置的发展 1 3 1 橡胶悬置 1 9 3 0 年，l o r d 首先将橡胶悬置应用到汽车中n 1 1 ，用来隔离从发动机到车体 的振动传递。自从这之后，许多研究人员( 例如：b r o w n e 和t a y l o r ，1 9 3 9 ；c o l e m a n 和a l s t a d t ，1 9 5 9 ) 先后对橡胶悬置做了很多改进，例如：提高悬置的粘结强度， 扩大适用温度范围等。 橡胶悬置在隔离发动机振动方面被成功地使用了很多年。近年来汽车朝着小 型化、轻型化、前轮驱动、怠速较低方向发展，这促进了使用具有更好隔振性能 的悬置来替代橡胶悬置。 1 3 2 液压悬置 液压悬置概念最早出现在4 0 年代末n 羽，1 9 6 2 年美国通用公司 r i e h a r d r 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，并申请了美 国专利n3 l 。7 0 年代末，国外的轿车动力总成开始采用液压悬置。自8 0 年代开始， 世界各大汽车公司和研究机构竞相研究开发液压悬置，使之得到了迅速发展并流 行起来，现已成为汽车动力总成系统的主要隔振技术之一。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n 钔。1 9 8 1 年p o r s c h e 9 4 4 运 动型轿车安装了液压悬置，有效地降低了车内噪声、提高了乘坐舒适性。1 9 8 4 年e s c a n 公司和f r e u d e n b e r g m e g u l a s t i k 公司联合开发了惯性通道一固定解耦膜 式液压悬置，应用于一种f r 式汽车的直列6 缸汽油发动机悬置系统n 鄹。1 9 8 5 年 d a i m l e r b e n z 公司为1 9 0 1 9 0 e 、2 0 1 、1 2 4 系列轿车开发了液压悬置系统，有效 地衰减了地面激励引起的动力总成低频振动。1 9 8 8 年a u d iv 8 动力总成悬置系 统的所有悬置均采用液压悬置。美国g m 公司于1 9 8 5 年开始在所有装有a 型和x 型车身的四缸和六缸发动机动力总成悬置系统中采用液压悬置n 钔，从此液压悬置 开始在美国汽车上得到广泛应用。同年，f o r d 汽车公司也在s u p e r c a b 轻型货车 动力总成悬置系统中采用液压悬置n ，标志着液压悬置由高级轿车向其它类型的 汽车普及。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 被动式液压悬置 被动式液压悬置大致分为三类n 8 1 ：带有简单节流孔的悬置、带有惯性通道的 悬置以及带有惯性通道和解耦盘( 解耦膜) 的悬置n 钔。节流孔和惯性通道在某些 方面不一样，但都会在低频时产生阻尼，从而减小振动的传递，起到降振隔噪的 作用。由惯性通道产生的阻尼称为“惯性放大阻尼 ，它被认为具有更好的阻尼 效应。通常情况下，带有节流孔或惯性通道的液压悬置的动刚度比简单的橡胶悬 置的大，这就意味着，虽然在低频时这些类型的液压悬置可以显著的增大阻尼， 但在高频时却恶化了隔振效果。这个问题通过在液压悬置中使用解耦盘可以解 决，它的功能类似于一个限制振幅的浮动活塞。带有解耦盘的液压悬置隔振效果 更好：高频小振幅时，它类似于普通的橡胶悬置，从而很好的隔振；低频大振幅 时，它则类似于一个普通的液压悬置产生阻尼以衰减振动。带有解耦盘的液压悬 置具有良好的动刚度特性，因此被广泛应用在汽车中。典型的带有解耦盘( 膜) 的液压悬置具有如下特点： ( 1 ) 具有一个橡胶主簧，能够支撑发动机质量，并可以起到活塞作用以推动 液体往复于上下液室； ( 2 ) 具有两个分离的液室，液体可以在其间自由流动； ( 3 ) 具有惯性通道或节流孔以产生阻尼； ( 4 ) 液室与外界密封良好； ( 5 ) 具有解耦盘( 膜) ，以在高频小振幅时，吸收振动能量。 l j 捩土羹2 节臻一饭罩空气寞廊囊 h 敷酸麒争嘣坤矾嚏难 陶2 - 5 竣腹蔻鬟结构箍掰 图1 1 解耦膜式液压悬置简图 f i g 1 1d e c o u p li n gm e m b r a n eh y d r a u li cm o u n td i a g r a m 5 江苏大学硕士学位论文 低频大振幅情况下，悬置的泵吸作用很大，这会使得解耦盘触到底端，从而 造成液体不能够再通过它而只能通过惯性通道流动。此时，液压悬置的静刚度大 致相当于橡胶主簧的静刚度。当频率增大时，液体在惯性通道中流动会产生额外 的阻尼，从而造成动刚度增大，直到达到共振频率为止。当超过共振频率时，惯 性通道事实上关闭了，即造成了“动态硬化川瓤乜。这时，悬置的刚度大致上等 于橡胶主簧的刚度与体积刚度之和。在高频时，液压悬置的动刚度会比橡胶悬置 的动刚度大。高频小振幅时，液体将通过解耦盘流动，而不是惯性通道，这使得 液压悬置近似于一个橡胶悬置。 1 3 4 半主动控制式悬置 被动式液压悬置并不能解决所有的问题。最近几年，为了解决被动悬置内在 的一些问题，提高悬置的性能，半主动( 或者在某些工况下，自适应控制) 和主 动控制技术开始被应用在悬置设计中。在半主动控制液压悬置中，可以通过调节 一个或者多个系统参数来调整系统动态响应。大多数情况下，半主动振动控制的 基本思想是通过改变发动机悬置的动特性( 例如阻尼) 来消耗振动能量。它一般 通过开环控制来实现，并且因为消耗了振动能量，不会出现稳定性问题。 半主动控制液压悬置可以通过控制系统参数来改变系统的动态响应，而弹簧 刚度和阻尼都可以作为控制参数。近年来，电流变液体在半主动控制发动机悬置 中越来越受到关注，因为当施加一个电场时，电流变液体的粘特性会迅速地改变。 电流变液体的这个特性可以很容易的被用来控制系统的阻尼。 大多数半主动控制液压悬置系统的动特性响应对系统参数很敏感。众多前人 的研究工作说明要想获得发动机悬置系统性能的最优化，就要对系统参数进行广 泛、深入细致的研究。另外，几乎所有的相关报告都说明了半主动发动机悬置系 统主要是在低频范围内改变系统性能。为了改善高频振动隔离效果，主动控制技 术开始被应用到了悬置系统中。 1 3 5 主动控制式悬置 在主动振动控制中，通过一个或者多个作动器产生一个用于中和的动态力， 从而衰减系统的传递力。换句话说，需要提供一个连续的主动能量源以抵消目标 能量源。它一般通过闭环控制来实现。 6 江苏大学硕士学位论文 典型的主动式发动机悬置由以下几部分构成啪1 ：一个被动悬置( 橡胶式或液 压式) 、力作动器、结构振动传感器、电子控制器。其中的被动悬置用以支撑发 动机。作动器产生动态力，它必须有合理的振幅，并且对控制信号响应迅速。结 构振动传感器可以是力传感器，也可以是加速度传感器，它提供控制信号给控制 器以调整由作动器产生的力的振幅和相位角，从而降低振动的传递。对于控制器， 适用于主动发动机悬置的有很多种，即可以是反馈式的又可以是前馈式的 ( s w a n s o n ) 儿矧0 主动振动控制通常都采用闭环控制器。 通过以上的讨论，可以很容易知道半主动控制液压悬置主要用来改善系统的 低频特性。而主动控制式悬置则可以在低频时很硬，高频时很软。通过精细调节， 主动发动机悬置可以承受比较大的发动机振动程度。这样就可以降低对旋转平衡 轴的要求，并可以允许汽车底盘更加轻型化( m i l l e r 和a h m a d i a n ，1 9 9 2 ) 。由于 主动悬置需要用到传感器、控制单元、能量源，相对于被动式发动机悬置系统， 主动悬置系统会带来重量增加、成本提高、能量消耗、系统可靠性降低等不良影 响( r i v i n ) ，因此到目前为止主动悬置应用还不是很广泛，但是很多专家都认为 它将成为发动机悬置的一个发展方向。 1 4 国外液压悬置的发展 汽车动力总成悬置系统是逐渐发展和完善的，它最初是用螺栓刚性地连接在 车架上，发动机产生的振动和噪声直接地传到车体。这种方法最简单，缺点也最 明显，就是发动机产生的振动和噪声直接传递到车体，而且易引起发动机缸体和 支架的损坏。简单的补救方法就是加一些皮革和布垫来连接动力总成和车架。随 着对舒适性要求的提高，动力总成悬置开始被学者们作为一个重要的研究对象 瞄1 。1 9 3 9 年，i l l i f e 提出了悬置系统设计的一些基本原则嘶1 。六自由度解耦理 论和计算方法则是在2 0 世纪5 0 年代h o r i s o n 和h o r o v i t z 完成的，他们把动力 总成的悬置系统进行了简化：动力总成和车架看作刚体，橡胶块看作纯弹簧。他 们利用动力总成惯性主轴特性、撞击中心理论，阐述了通过调整悬置点位置和悬 置刚度，来使前后悬置的振动相互独立，以便对它们进行单自由度的处理。这是 较早的也是较成熟的悬置设计理论。伴随计算机技术的发展及应用，使得悬置系 统优化设计和仿真分析得以迅速发展。学者们进行了大量的研究，其中具有代表 7 江苏大学硕士学位论文 性的是： 1 9 6 2 年，r e r a s m u s s a n 申请了液阻悬置专利叼1 。从此，世界各国学者对 液阻悬置展开了大量的研究和实验汹矧。 7 0 年代，j o h n s o n 首次将优化技术应用到了悬置系统的设计中。以悬置刚度 和悬置位置为设计变量进行优化计算，以合理设置系统固有频率和各自由度的振 动解耦为目标函数，使系统各平动自由度间的振动耦合大为减少嘲。原西德大众 公司在a u d i 5 缸发动机第一次应用了液阻型悬置口。8 0 年代，r r a c c a 以限制 悬置空间、悬置位置、刚度、固有频率和振动解耦等方面来考虑悬置的减振隔振 性能，对传统的f r 式悬置系统设计进行了全面总结m 1 。h h a t a 和h t a n a k a 对 怠速工况下悬置系统的振动进行了研究口羽，指出： 1 优化悬置位置好于优化刚度； 2 车身弯曲共振频率应远高于怠速频率： 3 动力总成的共振频率应小于1 2 倍的怠速频率。 e s c a n 公司开发了惯性通道一固定解耦膜式液压悬置m 1 。之后，1 9 8 5 年通用 公司将a 型和k 型车采用液压悬置啪1 ，福特乏? 司将液压悬置应用于轻型货车上， 液压悬置开始普及。并且这一时期，液力悬置开始由被动式向半主动控制主动 控制的方向发展。9 0 年代，半主动控制式液力悬置有了较成熟的发展。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 液力悬置系统啪1 ；美国l o r d 公司也对电流变隔振器进行了研究，出现了陶瓷作 动器的主动悬置m 1 。2 0 0 0 年以后，随着对电流液、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啪1 的发展。如2 0 0 2 年，韩国的y - w - l e e 把电磁作动器与液压悬置的解耦盘连接， 形成作动的活塞，直接驱动液压悬置里的液体，改变了悬置的动刚度；同年加拿 大的m s f f o u n m a n i 设计了一种形状记忆金属式主动悬置；2 0 0 3 年日本五十铃公 司也采用了电磁作动器与液压悬置的结合，显示出较高的应用价值。 1 5 国内液压悬置的发展 国内有关动力总成悬置系统的研究始于上世纪8 0 年代，由清华大学和二汽 产品设计处合作对e q l 4 2 汽车动力总成橡胶悬置系统开展研究。从9 0 年代初期 8 江苏大学硕士学位论文 开始，吉林工业大学和长春汽车研究所合作，以c a 7 2 2 0 轿车为研究对象，从动 力总成悬置系统到整车振动系统都进行了系统的理论和实验研究。同时，吉林大 学汽车工程学院与江西五十铃公司合作，成功完成了全顺轻型客车动力总成悬置 系统的国产化开发和试制工作。9 0 年代末期开始吉林大学又将动力总成悬置系 统的研究重点转向半主动和主动控制式液压悬置，先后对国产某轿车采用的气体 控制式半主动液压悬黄以及带有压电作动器的主动悬置进行了研究和开发工作。 国家自然科学基金项目“智能型发动机压电悬置设计理论与实验研究 ( 5 0 0 7 5 0 3 4 ) 工作也取得了显著的成果删删m 。 此外，国内一汽集团技术中心、北京理工大学等科研单位也分别开展了动力 总成悬置系统的研究和开发工作，取得了一定的成果儿蜘。 1 6 液压悬置的研究现状 1 6 1 研究单位 从事悬置研究的单位很多，国外的既有如美国通用公司、日本三菱公司，德 国奔驰、大众公司等著名汽车生产商，也有氪德国f r e u d e n b e r g 公司这样专门从 事汽车悬置系统设计和悬置元件开发的公司，还有如美国俄亥俄州大学、西北大 学、北达科他州大学等专业科研单位。国内从事悬置研究的单位主要有一汽、二 汽神龙汽车、吉林工大和清华大学等。相比之下国外开展液压悬置研究的时间较 长，对悬置的减振机理和动特性的研究比较深入，研究的重点以悬置的设计创新 为主。国内的研究起步比较晚，重点主要以消化吸收国外同类轿车的悬置系统布 置方式和研究现有悬置产品的动特性为主。 1 6 2 研究内容 对发动机悬置系统的研究大体可分为两部分。一是悬置系统的优化设计，包 括确定各个悬置的位置和倾斜角度，合理匹配动力总成悬置系统的各向固有频 率，以最大限度的发挥已有悬置的潜能3 。这方面的研究对旧有车型悬置系统的 改进和新车型悬置系统的设计有很大的现实意义。二是液压悬置元件的结构设计 和减振机理的研究，液压悬置是非线性很强的复杂元件，在进行设计时，多数研 究者希望通过建立精确模型，进行仿真计算，有效地预测动刚度和阻尼的频变特 9 江苏大学硕士学位论文 性和幅变特性，从而代替台架实验，缩短设计开发周期。 1 7 本课题的研究价值及主要内容 1 7 1本课题的研究意义及应用价值 针对汽车动力总成振动和噪声引起的乘坐舒适性下降等问题，开展与动力总 成悬置系统隔振性能相关的研究工作，通过对基础车型动力总成悬置系统的动力 学特性的仿真研究和基于对目标车型的优化设计，为企业新产品开发工作提供了 技术依据。同时，本项目研究过程中所采用的基于虚拟样机的仿真分析方法和基 于对目标车型的优化设计手段也为企业完善现代产品开发流程提供了技术基础。 1 7 2 本文研究的主要内容 1 综述液压悬置的结构、原理、及发展的情况，介绍液压悬置对隔振降噪的 研究现状。 2 液压悬置系统模型的建立。建立动力液压悬置结构系统的力学模型，然后 利用力学理论，建立液压悬置系统的数学模型。 3 在江苏大学江苏省汽车工程重点实验室的试验台上对相同工况下液压悬 置和橡胶主簧的动、静态特性进行了测试及对比分析，并由试验结果对所建模型 进行了验证。 4 在m 棚a b s i m u l i n k 中建立仿真模型，对悬置系统模型的动特性进行仿 真，同时将仿真结果与实验结果比较，证实模型的准确性。 5 阐述了橡胶的非线性弹性基本理论，为有限元分析奠定基础。在a n s y s 中建立橡胶主簧的有限元模型，并对其进行动特性仿真计算。 6 橡胶主簧系统参数优化。针对橡胶主簧的复杂特性，运用有限元分析软件 a n s y s 对橡胶主簧进行优化设计。 l o 江苏大学硕士学位论文 第二章汽车发动机液压悬置系统理论模型的建立 2 1 液压悬置的结构 1 9 7 9 年原西德大众公司第一次将液压悬置应用于a u d i 五缸发动机汽车上， 在此后的二十多年里，各汽车大国对液压悬置进行了大量的研究，使其结构由简 单到复杂，控制方式也由被动式发展到半主动式、主动式，设计生产技术趋于成 熟，性能也日趋完善。被动式液力悬置结构尺寸较小，制造安装简便，隔振降噪 性能相对传统的橡胶悬置有明显改善，因此在汽车上应用较为广泛。而半主动和 主动控制式液压悬置的设计生产技术尚未成熟，但它们是动力总成悬置未来发展 的方向。 如第一章介绍的内容所述，一般液压悬置须具备以下几个基本特点： ( 1 ) 能承受一定的静态及动态载荷。 ( 2 ) 具有液体介质。 ( 3 ) 有上、下两个独立的液室，可使液体在其间流动。 ( 4 ) 两液室由能产生阻尼作用的节流孔或惯性通道相连。 ( 5 ) 在液室与外部之间具有良好的密封。 目前经济型轿车上使用最多的是惯性通道一解耦膜式液压悬置，其具体的结 构形式和填充液体可能略有区别，如解耦元件，液体介质等等，但其基本构成和 功能都大体相同。 2 1 1 惯性通道一解耦膜式液压悬置的结构 如图2 1 所示，其为样车采用的液压悬置结构简图，该悬置为双腔被动式液 压悬置，两个液室之间采用惯性通道连接，并带有解耦盘。悬置主要有弹性支承 和液压减振两大部分组成。 2 1 2 弹性支承部分 橡胶主簧1 是液压悬置的主要受力构件，需承受动力总成6 0 以上的静载荷 并承受动力总成工作时的动载荷，要求其在高低温条件下都能正常工作，且能耐 疲劳，耐臭氧，耐龟裂，耐腐蚀，并具有与金属良好的粘接性等特性。橡胶主簧 江苏大学硕士学位论文 多采用天然橡胶或丁睛胶。 联接螺柱8 与铝合金金属骨架9 通过铸造镶嵌为一体，是连接发动机支撑臂 与悬置的关键构件，橡胶主簧硫化浇注在金属骨架上。 为弥补橡胶主簧刚度的不足，保证橡胶主簧的形状，提高液压悬置的侧向静 刚度，橡胶主簧内部有一个采用含硅，锰的高强度钢的杯形骨架。 1 、橡胶主簧2 、缓冲限位器3 、惯性通道体上压盖4 、惯性通道体 5 、惯性通道体下压盖6 、底膜7 、下底座总成8 、联接螺栓9 、金属骨架 图2 1 样车液压悬置结构简图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp r o t o t y p eh y d r a u l i cm o u n t 缓冲限位器2 控制橡胶主簧的极限压缩位置，使液压悬置的z 向静刚度显 出强非线性，在发动机启动、熄火、汽车起步，停车，突然加速以及突然制动等 载荷突变、橡胶主簧变形过大的情况下，缓冲限位器碰到惯性通道体上半部分3 的上表面，从而限制发动机过大的位移。下底座总成7 是液压悬置密封和承力的 关键部位，同时也起到保护底膜6 的作用，要求其有足够的刚度保证高频隔振性 能。底座7 上有通气孔，与大气相通。 2 1 3 液压减振部分 液压减振部分的弹性主体由橡胶主簧和底膜构成，惯性通道体将悬置内部空 腔分隔成上下两个液室，液室内充满了成分为水和乙二醇混合液的工作介质。 底膜呈波纹状，其体积刚度比橡胶主簧的小很多，工作时其自由变形以吸收 1 2 江苏大学硕士学位论文 上液室的体积变化。 惯性通道体为质轻，耐腐蚀的铝合金材料，其上下两部分通过过盈配合压在 一起形成惯性通道。解耦盘嵌在惯性通道体中间，并与隔板上的中心孔一起形成 解耦通道。 解耦盘中的补偿孔主要用来降低低频空穴噪声。在低频大振幅的激励下，当 橡胶主簧向上运动时，由于液体的粘性和惯性，来不及对上腔作流动补偿，于是 在上腔产生真空度，并产生空穴噪声，采用补偿孔是消除空穴噪声的有效措施， 但以牺牲低频大振幅时的隔振能力为代价【4 5 】【蛔【4 9 】。 2 2 液压悬置的工作原理 2 2 1静止状态 当发动机处于熄火状态，液压悬置只承载动力总成部分的静态载荷，即动力 总成的重量。其中，主要由橡胶主簧承受载荷，液压悬置内部上下两腔液体保持 相对静止，无液体交换。 2 2 2 低频隔振 发动机低速运转时，液压悬置受到低频，大幅度的激励，橡胶主簧承受动态 载荷上下运动，产生类似与活塞的泵吸作用。上下液室间产生压力波动，通道内 液体质量随着上液室的泵动在惯性通道中来回运动而出入下液室，形成振荡液 柱。液柱在运动中产生沿程能量损失和在出口、入口时的局部能量损失，从而达 到衰减振动能量的目的。在振动过程中，上下液室的压力克服液柱的惯性阻力而 使液柱具有的动能在入口和出口处被损失掉了，称之为惯性能量损失，即消 耗了振动能量，从而达到衰减振动的目的【明【娼】【4 9 】【5 0 】。 由于橡胶主簧具有一定的体积刚度，在压力增大时会膨胀变形，占用一部分 液体体积；同时，有小部分液体经解耦通道，补偿孔流入下腔，这两股旁流对低 频大振幅振动时的惯性能量损失有一定的影响【4 9 】。 2 2 3 高频隔振 当液压悬置受到高频小振幅激励时，惯性通道内的液柱惯性很大，此时液柱 几乎来不及流动，悬置出现动态硬化。由于解耦盘在小变形时刚度特别小，解耦 江苏大学硕士学位论文 通道内的液柱与解耦盘高速振动，上下腔的压力克服解耦通道内液柱的惯性力而 使得液柱具有的动能在解耦通道的入口和出口处被损失掉了。因此，解耦盘的存 在，降低了液压悬置的高频动刚度，同时消除了动态硬化【4 5 l 【钙】【4 9 】。 2 3 液压悬置动特性定义 惯性通道一解耦盘式液压悬置是一个非线性的振动系统，其频响特性与激励 的振幅有关。液压悬置动态特性的定义如下： 2 3 1 动刚度和滞后角 定义动刚度和滞后角有以下两种方法： l 、基于传递函数方法定义的动刚度和滞后角嘲m 2 悃1 。 悬置有静态特性和动态特性，静特性为作用在悬置三个弹性主轴方向上的力 与位移关系，一般为非线性。由于液压悬置的动特性非线性强烈，不仅与激励的 频率有关，而且与激励信号的幅值有关，所以定义液压悬置在频率为缈的正弦力 信号e = f s i n e a t 的激励下的跨点复刚度为： k 串( 扣) = k ( j 6 0 e 弦m k ( 国) = k ( 缈) c o s 矽( 国) k 一 ) = k ( a o s i n 矽( a o k 木( j e a ) = k ( 国) + j k 一( 国) 式中： k 凇( 国) = c ( 国) f ( 彩) ) 即跨点复刚度在数值上等于输出力信号的一阶谐量与激励响应的力之比。 k ( 缈) 为存储刚度，复刚度的实部，即弹性部分。 k 一( 彩) 为损失刚度，复刚度的虚部，反映液压悬置的阻尼特性。 定义动刚度和滞后角： = ( k ) 2 + 一) 2，t a n ( 矽) = k 7 k 当激振频率为国时，阻尼系数与动刚度和滞后角的关系为： 1 4 江苏大学硕士学位论文 c = 局s i n ( # ) a ) 2 、基于几何作图方法定义的动刚度和滞后角嘲1 嘲。 此方法假定系统为线性系统，即当激励位移为正弦时，其力响应亦为正弦， 以位移为横坐标、力为纵坐标作图，即得到系统的迟滞回线。记昂、s o 分别为 力和位移的幅值，a 为迟滞回线的面积，则动刚度、滞后角可以由以下公式计算 得到： 动刚度= f o s o 阻尼角滞后角矽= 嬲i n 唏a ) 悬置的动特性与作用在其上的预载、激振振幅和激振频率有关，因此，谈及 悬置的动特性时，要区分是在低频、打振幅作用下的特性，还是在高频、小振幅 作用下的特性。 2 3 2 传递率 为了减少发动机振动向车身传递，在动力总成与车身连接中采用了悬置隔振 件。隔振件的有效性一般用力和位移的传递率来度量，即隔振系数。 力传递率：刀，= 盂蒿皂票嘉幕望蒙蒡黼 位移传递率：仇= 面再鬈善羹霁凳鬟票篆嘉熊 隔振效率：e = ( 1 7 7 ) 木1 0 0 假设液压悬置受到的力信号b 的f o u r i e r 级数的一阶谐量幅值为f ，则： 当国 3 0 h z 时，力传递率定义为：豫( 国，以) = 2 0 xl o g ( f r f ) 2 4 液压悬置的物理模型 为了研究惯性通道一解耦膜式液压悬置的性能，建立描述其本质特性的物理 江苏大学硕士学位论文 模型是非常重要的。为了使模型能突出悬置动特性的主要影响因素，同时具有足 够的精确性，进行如下假设： ( 1 ) 流体不可压缩。流体的压缩性大小通常用流体的体积弹性系数日表示， 它表示液体抗拒压缩的能力。弹性系数愈大，压缩性愈小。水在2 0 c 、一个大 气压下毋等于1 9 7 9 6 g p a ，考虑与液压悬置内部等体积的水，其 等= 1 2 x 1 0 1 3 m 5o 而橡胶主簧的体积刚度嘉3 x 1 0 1 0 小5 为前者的1 4 0 0 ， 因此可以认为流体是不可压缩的。 ( 2 ) 液力减振部分对x 向和y 向动特性影响不大。试验证明，液压悬置的 液力减振部分对其z 向动特性有较大影响，而对侧向( x 、y 向) 的动特性影响 不大，所以本文只建立液压悬置z 向力学和数学模型。 ( 3 ) 上、下液室间的液体渗透可以忽略，即上、下液室内的液体只能流向 惯性通道或者解耦膜。 ( 4 ) 上、下腔内压力均匀。忽略上、下腔中由于液体的运动