（车辆工程专业论文）车辆动力总成悬置系统匹配优化仿真研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明科鲫桫 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。除文中已经注明引用的内容外，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： 考咨彰 日期：力力，年乒y j 沙日 重庆交通大学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。本人授权重庆交通大 学可以将本学位论文的全部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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 日期：2 , , 9 1 1 年4 - 月 私忍 播e l 指导教师签名： ， 日期：2 o 1 年垆月g 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全 文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名： b 强：沙l1 年4 - 其 另长芬 ? 毽b 特教师繇循轭。乒 日期：zr ，年圹月fye l n 摘要 动力总成是车辆噪声振动的主要激励源之一。车辆 直接影响到振动向车体的传递，从而影响整车的振动和 果的因素多，且各因素具有交互作用，仅对单个悬置参数进行优化难以满足多个悬置匹配的 整体要求。因此，根据悬置系统动力学模型优化结果，研究多个悬置构成的悬置系统各方向 刚度对隔振的相互作用，从而获得其影响的重要程度，不仅可作为悬置系统设计参数选择的 参考，而且可为生产实际中悬置系统参数的快速调整提供方向，对提高悬置系统的隔振效果， 缩短研发周期，降低研发成本，具有现实意义。 首先，本文在分析动力总成悬置系统作用和要求基础上，结合系统动力学隔振理论，用 拉格朗日法建立了六自由度动力总成悬置系统的数学模型。然后以系统主振动方向上的能量 解耦率为优化目标进行了优化设计。优化结果表明，优化后的固有频率能避开路面载荷和风 力载荷的激励频率范围；其主振动方向的能量解耦率明显提高。 其次，分别针对单个悬置的刚度，对动力总成悬置系统进行了多因素试验分析。对每一个 悬置的三个主轴方向的刚度进行了正交试验并进行仿真。根据试验结果，用极差分析法分析 了悬置各向刚度对系统综合解耦率评价指标的影响，并分析了它们对六个主振动方向解耦率 的影响。结果表明，对于系统的左悬置，其垂向刚度对系统的x 、z 、b 方向的解耦率影响 最明显；对于右悬置，其纵向刚度对系统的所有方向的解耦率的影响最为重要；对于后悬置， 其垂向刚度对系统的、q 、y 方向的解耦率影响最为重要。 最后，根据上一步的结论，同时考虑所有悬置各主轴方向的刚度，设计了考虑主要因素 交互作用正交试验，并进行了极差分析。结果表明，对动力总成悬置系统综合指标影响最重 要的是左悬置的x 向刚度。因素的单独作用对系统解耦率的影响为交互作用对系统影响的 2 7 7 倍。在对悬置系统各向解耦率影响最大的前五名因素( 包括交互作用) 中，分别在x 、 y 、z 、a 、b 、y 方向上占相应所有因素极差总和的4 2 2 2 、5 6 9 、5 6 2 7 、4 3 1 2 、7 5 6 7 、 7 1 8 。而对于影响最不重要的五个因素( t g 括交互作用) ，占所有因素极差总和的百分比分 别为：4 6 1 、0 4 7 5 2 、0 1 8 3 6 、5 0 1 1 8 、0 7 0 2 4 、0 9 4 8 6 。 关键词：动力总成悬置系统；优化设计；多因素分析；正交试验 a b s t r a c t n e p o w e r t m i ni so n eo fm o s ti m p o r t a n tv i b r a t i o ns o u r o fv e h i c l e 们1 ep o w e r t r a i n m o u n t i n gs y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt ov e h i c l eb o d y f r a m ea n de f f e c t sd i r e c t l yo nt h e p e r f o r m a n c eo fn o i s ea n dv i b r a t i o n m a n yf a c t o r sc o n t r i b u t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea n d t h e r ea r ei n t e r a c t i o ne f f e c t sb e t w e e nt h o s ef a c t o r s s oi ti sh a r dt os a t i s f yt h ew h o l er e q u i r e m e n t o ft h e p o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e mo n l yt h r o u g ho p t i m i z ep a r a m e t e r so fo l l em o t m t t h e r e f o r e ，i t si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n dt h ef a c t o r s e s s e n t i a l i t yb ys t u d i n gt h em o u n t s e f f e c t o nt h e p o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m sm a t c h i n gp e r f o r m a n c eb a s e do nt h er e s u l to f o p t i m i z a t i o n 功er e s u l tn o to n l yc a np r o v i d ear u l et od e s i g nt h ep o w e r t r a i nm o u n t i n g s y s t e m sp a r a m e t e r , b u ta l s o ( ：a l la d j u s tt h ep a r a m e t e rp r o m p t 1 f 1 地v i b r a t i o nc a l lb eb e t t e r i s o l a t e d , r e s e a r c hp e r i o dc 砚b es h o r t e na n dt h ec o s tc a l lb er e d u c e d f i r s t l y , t h es i xd e g r e eo ff r e e d o mm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m i sc r e a t e db yl a g r a n g i 趾m e t h o db a s e do nt h ea n a l y s ea n ds y s t e m i c d y n a m i c s a n dt h e n o p t i m i z a t et h ep o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e ma i m e dt h eh i g he n e r g yd e e o u p l i n g t h er e s u l t s h o w st h a tt h ef r e ef r e q u e n c yc a l la v o i dt h ef i e q u e n e yr a n g eo ft h er o a da n dw i n d i ta l s o s h o w st h a tt h ee n e r g yd e e o u p l i n go fm a i nv i b r a t i o nd i r e c t i o ni si m p r o v e d s e c o n d l y , t h em u l t i f a c t o re x p e r i m e n ti s e x e r t e df o re a c hm o u n t sd i f f e r e n te n g i n e m o u n t ss t i f f n e s s f i r s tm a k eao r t h o g o n a ld e s i g na n da n a l y s et oe a c hm o u n t n er a n g e a n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e l e f tm o u n t ss t i f f n e s si nv e r t i c a ld i r e c t i o ne x e r t sg r e a ti m p a c t0 1 1s y s t e m se n e r g yd e e o u p l i n go f d i r e c t i o nx 、z 、i b f o rt h er i g h tm o u n t , t h el o n g i t u d i n a le x e r t sg r e a ti m p a c t0 1 1s y s t e m se n e r g y d e e o u p l i n go fa l ld i r e c t i o n f o rt h eb a c ko n e ，s t i f f n e s si nv e r t i c a ld i r e c t i o ne x e r t sg r e a ti m p a c t o i ls y s t e m se n e r g yd e e o u p l i n go fd i r e c t i o nx 、z 、口、t f i n a l l y , ao r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g ne o n s i d e r da l lt h em o u n t s f a c t o r sa n dt h e i r i n t e r a e t i 一- o i le f f e c t si sd e s i g n e d 1 f 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y s e db yr a n g ea n a l y s i sm e t h o d n 屺r e s u l ti n d i e a t e st h a tt h el e f ta n dr i 出m o u n t ss t i f f n e s si nxd i r e c t i o ne x e r t sg r e a ti m p a c t o ns y s t e m s s y n t h e t i e a u ye n e r g yd e e o u p l i n g t h ef a c t o r s d i r e c te f f e c t s0 1 1s y s t e m s s y n t h e t i c a l l ye n e r g yd e - - c o u p l i n gi s 2 7 7t i m e st h a nt h e i n t e r a c t i o no l l e ，n 把t o pf i v e f a c t o r s ( i n c l u d e d i n t e r a c t i o n e f f e c t s ) e x t r e m ed i f f e r e n e eo nt h ed i r e c t i o na c c o u n t e d r e s p e c t i v e l yf o r4 2 2 2 、5 6 9 、5 6 2 7 、4 3 1 2 、7 5 6 7 、7 1 8 o f a l lf a c t o r s a n dt h e b o t t o mf i v ef a c t o r s ( i n c l u d e di n t e r a c t i o ne f f e e t s ) e x t r e m ed i f f e r e n c eo i lt h ed i r e c t i o nx 、y 、z 、a 、 p 、丫a c c o u n t e dr e s p e c t i v e l yf o r4 6 1 、0 4 7 5 2 、0 1 8 3 6 、5 0 1 1 8 、0 7 0 2 4 、0 9 4 8 6 o f a l lf a c t o r s k e y w o r i o s - p o w e r t r a i nm o u n t i n gs y s t e m ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；m u l t i f a c t o ra n a l y s e ； o r t h o g o n a ld e s i g n 目录 第一章绪论1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 动力总成悬置系统研究进展2 1 2 1 悬置元件进展2 1 2 2 动力总成悬置系统匹配研究进展3 1 3 本文研究的内容6 1 4 本文研究的研究思路6 第二章动力总成悬置系统匹配理论8 2 1 动力总成悬置系统的作用和要求8 2 2 动力总成悬置系统的隔振原理8 2 3 悬置阻尼匹配1 1 2 4 悬置系统的模态匹配1 2 2 5 动力总成悬置系统的分布形式及配置规律1 4 2 5 1 纵置动力总成悬置系统的布置形式1 4 2 5 2 横置动力总成悬置系统布置形式1 5 2 6 本章小结1 5 第三章动力总成悬置系统建模1 7 3 1 动力总成悬置系统模型形式的选择1 7 3 2 动力总成悬置系统模型简化1 8 3 3 动力总成悬置系统运动微分方程1 9 3 3 1 系统的动能1 9 3 3 2 系统的势能2 0 3 3 3 系统的耗散能2 2 3 3 4 悬置系统的数学模型2 2 3 4 本章小结2 3 第四章动力总成悬置系统分析与优化设计2 4 4 1 动力总成悬置系统固有特性分析2 4 4 2 振动耦合分析2 5 4 3 动力总成悬置系统固有特性计算2 6 4 3 1 动力总成悬置系统参数2 6 4 3 2 悬置系统固有特性m a t l a b 编程计算2 8 4 4 动力总成悬置系统优化设计3 0 4 4 1 目标函数3 1 4 4 2 设计变量3 1 4 4 3 约束条件3 2 4 4 4m a t l a b 优化求解3 3 4 4 5 对比分析3 5 4 5 本章小结3 5 第五章动力总成悬置系统多因素试验分析3 7 5 1 正交试验设计简介3 7 5 2 动力总成悬置系统试验对象3 8 5 3 单个悬置主轴刚度正交试验分析4 0 5 3 1 试验方案设计4 0 5 3 2 系统左悬置的正交试验分析4 2 5 3 3 系统右悬置的正交试验分析4 9 5 3 4 系统后悬置的正交试验分析5 6 5 4 考虑交互作用的正交试验设计和分析6 2 5 4 1 因素水平表6 3 5 4 2 选择正交表6 3 5 4 3 计算与结果分析6 3 5 5 本章小结6 8 第六章全文总结及展望7 0 6 1 本文所做的主要工作7 0 6 2 结论7 1 6 3 研究展望7 2 致谢7 3 参考文献7 4 附录7 7 1 第一章绪论 1 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 据统计口3 ，到2 0 0 9 年年末，年末全国民用汽车保有量达到7 6 1 9 万辆，比上年 末增长1 7 8 。2 0 0 9 年，以公路运输方式完成的旅客运输量达2 7 8 亿人次，较上 年增长3 6 。在越来越多的人们选择接受车辆所带来的便利的同时，他们也不得 不选择接受它们负面影响，其中包括车辆的振动噪声。车辆振动噪声不仅对车内 环境有影响，同时也影响着车外的环境。严重干扰了人们正常的学习、工作和生 活，甚至危害到人们的健康晗1 。 随着车辆的普及和人们生活理念的提升以及对日益严峻的环保问题的重视， 人们对车辆的环保性能和舒适性能提出了更高的要求。机动车辆噪声污染一方面 对外界环境中工作和生活的人们造成影响，另一方面对驾乘人员的健康有直接危 害。美国、日本和欧盟6 0 年代起就制订了相关法规和标准，并且每3 n s 年就修订 一次。我国颁布了g b1 4 9 5 m 1 9 7 9 机动车辆允许噪声和g b1 4 9 6 - - 1 9 7 9 机动车 辆噪声测量方法。2 0 0 2 年，在此基础上颁布了g b1 4 9 5 - - 2 0 0 2 汽车加速行驶车 外噪声限值及测量方法。2 0 0 9 年发布的汽车产业调整和振兴规划也明确提 出掌握n v h ( 振动、噪声、平顺性) 等关键技术的要求。 动力总成( 包括发动机、离合器和变速器) 是车辆噪声振动的主要激励源之 一。动力总成悬置( 隔振器) 是组成动力总成隔振系统的关键部件。车辆动力总 成悬置系统匹配的合理程度，直接影响到振动向车体的传递，从而影响整车的振 动和噪声。 影响动力总成悬置系统匹配效果的因素多，且各因素具有交互作用，仅对单 个悬置参数进行优化难以满足多个悬置匹配的整体要求。实际生产中，一般是用 类比的方法先对悬置进行选配，然后再对样车进行大量的试验来修正和完善。这 不仅费时耗财，而且由于不了解各悬置点及其相互影响，在修正时，往往抓不住 主要因素，需要经过多次反复试验才可能获得。国内外学者的研究，一般是通过 简化的悬置系统动力学模型，应用优化方法直接获得各悬置点参数的优化结果。 这对悬置系统设计具有重要的参考作用，但是仍然无法获得各因素的影响因子， 给后续参数调整带来了困难。 本文以动力总成悬置系统解耦率作为评价指标，在对悬置系统动力学模型优 化获得的结果基础上，研究多个悬置构成的悬置系统各方向刚度对隔振的相互作 进行优化设计，使其整体隔振性能达到最优状态。下面分别介绍这两方面的发展 概况。 1 2 1 悬置元件进展 最初，汽车的动力总成是刚性连接在车架上。没有经过任何隔离的振动，不 仅影响了汽车的乘坐舒适性，而且还会引起动力总成部件如曲轴箱和发动机支架 的破坏。自上世纪3 0 年代起，弹性橡胶隔振器被用来隔离动力总成的振动n 3 。数 十年来，橡胶悬置的应用逐渐成熟，由于其结构紧凑、价格便宜、便于维护、使 用寿命长等优点至今仍然而得到广泛应用。但是随着发动机转速的提高，橡胶悬 置在高频时的隔振缺陷日益突出，高频振动隔离效果恶化。人们对舒适性的强烈 需求和激烈的市场竞争，促使研究人员开发新一代的悬置。 而后，s t r a c h o u s k y 和r i c h e rh a r d i n g 先后提出了将减振机构和橡胶组成一个整 体减振机构的设想【4 】1 5 l 。在1 9 6 2 年，r i c h a r dr a s m u s s e n 申请了液压隔振器的专利 旧。它与传统弹性隔振器相比，降低振动能量的传播，而且其降低噪音水平已取得 重大进展 7 1 嘲。到1 9 7 9 年，德国大众公司在其a u d i 五缸o t t o 发动机上应用了液压 悬置，这是第一次将液压悬置应用于实际车型忉，并提出了a u d ii ra g e 、a u d i l l 、 f r e u d e n b e r g 三种系统模型。液压悬置的出现一定程度上克服了橡胶悬置的缺陷。 但是，由于一般的液压悬置多选用粘度较低的液体( 水、酒精或防冻液等) 作为 工作介质，这会降低低频时的隔振效果，不利于宽频隔振。 随着智能材料的发展并将之应用于悬置隔振领域，人们开始了半主动悬置和 主动悬置的研究。 由于电流变液和磁流变液都是阻尼可控的介质。它们在外加磁场或者电压的 作用下，会改变自身的粘性阻尼力。据记载最早的半主动式液压悬置是1 9 8 3 年日 第一章绪论3 电控截流孔开度的液压悬置咖，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 1 9 8 7 年美国a v o n 公司开发了通过控制气体弹簧的气压调整悬置动特性的液压悬 置【l 伽，1 9 8 8 年德国f r e u d e n b e r g 公司在当年的法兰克福展览会上展出了一种可以 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【1 q ； 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旧。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。而美国l o r d 公司在磁流变液悬置的开发和应用方面技 术最为成熟，该公司所研制的可控阻尼的发动机悬置，取得了较为满意的振动隔 离效梨枷。f o r d 汽车公司提出了构建可变刚度隔振器的研究思路，并研制了磁 流变弹性体来改变隔振系统的刚度，从而实现刚度可控。韩国i n h a 大学与现代汽 车公司为解决高档客车发动机振动问题，联合研发了磁流变液可控阻尼隔振器， 并得到了应用i l 卜1 2 。 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 1 4 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】，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【垌。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 1 7 。 1 2 2 动力总成悬置系统匹配研究进展 早在1 9 3 9 年，悬置系统设计的一些基本原则就由l 山f e 提出了。a n o nh o r i s o n 和h o r i v i t z 提出六自由度解耦理论和解耦的计算方法，将汽车动力总成和车架视为 刚体，将减震橡胶块视为弹簧，利用动力总成惯性主轴特性和撞击中心理论，阐 述了如何调节悬置的刚度和位置，使得动力总成前后悬置的振动相互独立，然后 按照单自由度线性振动系统处理，他们认为要获得较小的减震效果，系统垂直方 向的固有频率与绕曲轴方向的固有频率应该小于发动机怠速时的激励频率的三分 之一。他们的理论比较成熟，推动了后来更深入的研究【l 羽。t o s h i o ，s a k a t a 用机械 阻抗法研究了悬置刚度与车内噪声的关系。b l b e l t e rk n i g h t 利用撞击中心的理论， 使各悬置点尽可能靠近弹性体振动节点位置，提出合理布置动力总成悬置系统的 方法。s c h m i t 和c h a r l e s 的研究表明，悬置系统的振动特性主要取决于悬置刚度， 而振动幅度则和悬置阻尼大小有关。后来，研究人员逐渐将优化方法应用于悬置 系统的设计，并取得了良好的成果。j o h s o n 首次用数学优化方法，对悬置系统 进行了设计。结果使系统各平动自由度之间的振动耦合大为减少，取得比较满意 过合理的布置悬置元件，使它们的弹性中心位于发动机悬置系统的质心处或主惯 性轴上，可以实现发动机悬置系统振动的解耦阎。2 0 0 8 年，m i c h a e lt h o m p s o n 等利用多体动力学软件和遗传算法实现了车辆动力总成悬置系统的刚度，阻尼和 安装角度的优化，其约束条件是车辆的操纵性能和n v h 特性，并取得了明显的效 果砌。 我国对动力总成悬置系统的研究起步较晚，但是取得了很多的成果。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。九十年代中 期清华大学徐石安教授等通过分析动力总成悬置系统的能量分布得到了系统能量 解耦的能量指标，并以其为优化目标，以系统的固有频率作为约束条件，以悬置 的刚度和位置参数设计变量，进行了优化计算【3 l 】。史文库将动力总成各模态间的 能量解耦作为分目标进行了整车优化1 3 2 。然后林逸和史文库以a u d i l 0 0 轿车为研 究对象，考虑了弹性基础的作用，建模时认为发动机悬置支承在弹性基础上。分 析了弹性基础对发动机悬置系统隔振性能的影响。得到了发动机悬置支承基础的 弹性作用使得悬置在高频域隔振效果变差的结论【f j 驯。贾克斌等对某车型动力总成 悬置系统隔振性能进行了优化。以悬置系统的能量解耦为优化目标，利用多目标 优化方法对悬置系统刚度进行优化设计，建立了发动机悬置系统六自由度系统动 力学模型。以信噪比为统计量，利用蒙特卡罗法对优化结果进行鲁棒性分析。计 算结果表明，优化后的解耦性比原系统有显著的提高，主振动方向基本完全解耦， 且具有很好的鲁棒性，能够满足实际应用的需要m 1 。李楚琳，徐伟伟等建立力总 成悬置系统的4 点悬置简化动力学模型。选取悬置系统的几何参数和软垫的刚度 参数作为设计变量，以悬置系统的弹性轴与主惯性轴重合和前后悬置的刚度匹配 为约束条件，根据撞击中心理论布置前后悬置相对位置，并给设计变量设定上下 1 第一章绪论 5 限值，进行了优化设计嘲。兰洋，沈颖刚等应用某轿车动力总成的相关参数，对动 力总成的激振源进行了分析。并在a d a m s 动力学仿真软件条件下建立了动力总成 悬置系统的动力学仿真模型，对悬置系统进行了模态分析。指出在下一步改进设计 中，应该降低系统振动的耦合程度。吕兆平建立了汽车动力总成悬置系统的动力 学模型，根据能量法解耦理论推导了有关公式，并将其应用到某微型车动力总成悬 置系统的改进中。结果表明，对悬置刚度进行优化能有效提高解耦率，从而改善系 统的n v i - i 性能1 。刘献栋、周贤杰等应用陀螺力学理论，对传统动力总成悬置系统 的无阻尼动力学方程进行修正，引入陀螺矩阵，得到新的动力学方程。对新的动力 总成悬置系统动力学模型进行计算分析，研究了陀螺矩阵对频域、时域响应的影响。 使用遗传算法分别对修改前后的方程进行优化计算，并进行比较分析。结果表明， 对于低转速发动机，曲轴转动的陀螺效应不明显，而对于高转速的发动机，陀螺效 应不能忽略，应以考虑陀螺力矩的方程为基础进行设计分析啪1 。吴文江，王务林等 针对某轻型载货汽车驾驶室振动剧烈、室内噪声较大等问题，对其动力总成悬置 系统的隔振特性进行了试验研究，通过测试悬置两侧的振动加速度及进行振动信 号的频谱分析、相干分析和传递特性分析，找出了影响该车动力总成振动传递特 性的主要因素。根据测试结果对该车发动机后悬置进行了优化设计，使其后悬置 的隔振效果得到明显提高嘲。鲍晓东，侯勇阐述了用于动力总成悬置系统解耦设 计的扭矩轴理论和能量解耦法，给出了这两种理论的计算方法，提出悬置系统匹配 时要保证悬置系统各方向的固有频率在合理的范围内，保证悬置的使用寿命，并利 用这两种方法对某国产汽车的动力总成悬置系统进行了解耦设计。 总而言之，国内外学者应用优化理论进行的动力总成悬置系统匹配时，大多 是将悬置系统的力学模型简化，再确定优化设计目标、优化的参数和约束条件进 行匹配，然后借助虚拟仿真或者实车实验进行验证。但是影响动力总成悬置系统 匹配效果的因素多，且各因素具有交互作用，仅对单个悬置参数进行优化难以满 足多个悬置匹配的整体要求。实际生产中，一般是用类比的方法先对悬置进行选 配，然后再对样车进行大量的试验来修正和完善。这不仅费时耗财，而且由于不 了解各悬置点及其相互影响，在修正时，往往抓不住主要因素，需要经过多次反 复试验才可能获得。国内外学者的研究，一般是通过简化的悬置系统动力学模型， 应用优化方法直接获得各悬置点参数的优化结果。这对悬置系统设计具有重要的 参考作用，但是仍然无法获得各因素的影响因子，给后续参数调整带来了困难。 验分析。 主要内容包括以下几个方面： 1 ) 建立动力总成悬置系统模型 以常见的三点式悬置系统为研究对象，选择所建立的结构动力学模型的形式。 在对真实的动力总成悬置系统进行一定简化的基础上，应用拉格朗日法确定系统 的质量矩阵、刚度矩阵和惯性矩阵，建立6 自由度动力总成悬置系统的系统振动 微分方程。 2 ) 动力总成悬置系统优化设计 在分析动力总成悬置系统几个重要的性能指标固有频率、振型和系统能 量解耦率及其分析方法的基础上，根据某车型动力总成悬置系统的参数，运用 m a t l a b 编程实现对动力总成悬置系统的固有频率，振型和能量解耦率的计算求解。 然后以悬置系统的能量解耦率为优化目标函数，以系统固有频率的合理匹配为约 束条件，以各个悬置主轴上的刚度为设计变量，对动力总成悬置系统进行优化设 计，并用m a t l a b 编程实现动力总成悬置系统的优化求解。最后对动力总成悬置系 统优化前后的性能进行对比分析。 3 ) 动力总成悬置系统多因素分析 将试验设计的方法应用于动力总成悬置系统的多因素分析中。首先，通过对 每一个悬置进行多因素试验设计和极差分析，对每一个悬置的各向刚度对系统性 能影响的重要程度进行排序。然后考虑所有的悬置各个主轴方向的刚度因素，并 考虑他们之间的交互作用，进行仿真试验和极差分析，并按照各个因素对系统解 耦率影响的重要程度进行排序。 1 4 本文研究的研究思路 1 ) 分析动力总成悬置系统的作用和要求，结合系统动力学理论对动力总成悬 置系统的隔振原理进行分析。 第一章绪论7 动力总成作用、 要求、配置规律 动力总成悬置系统模型 i 动力总成悬置多因素分析i 图1 1 研究路线图 f i g u r e1 1f l o wc h a r to f r e s e a r c h 2 ) 用系统动力学理论和拉格朗日法建立动力总成悬置系统动力学模型。 3 ) 确定目标函数、设计变量和约束条件，运用上述模型对动力总成悬置系统 进行优化设计，用m a t l a b 编制相关程序并求解。 4 ) 选择多因素试验方法，根据上述优化结果的数据，对动力总成悬置系统进 行多因素分析。并用m a t l a b 编制相关仿真和数据处理程序。 5 ) 将试验设计和极差分析的方法运用到动力总成悬置系统的分析中来。先以 对每一个悬置的三个主轴方向的刚度进行了试验，并得到仿真试验数据，然后分 析各向刚度因素对系统综合解耦率评价指标的影响，最后逐个分析对六个主振动 方向解耦率的影响，并进行了主次排序。 6 ) 在前面分析的基础上，为了进一步考察所有悬置各向刚度，以及它们之间 的二阶交互作用对系统解耦率的影响，设计了同时考虑交互作用的试验设计，并 进行极差分析，然后按照各个影响因素对系统解耦率影响的强弱进行主次排序。 第二章动力总成悬置系统匹配理论 第二章动力总成悬置系统匹配理论 目前多用系统动力学理论对动力总成悬置系统进行分析匹配。本章结合系统 学隔振理论和动力总成悬置系统的作用、要求和匹配规律，分析动力总成悬 统及其匹配理论，作为动力总成悬置系统的建模基础。 2 1 动力总成悬置系统的作用和要求 发动机是车辆最大的内在振源，同时要受到外部振动的影响，影响整车n v h 性能，甚至造成零部件的疲劳损坏，如散热器、继电器、仪表等。设置动力总成 悬置系统的主要目的是把发动机传递到车身的振动减小到最小。振动的传递能否 成功控制，主要取决于悬置系统的结构型式，几何位置及悬置的结构、刚度和阻 尼特性。确定合理的悬置系统是相当复杂的，除了各种动态和静态的要求，还要 受一系列保护条件的约束，从而很大程度上增加了设计的难度，一般对动力总成 悬置系统有如下的要求【3 刀： 1 ) 在所有可能工况下所承受的动载荷和静载荷，要保证发动机在所有方向上 的位移处于可以接受的范围之内，保证在各种动、静载荷作用下，发动机与飞轮 壳的连接弯矩不超过允许值，不能发生运动干涉，并保证发动机和零部件的寿命。 2 ) 一方面要充分隔离由动力总成产生的振动向车架和驾驶室方向的传递，弱 化振动噪声( 主动隔振) ；另外一方面要阻止由于路面不平产生的振动传递给动力 总成，从而起到保护动力总成零部件不被损坏的作用( 被动隔振) 。 3 ) 防止由振动引起的人体不舒适和疲劳。人机工程学领域的研究表明，振动 加速度也是影响乘客乘坐舒适性的重要因素之一。由行车舒适性方面研究的结果 表明，一定频率下的垂直振动加速度是引起驾乘人员感觉不舒适的主要原因【3 捌。 且对不同频率范围内的振动，感受不同，如在4 - - - 8 h z 频率范围内，人体内脏器官 容易产生共振，而在8 - 1 2 5 h z 频率范围内的振动对人的脊椎系统影响较大。 2 2 动力总成悬置系统的隔振原理 当系统具有弹性和质量时，如果系统受到外界激励，就会产生振动。从功能 转换的角度来看，外界对系统激励的过程就是也对系统做功的过程。所做的功分 为两部分：一部分被储存到系统中，转化为质量块的动能：另外一部分转化为弹 第二章动力总成悬置系统匹配理论 9 性元件的变形势能。往复振动的过程就是激励力所做的功、动能和势能之间不断 转换的过程。如果系统没有阻尼，只要给系统一个初始激励，系统的振动就会一 直继续下去；如果系统中有阻尼，同时系统又不能从外界中获取能量，来补充阻 尼对系统功的耗散，那么振动在一段时间后将会停止。激励、质量、刚度和阻尼 是振动系统的四大要素。在实际应用中，从各种机械系统中简化出来的理想的力 学模型，都需要确定这四个要素【3 9 1 。此外，在实际中的质量和弹性元件都是分布 的，这种连续的系统不可用解析法求解。因此常常将实际的系统简化为离散的系 统，简化为若干个具有集中质量、弹簧和阻尼器连接在一起的子系统。对其中任 何一个子系统的分析，既是分析整个系统隔振的基础，也能在一定程度反映出系 统振动的一般规律。 由于实际发动机振动较为复杂性、力学参数获取困难及多振源性等特点，对 发动机整机进行建模变得很困难。而将发动机振动系统模型简化为单自由度系统 的强迫振动进行分析，也能一定程度上反映出发动机隔振原理，简化的动力总成 力学模型如图2 1 所示。 图2 1 单自由度发动机系统动力学模型 f i g u r e2 1 m e c h a n i c a lm o d e lo f1 4r i g h tr e a rm o u n t i n gs y s t e m 单自由度振动系统，在激励力作用下的振动运动微分方程为： r n ：q + d i + k x = f ( o 式( 2 1 ) 式中的m 为动力总成的等效质量；k 、c 分别为发动机悬置的等效刚度、等效 阻尼系数；f ( t ) 为动力总成的激励力。 令阻尼比孝：旦、频率比a ：竺，在简谐激励力f ( t ) = f os i n ( t ) 作用下，该微 pp 分方程式的稳态解为： x = 了万j 声x 乒o i 葛嚣尹s i n ( 1 ) t q ) 式( 2 2 ) 其中：x o = 量= i f 0 v 尔纨硼取入盯似移； 第二章动力总成悬置系统匹配理论 - ) 激励力圆频率； 广响应滞后于激励的相位差。 看出，具有粘性阻尼的动力总成悬置系统受到简谐激励时，受迫振动也 动。其频率与激励频率相同，而振幅x 和相位角p 取决于系统本身的性 力总成悬置系统的质量、悬置刚度和阻尼) 和激励力的性质( 激励力的 值) ，而与初始条件无关。 响应的幅值： x = 而而x 雨。萨 式( 2 3 ) 由上式2 3 可以看出，影响系统响应振幅的因素是激励振幅x o ，频率比入和阻 尼比。系统强迫振动响应的振幅x 与激励力的振幅) ( 0 成正比。而发动机高转速 区时的振幅小，在低转速区的振幅较大。这表明，在低转速区应该主要对发动机 的振幅加以控制。 61 o i n 2 粥 一0 5 感s 逃 图2 2 单自由度隔振系统传递函数曲线 f i g u r e2 2t r a n s f e rf u n c t i o nc u r v eo fs i n g l ed e g r e ef r e e d o mv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m 频率比 图2 3 相角巾与频率比 f i g u r e2 3p h a s ea n g l e 币a n df r e q u e n c yr a t i o 柏 加 柏 o 2 1 ， ， ， 1 。霉 第二章动力总成悬置系统匹配理论 可得系统的位移传递率( 放大因子) ： p = 再萧1 在不同的阻尼比时，放大因子1 3 与频率比入的关系( 幅频响应曲线) 如图 2 2 所示，相角p 与频率比入的关系( 相频响应曲线) 如图2 3 所示。 结合以上两图分析，可得出如下基本规律i 柏】： 1 ) 当九1 时，即动力总成激励频率远远小于悬置系统固有频率p 时，无 论阻尼的大小如何，放大因子1 3 都接近于1 ，即系统的振幅约等于系统在激励力幅 值f o 作用下的静变形。所以在低频区内，即发动机怠速工况下，振幅x 主要由悬 置的刚度控制。这时候，相位差q 0 ，即响应的位移与激励力几乎同相位。 2 ) 当九1 时，即动力总成激励频率远远大于悬置系统固有频率p 时，b 都接近于o ，这是因为激励力方向变化太快，动力总成由于惯性来不及马上变化， 几乎停止不动。所以在高频区内，振幅x 主要取决于动力总成本身的惯性。 3 ) 当入1 时，即激励频率接近于动力总成悬置系统固有频率p 时，振幅x 剧烈增加，b 趋向于最大，此时出现共振现象。 4 ) 阻尼比的影响。较大阻尼比的幅频响应曲线均在较小幅频响应曲线的下 方，这说明增加阻尼会减小放大因子。从图中可以看出，在九1 时和九1 时， 阻尼对振幅的衰减作用不是很明显，因此在这些区域计算振幅时，可以忽略振幅 的影响。但是在共振区的一定范围内，增加阻尼对振幅有明显的抑制作用，可以 是振幅明显下降。 2 3 悬置阻尼匹配 由以上分析可以知道，对振动的隔离仅在入2 时才有隔振效果，即在隔振 区才能发生隔振作用。在隔振区的放大因子随着频率比的增加而急剧下降，这意 味着，在高频区，需要悬置具有极低的刚度，但是刚度减小表明悬置系统的静态 位移很大，稳定性会降低。另一方面，当a 5 时，放大因子变化并不明显。因此 在实际对频率进行匹配时，频率比常取在2 5 4 5 之吲钏。 当九 、