（车辆工程专业论文）汽车动力总成液压悬置特性分析与研究.pdf

摘要 汽车振动隔离，尤其是动力总成的振动隔离是汽车设计中的一项重要技术。 振动不仅影响汽车的乘坐舒适性， 还影响汽车的行驶稳定性和安全性。 液压悬置 是汽车车架或车身与动力总成间的主要隔振元件， 其特性决定了动力总成和车架 之间能量传递，因此对液压悬置的研究就很有必要并且很有意义。 本文在分析各种液压悬置结构和原理的基础上， 利用流体结构祸合理论建立 了 液压悬置的数学力学模型， 模型各构件的质量参数、 几何位置参数通过三维 c a d 软件u n i g r a p h i c s 所创建的 实体数模导入到动力学 仿真软件a d a m s 中， 建立 悬置系统的动力学分析模型， 并运用a d a m s 软件对液压悬置元件及悬置系统进行 了仿真计算， 分析了模型参数对液压悬置动特性的影响， 并且与试验结果作了比 较分析， 验证了液压悬置模型的正确性。 为了获得悬置系统最优的传递特性， 建立了 悬置系统的参数化模型， 选取悬 置的位置为设计变量， 以最小传递率为目 标， 对动力总成悬置系统进行优化仿真 研究了悬置系统参数对系统传递率的影响，得到了理想的结果。 关键词:液压悬置， 动特性， 仿真， 优化 ab s t r a c t v i b r a t i o n i s o l a t i o n o f a u t o m o b i l e , e s p e c i a l l y v i b r a t i o n i s o l a t i o n o f p o w e r p l a n t is a k i n d o f i m p o rt a n t t e c h n o l o g y o f a u t o m o b i l e d e s i g n . v i b r a t i o n a ff e c t s n o t o n l y t h e r i d e c o m f o rt a b l e n e s s , b u t a l s o a u t o m o b i l e s r i d e s t a b i l i t y a n d s a f e t y . h y d r a u l i c m o u n t i s t h e p r i m a r y v i b r a t i o n - i s o l a t i o n c o m p o n e n t b e t w e e n c a r b o d y o r c h a s s i s a n d p o w e r p l a n t ; it s c h a r a c t e r i s t i c d e t e r m i n e s e n e r g y t r a n s f e r b e t w e e n c a r b o d y a n d p o w e r p l a n t , i t i s v e r y n e c e s s a ry a n d s i g n i f i c a n t t o s t u d y h y d r a u l ic m o u n t c h a r a c t e r i s t i c s i n t h i s p a p e r . b a s e d o n t h e a n a l y s e s o n a l l k i n d s o f s t r u c t u r e a n d p r i n c ip l e o f h y d r a u l i c m o u n t s , m a t h m e c h a n i c s m o d e l o f h y d r a u l i c m o u n t i s s e t u p b y a p p l y i n g t h e t h e o r y o f h y d r o - s t r u c t u r e c o u p l i n g , t h e m a s s p a r a m e t e r s a n d g e o m e t r y p o s i t i o n p a r a m e t e r s o f e a c h c o m p o n e n t i n t h i s m o d e l i s i m p o r te d i n t o t h e s o ft w a r e a d a ms b y e n t i t y d a t a m o d e l e s t a b l i s h e d b y t h r e e - d i m e n s i o n c a d s o ft u n i g r a p h i c s , a n d d y n a m i c a n a l y s e m o d e l o f m o u n t s y s t e m i s s e t u p , s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n i s m a d e o n h y d r a u l i c m o u n t c o m p o n e n t a n d m o u n t s y s t e m b y u s i n g t h e s o f t w a r e a d a ms , t h e i n fl u e n c e o f m o d e l p a r a m e t e r s o n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a u l i c m o u n t i s a n a l y z e d a n d c o m p a r e d w it h e x p e r i m e n t r e s u l t s , t h e c o r r e c t n e s s o f h y d r a u l i c m o u n t m o d e l i s v a l i d a t e d . i n o r d e r t o g a i n t h e b e s t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c o f s u s p e n s i o n s y s t e m , p a r a m e t e r m o d e l o f m o u n t s y s t e m i s e s t a b l i s h e d , t h e p o s i t i o n o f h y d r a u l i c m o u n t i s c h o s e t o b e d e s i g n v a r i a b l e a n d t h e l e a s t t r a n s f e r r a t i o i s c h o s e t o b e t a r g e t o f m o u n t d e s i g n , b e s i d e s , t h e o p t i m i z a t i o n s im u l a t i o n i s m a d e o n m o u n t s y s t e m o f p o w e r a n d p e r f e c t r e s u l t i s g a i n e d . s y s t e m p l a n t ， k e y w o r d s :h y d r a u l i c mo u n t i s c h a r a c t e r i s t i c , s im u l a t i o n , o p t i m i z a t i o n u 学 位 论更 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 口 学位论文作者签 味舞一爪 年 i 月/ 旧 ， 旨 导 教 师 签 名 i长 涛 -1 j 年 多 月 “ 日 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 容以 外， 本论文不包含任何其他个人或集体己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， 均己在文中以 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 、 : 嗜- k 。 六 日 期: , , l -q a 3 年 6 月 口 日 江苏大学硕士研究生毕业论文 第 1 章绪 论 随着汽车技术的发展和汽车性能的不断提高， 乘坐舒适性越来越成为汽车尤 其是轿车的重要性能指标之一。 轿车的日 益普及以 及由此产生的环境污染越来越 严重， 世界各国针对汽车噪声、 废气排放制定出了日 益严格的法规， 如欧洲在执 行欧i i i 标准，并且还在酝酿欧n标准， 美国 在执行z e v标准。发动机动力总成 是轿车的重要激振源， 发动机的振动、 噪声不仅直接影响乘坐舒适性， 而且对周 围环境造成了严重的污染， 给人们的生活、 工作带来了不便。 如何有效隔离动力 总成和车身之间的振动传递， 已成为汽车开发商注重的重要课题。 而悬置就是这 一重要课题的关键( 1 2 1 3 1 1 . 1动力总成液压悬置的发展 早期的汽车上， 发动机直接连接于车架， 由于振动的直接传递及反作用力常 常造成曲轴箱和支架的损坏:后来汽车设计师开始使用皮革衬垫来减振;到了 2 0 世纪2 0 年代， 人们开始用橡胶垫来降 低发动机振动的能量， 减少曲 轴箱的损 坏。 随着机械制造业的发展， 越来越多的四缸发动机被使用， 尽管汽车的动力增 大不少， 但由于其严重不平衡二阶惯性力造成的动力总成振动特别突出， 致使整 车振动剧烈， 这个问题引起了 汽车厂商的关注， 人们开始把橡胶硫化到各种形状 金属骨架上， 出现了 橡胶悬置元件. 橡胶悬置元件在发动机及其它总成悬置上发 挥了重要的隔振作用。 由于汽车设计朝着轻量化方向发展， 特别是发动机前置前 驱动布置， 传统的橡胶悬置无法满足汽车多工况宽频带上的减振降噪的要求， 而 人们需要具有这样特性的悬置:高频小阻尼、低动刚度，低频大阻尼、高刚度， 这样液压悬置就应运而生了。 2 0 世纪4 0 年代， 美国 人r i c h e r h a r d i n g 和s t r a c h o u s k y 先后提出了 将液压减 振机构和橡胶悬置组成一体的思想， 并在美国国家专利局申 请了专利。1 9 6 2 年， 美国g m 悬置专利。 ( g e n e r a l mo t o r )公司的r i c h a r d r a s m u s s e n 申 请了历史上第一个液压 近几十年来，液压悬置得到了迅速发展和推广。 液压悬置开发在德国起步较早， 水平也比较高。 原西德是率先将液压悬置用 江苏大学硕士研究生毕业论文 同国外相比， 现在国内对液压悬置的研究还比较少， 因此研究液压悬置特性 就很有必要，并且很有意义。 1 . 2液压悬置的结构、工作原理及其分类 2 . 1液压悬置的结构及工作原理 现在汽车上使用的液压悬置大多采用解祸式的，其结构剖面如下图 1 .2所 示。 由橡胶主簧1 和橡胶底膜2 构成液室， 压紧密封， 室内 充满着不可压缩液体。 上下通道体将液室分为上下两个腔室， 在上下通道之间有一个刚度较小的环形橡 胶膜片， 上通道体的周围布满了小孔， 允许液体流向 膜片。 膜片上下的凹槽允许 膜片有一定的变形量。 通道通常为螺旋形。 当悬置在外界激励作用下受压时， 上 腔液室体积减小， 压力增大， 这样上下液室间就有了 压力差， 该压力差使液体经 过通道流向下腔液室; 悬置受拉时， 上腔液室体积增加， 产生了 真空度，由 于下 液室的橡胶很薄、 很软， 下液室的压力近似等于大气压力， 流体经通道被吸到上 腔液室。 这样， 悬置受到振动激励时， 上下腔液室间产生压力波动， 引起了液体 经通道流动， 在通道内形成了振动液柱， 液柱在运动中产生沿程能量损失和局部 能量损失，从而起到了衰减振动之目的。 图1 . 2液压悬置元件结构 江苏大学硕士研究生毕业论文 1 . 2 . 2惯性通道式液压悬置特性简介 j惯性通道式液压悬置的动特性取决于通道内液柱的惯性，其功能类似于速 度放大式动态吸振器。 惯性通道式液压悬置具有结构紧凑、 低频阻尼大和固有频 率低的优点，但由于出现动态硬化现象，所以悬置的高频动刚度较高。 在惯性通道式液压悬置的基础上增加了解祸器，有盘式和膜式两种。当悬 置在高频小振幅条件下出现动态硬化时， 解祸器根据振动幅值在上、 下液室间振 动或产生弹性变形， 吸收振动的能量， 将液压减振部分解除祸合， 从而降低悬置 的动刚度和振动传递率及高频振动引起的车内噪声。 解藕盘式液压悬置是通过解 祸盘振动实现解藕功能的。 在高频小振幅振动条件下， 解祸盘受上下液室微幅波 动的压差作用， 在上下液室间振动， 使惯性通道解藕， 从而降低上液室内的压力， 避免出现动态硬化现象; 低频大振幅条件下， 上下液室的压差较大， 解祸盘被压 在柱状壁上，失去解祸作用，液体经惯性通道在液室间流动，产生较大阻尼。 而解祸膜式液压悬置是利用橡胶膜的弹性变形起解祸器作用的。与盘式液 压悬置的不同点就是在不改变悬置尺寸的情况下， 改变解祸膜刚度可以调整悬置 动特性。 解祸膜式液压悬置可消除冲击噪声， 但较盘式液压悬置其高频振动控制 精度较低。 随着发动机性能及其噪声控制水平的提高， 为了 衰减3 0 0 - 4 0 0 h z 的高频噪 声， 出现了液柱共振式液压悬置， 它是利用橡胶主簧驻波和液柱共振复合效应来 工作的。液柱共振式液压悬置与解藕式液压悬置比较，可以在 1 0 0 - 8 0 0 h z 范围 内明显降低其动刚度，隔振、降噪效果良 好， 振动传递率较低， 但在低频大振幅 振动条件下，由于其节流孔的直径比较大， 节流作用很弱， 阻尼也很小， 减振效 果不好，因此它目前主要用于降低车室内空腔噪声。 半主动式液压悬置可根据输入信号，利用低功率作动器，调整内部参数， 变化其工作状态， 优化动态特性， 实现最佳减振降噪目 的。 这其中的利用电流变 液体的液压悬置， 通过电流小， 功率消耗低， 可以 在低频范围内明显改善液压悬 置的隔振特性。 但是其缺点是:电流变作用相对较弱， 无法用于大型设备; 无电 场时液体粘度太大， 阻力很大; 随着温度升高， 通过电 流变液体的电 流迅速增加， 功率消耗上升，甚至会引起安全问题。 主动式液压悬置是利用控制单元将外部振动输入信号转换，并通过作动器 江苏大学硕士研究生毕业论文 输出与外部振动同频、 等幅、反向振动，以实现最佳减振目的的。 置的控制目 标是: 设计一个反馈控制系统， 应用主动式液压悬置后 主动式液压悬 ， 使发动机怠 速运转时的车体振动最小2 5 i 3 0 1 . 3课题研究的目的 乘坐舒适性是汽车的主要性能指标之一， 动力总成悬置系统是汽车振动系统 的一个重要子系统， 其振动传递性能对汽车乘坐舒适性有很大的影响。 很久以来， 设计性能良好的动力总成悬置系统以减少动力总成振动向车体的传递以及降低 车内噪声从而改善整车舒适性， 这一直是各大汽车厂商所关心的重要课题。 进入 2 0世纪以来，随着道路条件的改善和汽车设计的轻量化，特别是发动机前置前 驱动 ( f f d)的轿车采用平衡性较差的四缸发动机， 这些都十分迫切地要求提高 动力总成隔振系统的隔振效果， 从整车舒适性出发进一步优化动力总成悬置系统 的参数， 这个问题的解决将有助于汽车零部件开发研制人员在设计的初级阶段能 够认真地考虑动力总成悬置系统参数选择及其对整车n v h的影响， 尽量避免汽 车元件制造出来后进行大量的修改工作， 减少不必要的浪费， 节省了人力、 物力、 财力。 目 前， 我国己经把汽车工业作为国民经济的重要命脉， 特别是沿海发达地区。 而国内自主开发的能力还不是很强， 有待进一步提高， 尤其是整车和部件总成采 用现代理论及设计方法的研究还不是很充分完善。 紧紧结合我的研究方向: 汽车 及零部件设计理论和方法，本文对某轿车的动力总成液压悬置利用流体一 结构祸 合方法建立了物理模型，并运用 a d a ms软件对其进行了动态仿真计算。通过 实验测得液压悬置的动特性曲 线等， 以 验证所建模型的正确性。 本课题的研究为 动力总成液压悬置的设计提供了理论参考。 1 . 4课题研究的内容和方法 1 . 4 . 1 ( 1 ) 主要研究内 容 对汽车动力总成系统的各类液压悬置结构进行系统分析， 建立液压悬 置元件动力学分析模型。 ( 2 ) 对悬置元件进行了仿真， 并和试验结果做了对比， 验证了模型的正确性。 江苏大学硕士研究生毕业论文 ( 3 )系统的振动传递性能进行了仿真计算和分析。 c 4 )初步探讨动力总成悬置系统参数的匹配优化设计思想。 4 . 2研究方法 液压悬置的分析模型主要分为物理模型和数学模型。 物理模型研究方法就是建立与实物的本质相同， 仅在形状和尺寸上存在一定 差别的物理系统， 通过各种试验手段， 准确测试物理系统的性能和各参数间的关 系来获得系统模型的各种性能。 该方法便于记录试验， 如使用高速摄影、 录象记 录空间运动过程，并可以使用各种传感器记录模型的内在特性 ( 速度、加速度、 压力等) ，具有直观可信的特点。该方法的 优点是可以观察到研究对象的物理性 能; 而它的不足也非常明显， 如一些试验无法实现或不便于进行; 试验受到试验 手段的限制， 误差较大: 还有一些试验成本太高， 无法承受。 但从我国目 前汽车 生产设计部门的研究水平和手段看，该方法在很长一段时间内还是主要研究方 法。 数学模型是在物理模型的基础上， 用数学的方法建立一组法则， 将一个或多 个元素与运动结果联系起来。 采用数学模型研究汽车动力学， 具有研究方法多样 的 优点。 对于同一对象， 不同的研究人员可以建立不同的数学模型。 究竟采用何 种模型取决于研究对象、 研究目的和研究人员的学识与经验。 基本的求解方法可 以分为: ( 1 ) 解析法。只能求解自由 度较少的系统，对非线性系统，只能求近似解。 ( 2 )数值法也称定值法。应用计算机处理复杂系统求得近似解。对非线性系 统虽有误差，但精度可以满足工程要求。 数学模型研究方法的特点是模型高度抽象， 但是在实物与模型间存在很强的 相似性。 其优点是研究方法多样， 研究周期较短， 研究成本低廉。 不足之处是研 究结果受模型的简化、 模型参数的影响较大， 对研究人员技术本领要求高。 随着 计算机技术及功能强大的分析软件的出 现及发展， 数学模型研究法在今后汽车动 力学研究中占越来越重要地位。 对研究对象进行建模， 其复杂程度应根据所研究的问题而定。 一般来说， 包 括实际细节的模型能更真实地反映系统特性， 但复杂模型引起描述系统运动的微 江苏大学硕士研究生毕业论文 分方程数量的大量增加， 加大了求解的难度。 在建模抽象时， 如何使抽象之后的 模型和实际的元器件更加的接近是个非常重要的问题。 建立复杂的数学模型， 需要在对物理系统性能和结构有了详细研究的基础上 进行。 对于汽车整体而言， 各部分或各子系统的物理特性与结构特点决定了其模 型的复杂程度。以 研究轿车常用的承载式车身为例，在分析汽车的操纵特性时， 一般可以认为车身是刚性的， 只有6 个自由度， 需要6 个微分方程描述其运动特 性;而在车身 n v h ( n o i s e v b r a t i o n h a r s h n e s s ) 特性研究中，为了准确计算车 身的振动模态与振型， 采用有限元技术建立的车身模型， 随着单元、 节点的增加， 模型自由度数量从几十个到几千个，甚至达到上万个。 即使我们能够建立复杂系统的数学模型， 并且在一些计算机软件的帮助下能 够列写出模型的微分方程， 但建立复杂系统数学模型对建模参数的需求， 却远远 超过我们的想象。 如较为复杂的汽车动力学数学模型中， 不但需要各运动部件之 间 连接 点 的 空 间 坐 标 、 零 部 件 的 质 量 特 性 参 数( 质 量、 质 心 坐 标、 惯 性 主 轴 方向 、 转动惯量等) ， 而且还需要模型中弹性体的弹性参数 ( 刚度、 阻尼) ， 如果还考虑 弹性体的一些非线性特性， 如弹簧和橡胶元件的非线性刚度、 橡胶元件和减振器 的非线性阻尼特性等等; 而且， 对模型参数的识别也不是很容易的， 诸如液压悬 置物理参数的识别， 包括橡胶主簧刚度、 液压悬置元件体积刚度、 液室体积刚度 和惯性通道阻尼特性 ( 雷诺数 r e和阻尼系数毛 ) 。如果设计部门没有相当的数 据库与完善的材料库， 模型的参数收集就是一项既繁琐又困难的工作。 对于文中 液压悬置动特性的 研究， 通过 a d a ms软件对悬置在外界激励作用下悬置特性 的变化分析以及其他主要参数的变化对性能变化影响， 从而确定在何种参数配置 下可以使悬置具有比较良 好的性能。 总的来说， 目 前建立汽车动力总成液压悬置研究分析模型的主要困难有: a ) 建模时如何把动力总成很好的抽象和简化， 而不影响悬置在整个车辆系统当中的 性能，并能够尽量接近真实的情况; b )描述系统运动状态的微分方程组的建立 及求解: c )在对悬置性能进行优化时，目 标函数的选择。 汽车动力总成液压悬置特性研究一般包括静态特性研究与动态特性研究，国 内外对这方面的研究也比较多。 比较著名的美国通用汽车公司的技术中心有对液 压悬置的深入研究资料以 及国内 上海大众汽车集团 对液压悬置的 研究也颇深。 对 江苏大学硕士研究生毕业论文 具体的汽车的某个子系统进行高度抽象， 建立子系统的模型， 并建立描述该子系 统运动状态的微分方程组， 是一种传统的研究方法。 对比较简单的模型， 采用经 典的牛顿一欧拉方程或拉格朗日方程就可以手推公式导出解析形式的动力学方 程， 较为容易求得方程组的解析解。 随着汽车动力学研究模型的复杂， 微分方程 组的大量增加， 手工列写方程组出现了困难， 求出微分方程组的解析解几乎不可 能。因此，在汽车动力学研究时采用计算机辅助工程 ( c a e ) ，就成为一种很迫 切的需求。 江苏大学硕士研究生毕业论文 第2 章 动力学仿真软件a d a m s 的理论基础 文中建模以及仿真都是运用a d a ms 软件来完成的。 a d a ms 软件是由美国 学者 c h a c e 等人利用多刚体动力学理论， 选取系统中每一刚体质心在惯性参考系 中的三个直角坐标和反映刚体方位为广义坐标而编制的软件。 该软件应用了几种 解决刚性积分问题的算法如 g e a r 算法，并采用稀疏矩阵技术提高其计算效率。 a d a ms 软件运用的技术称为机械系统动态仿真技术， 是国际上2 0 世纪8 0 年代 随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程 ( c a e ) 技术。 a d a m s 软件凭借其优越的功能而在机械系统仿真中 得到最广泛的应用d l ; 1 2 . 1 a d a m s 软件简介 a d a ms 软件为多体系统动力学软件之一， 它为汽车动力学分析提供了强大 的数学分析工具，在整个机械行业当中，对各部件性能进行研究是不可或缺的。 而对对象的分析、 建模以及仿真则是研究的关键步骤e a d a ms 软件是目 前世界 上最为广泛使用的机械系统仿真m s s ( m e c h a n i c a l s y s t e m s i m u l a t i o n ) 软件， 广 泛应用在汽车、航天、铁路、普通机械以及许多其他行业上。所谓ms s 技术， 就是把分散的零部件设计和分析技术结合起来， 从而提供一个面向了解产品工作 性能的方法，并通过分析结果，指导产品的设计和创新。 a d a ms 软件在产品的研制开发中具有十分重要的作用。 在产品的概念设计 阶段， 设计人员可以 设计出 整个机械系统的模拟样机。 通过a d a m s / i g e s 模式 转换，将c a d软件 ( u g或c a t i a)中的实体模型导入到a d a ms中，利用该 软件， 可以创建实际模型来真实地在计算机上对复杂的机械系统的整个动作行为 进行仿真， 快速分析多种设计变化， 直到达到一种最优设计。 这就减小了昂贵物 理原型的数量， 改进了设计质量， 可以快速容易地创建一个机械系统完全参数化 的模型，从草图绘制到从c a d系统中导入零件几何，省时、节约费用， 提高质 量。 通过对国内 外对该软件使用过程进行总结， 可以知道， 一般系统仿真分析可 分为以下几个步骤，如图2 . 1 所示: 江苏大学硕士研究生毕业论文 系统建模 几 何 建 模 . 施加运动副和运动约束 施加载荷 仿真分析 设置 测量和 仿真输出 仿真分析 仿真结果分析 回 放 仿 真 结 果 绘制仿真结果曲线 验证仿真 输 入 实 验 数 据 分析结果 添加 实 验 数 据曲 线 细化系统 增加 摩擦力， 改 进载荷函 数 模型 定 义 柔 性 物 体 和 连 接 定义控制 参数化仿真 设 置 可 变 参 数 点 模型. 定 义 设 计 变 量 机械系统 进 行 主 要 设 计 影 响 因 素 研 究 优化 进 行 试 验设 计 研究 进行最优化研究 图2 . 1系统仿真分析步骤 本 文 主 要 利 用a d a m s n ib r a t io n 模 块 和a d a m s n i e w模 块。 n v h ( n o i s e , v i b r a t i o n a n d h a r s h n e s s )是许多机械系统的重要性能之一，但是n v h的优化设 计却一直很难进行。 一个系统某个元件受到的激励可能同另一个元件受到的激励 相互作用， 产生祸合等问题，并使振动隔离变得更加困难。 优化n v h的设计参 江苏大学硕士研究生毕业论文 数经常同诸如系统的耐久性和动态性能等特性相冲突， 并且n v h性能测试耗费 时间，浪费财力。a d a ms ni b r a t i o n是 a d a ms产品中的一个插件模块，使用 频域分析法对研究的 模型进行受迫振动研究。 使用 a d a m s ni b r a t i o n可以 把各 种子系统装配成型， 完成线性振动分析: 而在改进设计时， a d a ms 软件的参数 化设计功能、仿真分析功能可以在变量允许的变化范围内进行一系列的仿真分 析，以便比较参数的变化对整个系统工作性能的影响程度。 在设计验证阶段，由 a d a ms / a n i m a t i o n模块提供的图形动画显示功能有效地传递运动系统的初始设 计思想。 a d a ms 软件是设计人员能够检查一个模拟样机或几个模拟样机的工作 性能， 并可查到系统的工作方法， 以及从摄影的角度来观察系统工作的动画过程， 充分模拟实际工作中人员观看样机的感受。 运用 a d a ms软件可以 建立与实际 机械相同的模型样机，在物理样机生产前来分析其性能。 2 . 2 a d a m s 软件的理论基础 a d a ms 软件是基于多体动力学理论来进行机械系统运动学、 静力学、 动力 学分析的。 它以 笛卡儿坐标和欧拉角参数描述物体的空间位置， 采用吉尔刚性积 分方法解决了稀疏矩阵的求解问题，其核心模块是 a d a ms ni e w 和 a d a ms / s o l v e r . a d a m s / s o lv e r 提供了 d y n a m i c s , k i n e m a t i c s , e q u i l i b r i u m , o p t im i z e r , d e b u g g i n g 等多 种功能 成 熟的 求解 器， 可以 对所 建 模型进 行运动学、 静力学、动力学分析， 其理论基础和求解方法简要介绍如下 1 7 1 9 1 9 1 2 . 2 . 1 广义坐标 坐标系可以固定在一个参考机架上，也可以相对于参考机架而运动。合理 地设置坐标系可以简化机械系统的运动分析。 在机械系统运动分析过程中， 经常 使用如图2 . 2 所示3 种坐标系. 李 勾尹卜 扫t 翻 冬 澳 叠 标 系 p .k v n + t v + t 凡 + t t n + t ) = 0 g (v +t 9n+t ) _ 。+， 一 。 n+t 一 (斌 ) ( 。 。 + ， 一 艺a ,q ， 一 ，+ 1 ) 一 0 ( 2 .1 2 ) (d ( q _ , , t + t ) = 0 !一、 a d a ms使用修正的牛顿一 拉普森迭代方法求解上面的非线性方程，其迭代 校正公式为: f , + af a gj + a avi +q黔， + aa a ai = 0 _a g日 g v; + - o q ; +丁一 八 v , a q - c u =0( 2 . 1 3 ) a 中 (n ) 十 a q a q , =0 i 表示第i 次 迭代， = q ; + i 一 q j , a v i = v ; + , 一 v p a a j = a j + ， 一 a j ( 2 . 1 4 ) ( 2 - 6 )得:a v , = 一 (上) a v , 一 h 卢 o ( 2 . 1 5 ) qj式 a由 江苏大学硕士研究生毕业论文 由式 将式 a c 1、 _a c ( 2 . 1 2 )得:花 ， =( 丁二 一 ) 1 , 代 万 -=1 d q h / l o d v ( 2 . 1 5 ) . ( 2 . 1 6 )代入公式 ( 2 . 1 3 )得: ( 2 . 1 6 ) ( a f 一 止o f ) ( a o ) t a v h ,6 , a 0 ” a q 瑟一丙 ( 2 . 1 7 ) j 个卜!j !卫、!火 一- 了 十、十 口v兄 a r一.、 j 飞lesweweeeeeeseseseseses一 淤 一f 一g 一中 一、十lesesesesesl 公式 ( 2 - 1 7 )左边的系数矩阵称为系统的雅可比矩阵。 式中: af -a q刚 “ 阵 (“ ” “ 于 广 x #7 !#17 7 r 阵 ; _af -.a f-y rff ilba v阵 (力 相 xf t !- x a l 1yj g t0 , 4 ); af -砒 .a阵 ( “ 相 对 + i x 77aa ft n可 阵 ， 通过分解系统雅可比矩阵( 为了提高计算效率， a d a ms 采用符号方法分解 矩 阵 ) 求 解 。 ， 、 o v j么 凡 ， 计 算 出 。 ， 十 ， 、 v j+ l凡 十 ， 、 夕 ， + ， 、 寸 ， 十 ， 和 凡 + 1 ， 重 复 上述迭代校正步长， 直到满足收敛条件。 最后是积分误差控制步骤， 如果预估值 与校正值的差值小于规定的积分误差限， 则接受该解， 目十 h ， 进行下一时刻的 求 解:否则拒绝该解，并减小积分步长，重新进行预估一校正过程。 综上所述，微分一 代数方程的求解算法重复预估、校正、误差控制过程，直 到求解时间达到规定的模拟时间。 2 . 2 . 5 . 2 坐标减缩的微分方程求解算法 a d a ms 程序提供a b a m积分程序， 采用坐标分离算法， 将微分一 代数方程 缩减成用独立 广义坐标表示的 纯微分方程，然后用a b a m程序进行数值积分。 坐标缩减微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行。 ( 1 )坐标分离将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解， 可将系统的广义坐标 歹 。 阵 4 ， 分 解 为 独 立 坐 标 歹 。 阵 。 ! 和 、 卜 独 立 坐 标 歹 。 阵 。 d ， rp q 一 9 id 。 l q j 江苏大学硕士研究生毕业论文 ( 2 ) 预估 用a d a m s - b a s h f o rt h 显式公式，根据独立坐标前一个时间步长的值 预 估 t - ， 时 刻 的 独 立 坐 标 值 lq in , p 表 示 预 估 值 。 ( 3 )校正用 a d a ms - mo u l t o n隐式公式对上面的预估值，根据给定的收敛误差 ( 4 ) ( 5 ) 2 . 3 限 进 行 校 正 得 到 独 立 坐 标 的 校 正 值 q , c 表 示 校 正 值 。 独立相关坐标确定独立坐标的校正值以后， 可由相应公式计算出独立坐 标和其它系统状态变量值。 积分误差控制与上面预估一校正算法积分误差控制相同。如果预估值与 校正值的差值小于给定的积分误差限，则接受该解，进行下一时刻的求解。 否则减小积分步长，重复第二步开始的预估步骤。 本章小结 本章介绍了多体动力学仿真分析软件a d a ms 的 特点和理论基础。 a d a ms 软件是应用多体动力学理论， 选取系统内每个刚体的质心在惯性参考系中的三个 直角坐标和反映刚体方位的欧拉角为广义坐标编制的计算程序， 并采用稀疏矩阵 技术提高了计算效率。拟出了系统仿真分析的一般步骤，阐述了 a d a ms软件 使用的理论基础。 江苏大学硕士研究生毕业论文 第3 章 液压悬置系统模型的建立 为了分析液压悬置系统的特性， 必须首先建立其分析模型。 要保证所建模型 的正确性，应确保模型中的各个部件之间连接关系以及它们之间的相对空间位 置。本章在分析各种液压悬置结构的基础上建立了汽车动力总成液压悬置的 a d a ms 模型 1 9 1 (2 0 1 3 . 1模型建立前的准备工作 以轿车常用的动力总成悬置系统为研究对象， ;测量汽车动力总成的主要参 数， 包括动力总成质量、 总成质心位置以及动力总成的惯量和惯性积和发动机的 基本参数，诸如怠速转速、最高转速、最大扭矩以及最大功率， ;明确低速时， 发动机的二阶激振扭矩占 主导地位， 而在较高转速时， 是二阶往复惯性力占主导 地位。 模型参数的精度是影响模型分析精度的关键因素， 因此， 对于模型参数的准 备工作上， 必须要有足够的重视才行。 要注意的方面归结为以下几点: 运动学( 几 何定位)参数、质量参数 ( 质量、质心与转动惯量等) 、力学特性参数 ( 刚度、 阻尼等特性)与外界参数 ( 路面输入谱、风力等) 。在这些参数确定的时候有一 个必须考虑的问题就是振动解祸。 而获得参数的方法有很多: 图纸查阅法、 实验 法、计算法、c a d建模法等等。 1 ) 运动学 ( 几何定位) 参数 运动学参数，即车辆的相关运动部件的几何定位参数。 在应用多体系统动 力学理论建立汽车仿真模型需要依据汽车的具体结构形式， 在模型中输入各运动 部件之间的安装连接位置与相对角度等参数。 这些参数决定了汽车各个运动部件 之间的空间运动关系。 ( 2 ) 质量参数 在机械振动系统中，系统本身的质量、质心、转动惯量等决定了系统的特 性。 质量特性参数由各个运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中， 江苏大学硕士研究生毕业论文 模型由动力总成、车架以及支杆等三个部分组成，液压悬置简化为x , y , z三个方向具有刚度、 阻尼的弹簧组合， 橡胶悬置简化为只有一个方向具有刚度、 阻尼的弹簧。 动力总成悬置系统中，有两个转动铰接，两个平面铰接 ( pr i m) , 一个直移铰接。 动力总成通过前后两个液压悬置与车架相连。 由于动力总成采用 的是四点支承， 动力总成还通过两个转动铰接和支杆分别相连， 而支杆由平面铰 接 ( pr i m) 与车架 连接。 动力总成化为一个刚体，其质量参数、位置参数如下表 3 . 1 所示。 表3 . 1动力总成参数表 质量 ( k g ) 21 7 质心位置 ( m m ) ( 1 6 2 8 . 5 8 , 5 3 . 5 8 , 6 5 3 . 6 ) 1- 1 . o l e + 0 0 7 1 - 4 . 8 1 6 e + 0 0 6 i zz 1 . 1 8 5 e + 0 0 7 i , 一 1 . 5 4 6 e + 0 0 6 i u 1 . 4 5 7 e + 0 0 6 、 二 - 8 . 0 2 2 e + 0 0 5 3 . 4本章小结 以轿车常用动力总成液压悬置系统为研究对象，运用流体一 结构祸合理论建 立了动力总成液压悬置元件的数学力学模型， 得出了液压悬置元件的动刚度和力 传递率的计算表达式，并运用a d a ms 软件建立了悬置系统动力学仿真模型。 江苏大学硕士研究生毕业论文 第4 章 悬置元件仿真和试验研究 我们知道，悬置的刚度和阻尼是影响其性能的两个最主要的参数，本章将根 据前一章所建立的液压悬置元件模型， 进行仿真计算和分析， 并且对动力总成液 压悬置元件进行试验研究。 4 . 1悬置元件动特性仿真 悬置元件的动特性是指在不同频率下悬置元件所具有的特性， 是频域范围的 特性。 对动力总成悬置元件动特性的仿真计算， 可以分为低频和高频两种情况来 考虑。 在低频范围时， 激励振幅大， 频带窄; 而高频时则相反。 这里选用某惯性 通道式液 压悬置来进行仿真计算。 在仿真计算中 使 用的 液压悬置参数 有m, k , , a , a k 、k 、 g以 及。 等， 参 数 值 如 下 表4 . 1 所示: 表4 . 1 液压悬置的主要参数值 参 数 m、 ( k g ) k,. ( n/ mm ) a ( m m 2 ) a k ( m m 2 ) k ( m m 闪)g(- ) 1 ( mm) ( a ( 一 ) 数 值 2 1 71 1 02 9 2 n4 . 5 n1 1 5 0 0 0 3 6 . 02 0 n 1 . 4 2 3 4 . 1 . ，低频段仿真计算 低频段的频率范围取1 -2 0 h z ， 这主要考虑的是垂直方向作用的路面和轮胎 输入激励以及发动机怠速时的点火力频率都在这个范围内。 该液压悬置在无外界 激励之前有预载荷， 大小为1 3 1 9 n ， 应用表4 . 1 中液压悬置参数值，可以得到液 压悬置低频段的动刚度、 动阻尼曲 线。 如图4 . 1 和图4 . 2 所示。 从图4 . 1 中可以 看到， 低频段该液压悬置在很大范围内的动刚度值都在3 0 0 n / m m 以上， 大的接近 6 0 0 n / m m ，只是在5 h z 处有个波谷，其值较小，究其原因可能是由于液体的驻波 作用;而对于动阻尼曲线，图 4 . 2表现出了良 好的特性，阻尼值几乎都在 1 . 5 以 上，满足液压悬置低频大阻尼的要求，能较好地隔离低频段的振动。 江苏大学硕士研究生毕业论文 省 者 击 奋 奋奋 一 士奋一 r 月 . 声 声 全 奋 畜 、， 声 言 l 0000000000000 价hl勺连njo目胜主 曰是之刘声又尽 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0 频率( h z ) 图4 . 1液压悬置低频动刚度曲线 尸 o 4 . 5 4 3 . 5 3 2 . 5 2 1 . 5 1 0 . 5 0 一日 盯 尸 尸 口 日 日 口 口 日口 口 口 口 口门 口 盯 日 门 门 日 口口门 口 口 冈 口 口 口 口 厂 日 尸 口 口 日 门日 曰门 门 口 口 口日 口 口 盯 口 口 口 口 口口口 口 口 口口口 口 口 口 口口 叮 日 巴 口 口 日 口 巨 口 口 日 口 日 口日 日u 口 盯 口 口 口 口 口 口 口口 口 口 口 口 口口 日 巨 口 口口口 口口 口 口 口 日口口 口 日 口 口 巨 口 口 u 口 口口口 口 口 口 口 日 口 口 口 日 口 匡 口 口 仁 巨 巨匕巨 口 口 巨 巨口口 巨 口 巨 巨 匕 (里/。劣1乙)叹麦尽 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0 频率 ( h z ) 图4 . 2液压悬置低频动阻尼曲 线 江苏大学硕士研究生毕业论文 4 . 1 . 2高频段仿真计算 从图4 . 3 可以看出，该液压悬置的动刚度基本在3 0 o n / 。一3 5 o n / 二之间， 这个值不是很大， 具有高频低动刚度，同时在图4 ， 4 中看出，该液压悬置也具有 高频小阻尼的特性。 nunu八ijcc甘钊nu n5cu51日亡dnu 连j门d八八q勺乙11 已提乙巡台因商 5 0 一一吮 ， -一一一、 ，一一一 3 03 85 06 27 48 69 81 1 0 1 2 2 1 3 8 1 5 0 1 6 0 频率( h z ) 图4 . 3液压悬置高频动刚度曲线图 0 . 2 5 一 一，一 -一 一 唬，瑍 -一 - -性 n尸01止只d 1工。n 00.00. 昌。的12四曰寻 3 03 85 06 27 48 69 81 1 0 1 2 2 1 3 8 1 5 0 1 6 0 频率