汽车动力总成悬置系统的优化设计毕业论文.doc

安徽工程大学成人高等教育毕业设计 成人高等教育毕业设计（论文）题 目 汽车动力总成悬置系统的优化设计学 生 指导教师 评 阅 人_函 授 站 安徽工程大学 专 业 完成日期 2015.5.20 附件2：成人高等教育毕业设计（论文）任务书论文题目 汽车动力总成悬置系统的优化设计学生姓名函授站安徽工程大学专业班级 车辆工程内容与要求第一章 绪论.1.1选题背景及意义1.2国内外发展现状概述1.3本课题研究的内容和方法第二章 汽车动力总成悬置系统的设计理论2.1汽车动力总成悬置系统的作用2.2汽车动力总成悬置系统的设计原则及布置形式2.2.1 悬置系统弹性支承常用的布置方式2.2.2支承点的数目及其位置2.3动力总成悬置系统的振源分析2.4动力总成悬置系统的优化设计方法2.4.1动力总成悬置系统的解耦设计2.4.2打击中心及机身一阶弯曲振动问题2.4.3振动系统固有频率的配置2.4.4系统振动传递率或支承处响应力最小2.5动力总成悬置系统的建模及求解2.5.1 系统的动力学模型2.5.2微分方程的建立2.5.3系统的动能及质量矩阵2.5.4系统的势能和刚度矩阵2.5.5微分方程2.5.6固有频率的求解第三章 集瑞某重卡动力总成悬置系统的优化设计3.1悬置系统设计的目标3.2悬置系统设计的主要内容3.3悬置系统的隔振机理3.4悬置系统设计参数的确定3.4.1发动机+变速箱总成的湿重3.4.2坐标系3.4.3其它有关的发动机参数3.4.4发动机变速箱总成的前后左右悬置支承点的位置3.5发动机悬置支承点的布置3.6悬置点的受力分析 3.6.1垂直上跳 3.6.2垂直下跳第四章 总结设计（论文）起止时间2015 年2月 20 日至2015 年 5 月20 日指导教师签名学生签名 2015年 5 月 20 日附件3：成人高等教育毕业设计（论文）审查意见表学生姓名教学站安徽工程大学专业班级车辆工程论文题目汽车动力总成悬置系统的优化设计序号评审项目指 标满分评分1工作态度严肃认真，刻苦勤奋，善于与他人合作。102工作能力基础扎实，具备独立从事本专业工作的能力。103业务能力与水平有收集、综合和正确利用各种信息并获取新知识的能力。能应用所学的基础理论与专业知识，独立分析和解决实际问题，达到毕业设计（论文）的教学基本要求。所得结论具有应用或参考价值。304质 量条理清晰，结构严谨；文笔流畅，语言通顺；方法正确，分析、论证充分；设计、计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范；专业名词术语准确。305规 范 化技术材料齐全，论文撰写符合安徽工程大学继续教育学院毕业设计（论文）撰写规范的要求。106创 新工作中有创新意识；对前人工作有改进、突破，或有独特见解。翻译准确，语句通顺，译文工作量符合任务要求。10 是否同意参加答辩:总分 评语： 指导教师： 年 月 日 附件4：成人高等教育毕业设计（论文）评阅意见书学生姓名 教学站 安徽工程大学专业班级 车辆工程论文题目汽车动力总成悬置系统的优化设计序号评审项目指 标满分评分1选 题 体现专业内容；具有实际或理论意义；难易程度合适。102工作量完成任务书规定的内容，工作量饱满。 103业务能力与水平有收集、综合和正确利用各种信息并获取新知识的能力。能应用所学的基础理论与专业知识，分析和解决实际问题，达到毕业设计（论文）的教学基本要求。所得结论具有应用或参考价值。304质 量条理清晰，结构严谨；文笔流畅，语言通顺；方法正确，分析、论证充分；设计、计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范；专业名词术语准确。305规 范 化技术材料齐全，论文撰写符合安徽工程大学继续教育学院毕业设计（论文）撰写规范的要求。106创 新对前人工作有改进、突破，或有独特见解。翻译准确，语句通顺，译文工作量符合任务要求。10 总 分评语：评阅人 ： 年 月 日 附件5：成人高等教育毕业设计（论文）答辩结果表学生姓名教学站安徽工程大学论文题目汽车动力总成悬置系统的优化设计专业班级 车辆工程序号评审项目指 标满分评分1报告内容思路清新；语言表达准确，重点突出；概念清楚，方法正确，论据充分，分析归纳合理；结论有应用或参考价值。402报告过程准备工作充分，时间符合要求。153创 新对前人工作有改进、突破，或有独特见解。54答 辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确、深入。40总 分评语：答辩委员会（小组）负责人： 成 员：年 月 日6 摘 要本文在总结国内外大量文献的基础上，通过试验和理论相结合，对某集团的L41AB重卡是一款牵引商务车动力总成悬置系统进行了优化分析研究，有效的减少了动力总成传递到车架上的振动，提高了汽车的乘坐舒适性和平顺性。根据三线摆法和振动法的测量原理，准确的获得了L41AB重卡动力总成的相关参数，建立了动力总成悬置系统的运动仿真模型。本文在合理的配置固有频率的基础上，经过刚度解耦设计得出了理论优化数据。运用ADAMS软件进行了动力总成悬置系统的模型仿真验证，通过振动模态分析的方法研究了优化前后悬置系统的隔振性能。在模型仿真分析中，将前/后支承、后支承梁、后连接梁等作为柔体考虑，更真实的模拟了动力总成悬置系统工作时的振动情况。关键词：动力总成 悬置 振动解耦 仿真柔体ABSTRACTThis article in summary on the basis of a large number of domestic and foreign literature, through a combination of experimental and theoretical, of a group L41AB heavy truck is a traction commercial vehicle power assembly mounting system optimization analysis, effectively reducing the power assembly to the frame vibration transmission and improve the vehicle ride comfort peaceful compliance.According to the three line put the measuring principle of the method and vibration method and accurate access to the L41AB heavy duty truck Powertrain Parameters, the establishment of the powertrain mounting system motion simulation model.Based on the natural frequency of reasonable configuration, the theoretical optimized data is obtained by the decoupling design.The model simulation of the powertrain mounting system is carried out by using ADAMS software. The vibration isolation performance of the suspension system is studied by means of the vibration mode analysis.In the model simulation, the vibration of the total suspension system is simulated, and the former / rear supports, the rear bearing beam and the rear connecting beam are considered as the flexible body. Key Word: power assembly, mount, vibration, decoupling, simulation, flexibility 目 录摘 要6ABSTRACT7摘 要6ABSTRACT7第一章 绪论101.1 选题的意义和背景101.2国内外发展现状概述111.3本课题研究的内容和方法12第二章 汽车动力总成悬置系统的设计理论132.1 汽车动力总成悬置系统的作用132.2 汽车动力总成悬置系统的设计原则及布置形式142.2.1 悬置系统弹性支承常用的布置方式142.2.2支承点的数目及其位置142.3动力总成悬置系统的振源分析152.4 动力总成悬置系统的优化设计方法152.4.1动力总成悬置系统的解耦设计162.4.2打击中心及机身一阶弯曲振动问题172.4.3振动系统固有频率的配置182.4.4系统振动传递率或支承处响应力最小192.5动力总成悬置系统的建模及求解192.5.1 系统的动力学模型192.5.2微分方程的建立202.5.3系统的动能及质量矩阵202.5.4系统的势能和刚度矩阵212.5.5微分方程222.5.6固有频率的求解22第三章 集瑞某重卡动力总成悬置系统的优化设计233.1 悬置系统设计的目标233.2 悬置系统设计的主要内容233.3 悬置系统的隔振机理243.4 悬置系统设计参数的确定253.4.1发动机+变速箱总成的湿重253.4.2坐标系253.4.3其它有关的发动机参数253.4.4发动机变速箱总成的前后左右悬置支承点的位置263.5 发动机悬置支承点的布置263.6 悬置点的受力分析273.6.1垂直上跳273.6.2垂直下跳29第四章 总结30致 谢31参考文献32第一章 绪论1.1 选题的意义和背景随着整个社会汽车工业的发展以及中国成功的加入WTO，人们对汽车的乘坐舒适性提出了越来越高的要求，中国的汽车工业也将受到前所未有的冲击。近年来，汽车设计向着轻型化、经济型化方向发展，但是少缸、大功率发动机往往可能使发动机的振动激励增大，而轻型化的车身又使其刚度变低，从而导致由发动机动力总成传递至车身的振动加剧，使车内的振动和噪声特性恶化。特别是采用平衡性较差的四缸四行程发动机的汽车。动力总成振动对汽车乘坐舒适性的影响越来越突出。为了更好地解决这些矛盾，必须有效地降低车身振动和车内噪声。这就要求很好地设计和布置动力总成悬置系统，悬置系统的优化也就到了迫在眉睫的时刻。良好的操作稳定性、平顺性和低振动、低噪声是现代车辆的重要标志。振动对整车舒适性的影响越来越受到国内外汽车界的重视。动力总成悬置系统是汽车振动系统的一个重要子系统，它是指动力总成与车架之间的弹性连接系统，其性能的好坏不仅影响乘坐舒适性，而且影响着车辆的使用寿命。合理的设计发动机悬置系统，可以降低动力总成和车辆的振动水平，减少动力总成传递到车身的激振力，降低由此激发的车身和底盘相关零件的振动和噪声，从而明显提高车辆的耐久性和乘坐舒适性。悬置系统设计的好坏主要取决于支承的结构形式、悬置元件的几何位置及刚度。悬置系统的设计是一个较为复杂的任务，需要满足一系列的静态和动态性能的要求，同时又要受到整车布置的限制。对动力总成悬置系统进行解耦设计，以悬置元件的支承方位和刚度为参数合理分配发动机的各向振动固有频率，并将悬置系统和车架本身作为一个整体考虑可以进一步改进和优化悬置系统，从而降低振动，提高汽车的性能。产品技术定位与要求：（1）产品开发原则：1) 技术领先国内主要竞争对手，并保证推出后技术储备在5年以上不落后；2) 产品系列化开发、模块化设计，可向62、42系列扩展；3) 应用新材料、新技术，实施整车轻量化设计，提高承载能力；4) 主要总成件选用国内主流成熟配套资源；5) 从设计到生产严格控制成本，零部件有较大通用性。（2） 关键技术：1) 符合国家排放标准且掌握知识产权的高性能发动机；2) 联合国际设计公司全新开发的全系列驾驶室；3) 以Benz Actros底盘技术为基础，引鉴欧洲重卡先进技术；4) 电子远程车辆管理系统。1.2国内外发展现状概述国外许多专家对发动机悬置系统隔振做出了许多有益的研究和探讨。早在1939年，Illife就提出了悬置系统设计的一些基本原则，但是较为熟悉的六自由度解耦理论和计算方法是在20世纪50 年代由Horison和Horovitz完成的。1979年，Johson首次用数学的优化手段，进行悬置系统的设计，他以合理配置系统的固有频率和实现各自由度之间的振动解耦为目标函数，以悬置刚度和悬置坐标为设计变量进行优化计算，取得比较令人满意的优化成果。近二十多年，随着计算机技术的高速发展和更有效的振动分析方法的应用，为悬置系统的设计和研究提供了十分有效的手段，使悬置系统优化设计和仿真分析得以开展和研究。这段时期中，应用优化理论进行的动力总成悬置系统的研究方法，大多是将悬置系统的力学模型简化，以车架为刚性基础建立六自由度的刚体阻尼弹簧模型，来最终实现合理配置系统的固有频率和各自由度之间的解耦。国外学者和厂家在优化动力总成悬置系统的位置和刚度的同时，对悬置本身的结构和动态特性也开展了大量的研究工作。传统的动力总成橡胶悬置结构简单、成本低，但其有阻尼小、刚度偏大及高频动态硬化的缺点，难以满足汽车动力总成在较宽频率范围内对悬置系统的隔振要求。因而现代的国外轿车已大部分采用了新一代的液力悬置来取代传统的橡胶悬置，以满足更高的整车性能要求。液力悬置是传统橡胶悬置与液力阻尼组成一体的结构。液力悬置在低频具有大阻尼、高动刚度特性，既可有效地隔离、衰减发动机低速时的稳态振动，又可很好地控制、衰减汽车非稳态工况下动力总成的大位移冲击运动和振动；在高频域具有小阻尼、低动刚度的特性，可在较宽频带范围内满足动力总成的高频隔振要求，降低汽车在高速行驶中的车内振动和噪声，明显改善汽车的乘坐舒适性，并有助于提高汽车的安全性和操纵稳定性。经过20多年的发展，液力悬置结构由简单到复杂，控制方式也由被动式发展到半主动控制式及和主动控制式，设计生产技术日趋成熟，应用日趋广泛，液力悬置已成为动力总成悬置未来发展的必然趋势。但是目前由于制造成本、结构尺寸及制造工艺等原因的限制，国外在轻型车上液力悬置的应用还比较少，还通常采用传统的橡胶材料作为隔振元件，但橡胶材料的性能、悬置结构形式及制造工艺都有了很大改进，使其隔振作用有了明显的提高。我国汽车工业的迅速发展和人们对汽车行驶舒适性要求的提高促进了我国汽车科研工作的广泛深入。国内的汽车专业人员对发动机悬置系统的研究虽起步较晚，但已取得了大量的成果。从1983年起，徐石安等人就开始对悬置系统进行了研究，在优化问题上以悬置处动反力幅值最小为目标函数，适当控制系统的固有频率，取得了较好的效果。1985年，潘旭峰等人结合DD680大客车发动机悬置参数设计问题，应用模糊集理论，通过移频、解耦来降低悬置处响应力等各种途径，对悬置参数进行了模糊多目标优化，获得了较为满意的综合效果。1992年，长春汽车研究所的喻惠然等人给出了发动机悬置系统设计的一般要求和原则，并对CA6102型发动机的悬置系统进行了基本参数计算和隔振性能研究，提出了改进方案。同年，上官文斌等人从工程实用的角度出发，在扭矩轴坐标系中建立优化模型，以系统固有频率为目标函数，充分考虑到系统解耦、撞击中心理论应用、一阶弯曲模态节点选取等原则，并以此为约束进行优化计算，取得了良好的效果。1994年，王立公等人率先在国内对液阻悬置结构发展进行了系统论述，阐述了各种典型的液阻悬置的结构工作原理和性能特点及其发展趋势。1999年，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，同时对液阻悬置和橡胶悬置的隔振特性进行了对比分析，并得到实验模态分析结果的证实。2002年，吕振华等人对国内一种轿车的发动机液阻悬置建立了集总参数的力学和数学模型，进行了动态特性仿真，并与实验测试结果进行了对比分析，其研究方法具有一定的指导意义。目前国内的客车和货车动力悬置系统中运用的减振装置主要还是传统的橡胶元件，被动式液压悬置在一些轿车上得到了应用。至于半主动和主动式液力悬置由于其成本和可靠性的原因，目前国内汽车上还没有应用实例。1. 3本课题研究的内容和方法发动机系统设计是指发动机在整车上的安装应用工程，是在整车布置允许的空间内，根据整车的工作周期、负荷系数、工作环境、性能和大修期，合理地选择、设计发动机系统中的零部件，使之与发动机相匹配。同时精心设计相应的连接管路及支架。在第一轮设计阶段，为了保证零部件性能和可靠性，参考了市场同类车型的开发成果，结合此前车型的成功开发经验，并借助理论分析，来确定系统、零部件的参数和结构。使发动机系统达到以下要求：1)能保证发动机总成在汽车规定的任何使用条件下输出正常的功率、扭矩。2)保证发动机正常的燃油，机油消耗量。3)保证发动机在底盘上安全可靠地工作，提高整车的可靠性和耐久性。4)降低附件耗功。5)为降低整车噪声做贡献。6)为整车平顺性及排放达标做贡献。本课题根据发动机的设计要求，总结Benz Actros及东风天龙的设计经验，同时分析市场上同类车型发动机系统参数，通过理论分析，最终完成了集瑞L41AB发动机系统设计。主要内容是设计与发动机相匹配的进排气系统、供油系统、冷却系统、悬置系统等，并使各系统与整车性能相适应。第二章 汽车动力总成悬置系统的设计理论2.1 汽车动力总成悬置系统的作用1）隔离振动 在发动机所有工作转速范围内，发动机产生的振动必须通过悬置系统加以隔离，尽可能降低传给汽车底盘和车身的振动。同时，悬置系统还必须隔离由道路不平引起的车轮、悬挂系统的振动，防止这一振动向发动机传递，避免发动机振动加剧，以满足车辆运行时的平稳性和舒适性，并保证怠速和停机时发动机的稳定性。2）发动机支承和定位 在发动机本身振动和外界作用力驱动下，发动机和底盘之间必然存在着相对运动。所以悬置系统必须具有控制发动机相对运动和位移的功能。3）保护发动机 车辆在行驶过程中同时承载着动态负荷和冲击负荷，悬置系统应具有保护发动机的能力，防止发动机个别部位因承受过大的冲击载荷而损坏。4）发动机与底盘之间的连接零件必须要有足够的柔性 如：排气管、进气管、燃油管、冷却水管、油门操纵机构及变速箱操纵机构等。如果他们的刚度较大，发动机的振动容易损坏这些零件，尤其在怠速停机、出现共振时。5）悬置系统的零件必须具有足够的强度和可靠性，在严重的冲击负荷下应保证不发生损坏。6）克服和平衡因扭矩输出而产生的发作用力。7）发动机悬置系统的设计还应满足装配精度低、拆装方便和维修接近性好等条件。8）悬置系统零部件还应符合低成本、通用化、标准化和系列化要求。9）保证发动机机体与飞轮壳的连接面弯矩不超过发动机厂家的允许值。2.2 汽车动力总成悬置系统的设计原则及布置形式2.2.1 悬置系统弹性支承常用的布置方式不同汽车的动力总成性能参数及其布置空间存在较大的差别，这些因素导致汽车动力总成悬置系统布置的限制条件各不相同，从而布置方式也是多种多样。任意布置的悬置型式会导致悬置元件间各向刚度的相互耦合。每个弹性悬置不论其结构形状如何，都可看作是一个由三个相互垂直的弹簧组成的结构（粘性阻尼结构），按照这三个弹簧的刚度轴线和参考坐标轴线间的相对位置关系，一般汽车上应用的悬置系统弹性支承的布置可以有三种不同方式。（1）平置式。这是一种常见的、传统的布置方式，它布局简单、安装容易。在这种布置方式中，每个弹性支承的三个相互垂直的刚度轴各自对应地平行于所选取的参考坐标轴。在平置式中，消除耦合振动的主要方法，是使悬置对称布置，使其位置坐标的正负数值之和为零，从而消除了完全耦合。（2）斜置式。目前汽车中悬置系统多采用这种布置方式。在这种布置方式中，每个弹性支承的三个相互垂直的刚度轴相对于参考坐标轴的布置是：除了一根轴平行于参考坐标外，其它两根轴分别与参考坐标轴有一夹角。一般斜置式的弹性支承都是成对的对称布置在垂向纵剖面的两侧，但每对之间的夹角可以不同，坐标位置也可以不同，主要根据车架的结构形式和隔振的需求来布置。这种布置方式的最大优点是：它既有较强的横向刚度，又有足够的横摇柔度。（3）会聚式。这种布置方式的特点是弹性支承的所有隔振器的主要刚度轴均会聚相交于同一点。除了有良好的稳定性外它最大的优点是可以通过调节倾斜角度和布置坐标的关系来获得六种完全独立的振动模态。只是这种布置方式实施起来并不容易，且一般汽车发动机并没有纵向激励，因此应用不多。2.2.2支承点的数目及其位置汽车发动机动力总成的悬置系统多采用三点或四点支承。支承数目主要是根据发动机类型，前后承载重量分配以及激振力情况而定的。采用三点支承的优点是不管汽车怎样颠簸、跳动，动力总成悬置系统总能保证各支承点处在一个平面上，这就大大改善了机体的受力情况。目前有很多汽车发动机即使是采用四点支承，也力求将飞轮端的两点支承尽量靠拢，以达到三点支承的效果。在选择支承点的布置位置时还应该考虑两方面的问题：一是打击中心问题；二是机身一阶弯曲振动问题。2.3动力总成悬置系统的振源分析从机械振动学的角度来看动力总成悬置系统，它是一个强迫振动系统16。它基本上受到两个振源的激励：一是来自动力总成内部的激励；二是来自汽车行驶的路面的激励。主要概括为以下几个方面17：（1）不平衡的回转运动质量所产生的离心力及离心力矩。（2）不平衡的往复运动质量所产生的惯性力及惯性力矩。（3）不平衡的反作用简谐扭矩。（4）个别气缸不发火或爆发压力不均匀。（5）因机身（曲柄箱）刚性不足导致内力矩输出引起。（6）由路面不平坦引起(属低频随机振动)。（7）由汽车行驶中加速或刹车时的惯性力引起（使发动机产生纵向振动）。我们在研究动力总成悬置系统时主要考虑的是来自其本身的内部激励。故上述的前三项振动源（不平衡的回转运动质量、不平衡的往复运动质量、反作用简谐扭矩引起的力和力矩）是我们设计时主要考虑的对象。由这三项振动源所引起的动力总成的振动模态主要是平摇，纵摇及横摇。由不平衡量引起的激振力是离心力，它的大小与转速平方成正比，只有在高转速时其作用才明显；而着火脉冲的激励作用只有在低速时才明显，因此一般在高转速作用下由不平衡的惯性力和力矩引起的振动大些，而在转速低时则由不平衡的简谐扭矩引起的振动大些。2.4 动力总成悬置系统的优化设计方法对发动机悬置参数进行优化，能够实现悬置系统动态特性与整车动态特性的合理匹配，有效地控制发动机振动干扰力对汽车振动的影响，改善汽车乘坐舒适性。国内外许多人对此进行了研究，提出了多种优化分析方法。如：动力总成悬置系统六自由度解耦或部分解耦；系统固有振动频率的配置；系统的振动传递率或支承处动反力最小等方法。2.4.1动力总成悬置系统的解耦设计 通常动力总成悬置系统的六个自由度的振动是耦合的，这样会导致动力总成悬置系统的振幅加大、振动频带过宽。因此在设计时悬置应尽量采用解耦形式布置。从理论上讲，当前后悬置的弹性中心与动力总成的质心完全重合时，则悬置系统在六个方向的振动完全解耦。但由于受到整车布置等各种条件的制约，完全解耦难以实现，因此通常的做法是将与激振力有关的几个主要振动方向的振动模态解耦，即部分解耦。解耦对于动力总成的隔振来说，是一种非常方便的措施。传统的解耦方法主要是通过合理布置悬置系统的结构来实现的，其基本原则是以悬置系统的中心主惯性轴为坐标系来布置支承元件，以消除惯性耦合；使橡胶悬置的弹性中心位于系统的扭矩轴上或质心处，消除弹性耦合。但当发动机动力总成不具有明显的对称面时，主惯性轴相对曲轴偏离歪斜很大时（例如现在流行的前置前驱动汽车的发动机），前后悬置的弹性中心往往很难落在扭矩轴上。这时，可以从能量角度来考虑解耦。下面介绍一种可以在任意六个自由度都能方便解耦的方法：能量解耦法。设发动机动力总成的弹性支承元件为橡胶件，具有阻尼结构，系统的x轴与曲轴的方向一致且只有一个激励力作用于第i个广义坐标上。根据第二章讲解的知识可以知道多自由度振动系统的振动微分方程为： 从能量角度看解耦。一个空间弹性支承的刚体仅作垂直自由振动而和其他自由度解耦时，则其振动能量只集中于垂直方向的自由度上。现刚体作多自由度耦合振动，系统动能由下式表达：当系统作第i阶主振动时的最大动能为：其展开式为： （2-24）上式由36项累加而成，为第i阶固有频率。定义项，k=16，为系统在作第i阶主振动时在第k个广义坐标上分配到的振动能量；项 ，k=16，l=16，k不为6，是由于耦合引起的坐标间重新分配的动能，我们认为系统的全部动能只分配于六个广义坐标上。这样在第k个广义坐标上分配到的动能为： （2-25）第k个广义坐标上分配到的动能所占系统总动能的百分比为： （2-26）如果=100%时，表示系统作第i阶模态振动时，能量全部集中在第k个广义坐标上。令k=i，同时由式（2-26）可知，必有如下结果：不等于0 =0 l=16 l不等于i 由于坐标耦合相互对应，对于其余模态也有：=0 k=16 k不等于i 此时就相当于振型矩阵中第i行第j列的非对角元素全为零。同理可把它推广到其它各个模态。因此，要提高某个方向上的解耦程度，就要提高该广义坐标上的分配能量占总能量的百分比即。此方法在汽车悬置设计中已经被广泛采用。 2.4.2打击中心及机身一阶弯曲振动问题 一、打击中心理论：对于直列式四缸发动机，当曲柄间隔为180时，各个汽缸存在着严重的二次不平衡惯性力，它将引起机组剧烈的纵摇振动。为解决这个问题，我们经常采用以下办法。在确定前、后悬置的位置时，一般希望前悬置布置在发动机动力总成的一阶弯曲模态的一个节点上，当前悬置的位置确定后，可用打击中心理论来确定后悬置的位置。图2.4用打击中心理论布置悬置位置如图3.3所示，设在极短的时间内前悬置点上作用着很大的干扰力或冲击力，如果后悬置点不产生移动，而只产生绕后悬置的旋转运动，则后悬置所处的位置称为前悬置的打击中心。反之前悬置也成为后悬置的打击中心。打击中心应满足下式: （2-27）前悬置支撑中心到动力总成质心水平距离。后悬置支撑中心到动力总成质心水平距离。动力总成悬置系统对Y轴的主惯性矩。动力总成悬置系统总质量根据打击中心理论布置前、后悬置，使得路面等输入力给前悬置或后悬置施加冲击力时，施加在前悬置的力不能传到后悬置，而施加在后悬置的力也不能传给前悬置，即前、后悬置所遭受到的冲击不致相互影响，从而达到良好的隔振效应。二、机身一阶弯曲振动问题：现代汽车发动机机组作为一个弹性体其一阶弯曲振动的固有频率并不是很高的，而功率强大的发动机在高频段的激励频率却是很丰富的，因此很有可能导致机身产生一阶弯曲振动共振。在这种情况下如能将支承点安置在振型曲线的节点处，对于减轻隔振器的附加载荷是很有利的。2.4.3振动系统固有频率的配置固有频率的配置是以动力总成系统的固有频率的合理分配为目标，以悬置参数为设计变量的优化方法。使系统的固有频率得到合理的匹配且各振动模态尽量不重合，以便让系统尽量避开共振区。根据振动理论，悬置系统的隔振设计主要从系统的固有频率考虑。当系统的固有频率和相应的扰动频率相同时，振动系统将发生共振，此时相应振幅大大增加。对发动机而言，低频范围内其主要扰动力为绕曲轴方向的转矩，当此扰动频率和绕曲轴旋转方向的固有频率重合时，系统发生共振。通常使绕曲轴旋转方向的固有频率处于发动机正常工作时的扰动频率之外。同时，从整车各子系统的动力特性合理分配考虑，悬置系统的固有频率还应避开其它子系统相应的振动频率，如悬架、车身及车轮的振动频率，以防由此引起发动机和其它子系统间的共振。所以，无论从发动机悬置系统还是汽车其它子系统的动力特性合理分配考虑，对发动机悬置系统的设计都必须从解耦和固有频率的合理安排入手。2.4.4系统振动传递率或支承处响应力最小悬置支承处响应力最小，是积极隔离振动的重要出发点。因为可能导致发动机动力总成产生平移或旋转运动的力与力矩都是悬置支承处响应力的函数，响应力越小，说明其综合隔振效果越好。对于发动机稳态工况的激励，悬置支承处会产生与激励频率相同的交变响应力，这个交变响应力的幅值越小，说明悬置系统对该频率的激励力的隔振效果越好。所以设计中应尽量降低振动传递率的大小，减少支承处响应力，以达到较为理想的隔振效果。2.5动力总成悬置系统的建模及求解2.5.1 系统的动力学模型动力总成悬置系统的振动是一个复杂的多自由度振动过程,在对动力总成的振动进行分析时,首先作以下假设： 1）支承动力总成的车架视为绝对刚体,质量为无限大高频时,车架的弹性对系统的振动有一定影响,使隔振性能变坏；2）力总成是个刚性块动力总成悬置系统的固有频率在范围,而把系统作为弹性体的最低模态频率大约在以上,因此动力总成悬置系统只存在刚体模态；3）考虑橡胶支承本身的质量；4）胶悬置具有空间弹簧的性质,因此把每个橡胶支承简化为沿空间三个轴有弹性的弹簧由于动力总成各个悬置位置的距离比起悬置本身的尺寸要大得多,橡胶垫的扭转弹性不明显,常略去不计；5) 忽略橡胶悬置的阻尼橡胶的阻尼不大,且是小幅振动,所以不考虑其阻尼的作用。根据这几点假设,发动机悬置系统可简化为如图一所示的模型：2.5.2微分方程的建立选取动力总成平衡位置时的重心为坐标系原点,轴平行于曲轴轴线指向汽车前进方向,轴垂直于各气缸中心线所在的平面指向发动机左侧,轴铅垂向上动力总成在空间的运动具有六个自由度,即三个沿相互垂直的通过质心的轴线的往复运动和饶三个轴线的回转运动,假设动力总成的广义位移为：1.5.3 系统的动能及质量矩阵由刚体动力学可知，发动机动力总成系统做刚体运动时的动能为：式中：是广义速度矢量；为质量矩阵。动力总成的质量；、动力总成绕、轴的转动惯量；、动力总成对其下标所示平面的惯性积；2.5.4系统的势能和刚度矩阵假设橡胶悬置的3个弹性主轴分别为、（=14）。设动力总成悬置的静平衡位置点为势能零点，则在悬置的弹性主轴坐标系中，系统的势能可表示为：式中：，、第个悬置沿各个弹性主轴的变形量；、第个悬置沿各个弹性主轴的主刚度；第个悬置的弹性主轴坐标系与动力总成系统的总体坐标系的变换矩阵为：、第个悬置的轴分别与总体坐标系、轴的夹角；、第个悬置的轴分别与总体坐标系、轴的夹角；、第个悬置的轴分别与总体坐标系、轴的夹角；则：第个悬置沿总体坐标系、方向的变形。在小位移假设的前提下，按照运动关系，系统中任一点在直角坐标系中的位移和广义坐标中变形之间的关系为：式中：、第个悬置在总体坐标系中的安装位置坐标；综合以上式子，系统的势能可表示为：式中：动力总成悬置系统在广义坐标系中的刚度矩阵；2.5.5微分方程采用拉格朗日方程：式中：系统动能； 系统势能； 系统耗散能； 激励力向量。由于不考虑阻尼，耗散能为0，因此无阻尼振动微分方程为：式中：动力总成广义位移向量； 动力总成的广义加速度向量； 、分别为质量矩阵和刚度矩阵；2.5.6固有频率的求解系统的无阻尼自由振动微分方程为：设该方程的解为：带入微分方程并化简可得：左乘得：令=，则：式中即为矩阵的特征值，为其特征向量。由于质量矩阵为对称正定的，刚度矩阵也是对称阵，因而上式为广义特征值问题，可以应用Matlab来求得系统的固有频率和固有振型第三章 集瑞某重卡动力总成悬置系统的优化设计3.1 悬置系统设计的目标汽车的动力总成是通过悬置系统与车体相连的，悬置系统承受着动力总成的重量。在汽车发动机工作过程中，悬置元件既是弹性元件，又是减振装置，起着非常重要的作用。其设计原则为：从隔振角度来讲，悬置是希望越软越好，以期将振动隔离到最小；而从支承和限位角度来讲，考虑到空间结构的紧凑型和有限性，又希望悬置越硬越好，最好将发动机固定不动。此二者是个矛盾体，因此在悬置设计中如何最优化选取悬置刚度是一个极为重要的问题。同时，为了使振动得到有效的衰减，发动机动力总成悬置还应当具有适当的阻尼，这是悬置系统的另一个要求。动力总成悬置系统设计的基本程序：概念方案设计试验（测量和采集动力总成有关参数和数据）设计（系统性能优化及结构设计）虚拟样机（仿真分析和零部件有限元分析）物理样机（应用最佳方案试制装车）试验验证投入生产。在设计和虚拟样机阶段对不同的设计方案进行反复的比较、评估、改进，可以减少道路试验和产品试制的时间和次数，避免重复设计，降低开发成本。3.2 悬置系统设计的主要内容悬置系统的设计主要是对发动机悬置支架的结构进行设计，悬置软垫是仿照奔驰车设计，其他悬置支架结构的设计满足力学分析，并且进行优化设计，尽可能减轻重量，使零件看起来不是很笨重，以减轻整车质量。3.3 悬置系统的隔振机理如果把发动机悬置系统简化为最基本的模型，动力总成就相当于重块，悬置软垫相当于弹簧的一个自由振动系统。这就可以计算出悬置系统的自振频率。 (Hz) (2.1)式中： K弹簧刚度 M重块质量 如果在有阻尼的自由振动中，同时向重块施加一个周期性的外力，即存在强制的外激振动，此时重块将既有自由振动又有外激强制振动，两个振动叠加。这种振动称为受迫振动。显然，发动机悬置系统的振动属于这种受迫振动。有两类强制外激振动源作用于发动机悬置系统：一类是内振源，即发动机本身引起的振动。另一类是外振源，由道路不平引起，并通过车轮悬挂系统及车架传递给发动机+变速箱总成的振动，这种由道路不平引起的振动频率很低，大约在13Hz。这两种强制振动均要求进行隔离。频率比：强制振动的频率与自振频率之比。如果将强制振动的振幅称为输入振幅，将受迫振动的振幅称为输出振幅，则输出振幅与输入振幅之比可称为“振动传递率”。频率比与振动传递率之间的关系如下： 振动传递率= （2.2） 式中：频率比 = ） 阻尼比对于采用普通橡胶悬置软垫的悬置系统而言，阻尼通常很小、可忽略不计，即认为阻尼比c=0。此时，可将振动传递率表达式简化为：（2.3） 振动传递率= 在这种情况下：频率比小于1时，振动被放大。频率比等于1时，振动传递最大、出现共振；频率比继续增大、振动传递率就逐渐下降，当频率比达到时，振动传递率等于1，表示振动的输出振幅回复到原始的强制振动的水平，随着频率比进一步加大，振动传递率将小于1，因而产生隔振效果。频率不越大、隔振效果越好；但频率比大于5以后，隔振效果的提高就不明显了。频率比与隔振效果的关系表：表3.1 频率比与隔振效果及人体感觉频率比隔振效果%人体感觉频率比隔振效果%人体感觉1098.9特好266.7可以493.3特好1.520明显387.5很好1.41没有效果2.581.1好1共振极坏3.4 悬置系统设计参数的确定根据发动机布置情况，L41AB发动机悬置系统相关参数如下：3.4.1发动机+变速箱总成的湿重发动机的湿重：1230kg变速箱的湿重：450kg发动机变速箱：1680kg3.4.2坐标系表3.2 发动机变速箱重心坐标发动机坐标系XYZ发动机重心435.6-5.6233变速箱重心-633.400表3.3 转换为整车坐标整车坐标系XYZ发动机重心-68.15.650.5变速箱重心1014.60-249.23.4.3其它有关的发动机参数发动机额定转速：1900转/分钟发动机低怠速转速：625转/分钟发动机全负荷额定功率：338KW发动机最大扭矩：2200 Nm /1000-1500 rpm发动机气缸数：6，气缸排列方式：直列发动机工作冲程数：四冲程3.4.4发动机变速箱总成的前后左右悬置支承点的位置L41AB发动机各悬置支承点的坐标位置如下表：表3.4 各悬置软垫中心点在整车中的坐标整车坐标系发动机左前悬置发动机右前悬置发动机左后悬置发动机右后悬置左辅助悬置右辅助悬置X-548.0-548.0474.2474.21236.41236.4Y-379.0379.0-355.2355.2-351.2351.2Z-185.0-185.0-168.6-168.6-153.9-153.93.5 发动机悬置支承点的布置L41AB布置形式：悬置系统预采用六点悬置，发动机上四点主悬置，为了防止发动机缸体后端面承受过大的弯矩，在