可变排量发动机的主动液压悬置的解耦器的安装设计与应用

可变排量的液压发动机主动解耦器的安装设计与应用作者HMANSOUR，SARZANPOUR和MFGOLNARAGHI译者李之行摘要在汽车行业，发动机的振动隔离是一项具有挑战性的任务，并且新的车辆更严格的要求其性能特性，这使其成为一个更苛刻的发动机振动隔离问题。大多数发动机悬置是被动的，也就是说它们的参数值和特性是固定的。他们可能没有恰当的减弱从发动机传递的复杂的振动。本文将描述一个新的主动式悬置装置的发展。本文介绍专为满足可变排量发动机（VDE）的隔离问题的主动式发动机悬置的建模，开发和实验分析全过程。介绍了一个机电制动器内的液压发动机悬置惯性通道板的制造和改装。机电致动器从控制器接收到该信号后移动柱塞。这些移动改变了基于相应的激活信号的频率，振幅和相位的悬置动态性能。实验的结果是通过不同的控制信号研究得到的。仿真和实验结果进行比较进而验证了数学模型。实验结果表明，所设计的主动式发动机悬置的性能在处理复杂的振动时表现良好，特别是专为VDE所设计的。关键词主动发动机悬置，振动主动控制，液压发动机悬置，可变排量发动机，隔离震动收稿日期2009年4月13日；确认日期2010年1月18日一、介绍发动机是车辆噪声和震动的主要来源之一。发动机室的主要激励源是基础激励。它是由道路模式，和一个由发动机引起的激振力激发（MAKHULT，1977）。激励是由往复运动和旋转部件等除了触发脉冲外的惯性产生（OUEINI等人，1999）并且在1200赫兹频率的范围内。发动机的振动的振幅的通常是低频率（150赫兹）时大于03MM，高频率（50200赫兹）时小于03MM（NAKHAIEJAZAR和GOLNARAGHI，2001）。发动机悬置装置是用来隔离在发动机和底盘的。一个恰当的发动机悬置装置是能减少发动机和底盘之间的绝对加速度而不是他们之间相对位移的装置（YU等人，2001）。它通常应该是较软的从而可以隔离来自发动机对主体的干扰。这种装置应具有足够的刚度来承受发动机的动静载荷并且还能限制它相对框架的位移。这使得发动机悬置设计成为这两个相互矛盾的标准之间的妥协。此外，发动机架一般在低频率高振幅激励应该具有较高的阻尼和刚度，在高频率低振幅激励中具有较低的阻尼和刚度。结果表明，发动机悬置的特性是由频率和振幅两者共同确定的（BRACH和HADDOW，1993）。液压发动机悬置是被动隔离器它可以处理由刚度和阻尼影响的频率和振幅（MARJORAM，1985）。它们作为一种有效且低成本的解决方案被广泛应用于汽车行业（FLOWER，1985）。它们的性能提高了，可以降低5DB的噪音（BEMUCHON，1984；CORCORAN和TICKS，1984），降低1/3的冲击水平，而怠速震动保持不变（KADOMATSU，1989）。如图1所示，液压悬置装置由两个腔室组成。上部或压油腔以顶端的橡胶为界，这可以承受发动机的静态负载。下部腔室是一个位于悬置装置底部的可以很容易地响应腔室流体压力扩张/收缩变化的橡胶隔膜。这个腔室就是通常所说的低压腔或合规腔。液压悬置里面用防冻液填充，填充液通常是水和乙二醇的混合物。这两个腔室通过惯性通道（较长）和解耦器（较短）连通。解耦合器可以被认为是一个限幅的浮动活塞。在低频率高振幅的作用下，退耦板达到它的阀点并且关闭流体通路。其结果是，大多数的液体从惯性通道流过。然而，在高频率低振幅作用下由于解耦器处于低位而开放，液体没有足够的动力有效地通过惯性通道。在这种情况下，解耦合器被认为是两个腔室之间的唯一通道。图1，液压发动机悬置周昂只的液体流通通道液压发动机悬置的缺点之一是被参数的精细调节（FOUMANI等。2003）。事实上，这些隔离器针对力和基础激励等不同工况的处理是不够灵活。在可变排量发动机（VDE）的震动隔离中这个问题将变得更加严重。VDE发动机由于在轻负载时关闭一半气缸并且在需要时再打开它们的特性使得其具有可观的燃油效率。不同的气缸激活模式之间变化的依据是整体产生的扭矩应保持不变（MATSUOKA等，2004）。这将导致在所述停缸模式中，一半的气缸关闭燃烧的压力将上升以维持车辆的速度。这实际增加了发动机所产生的力，但这意味着一个精心设计的VDE悬置在非激活状态下的负载只有普通模式下的一半。当然，悬置装置在正常运行模式时应该能够切换回至其原始状态。当震动超过发动机被动悬置隔震的能力时发动机将在两个性能之间切换。为了解决这个要求，半主动（WILLIAMS等人，1993；HONG等人，2001；MANSOUR等人，2008；ARZANPOUR和GOLNARAGHI，2008A）和主动（LITTLE和KASHANI，1995；NAKAJI等人，1999；ARZANPOUR和GOLNARAGHI,，2008B）发动机的衬套和悬置的研究是下一个前沿。半主动发动机悬置依靠动态地改变隔离器的一个或多个参数实现调整隔离性能，例如阻尼。虽然这种类型的发动机支座具有能耗低可靠性高的优点，但是它不能显着改变负载的动态特性。然而主动式悬置可以产生很大的驱动力来抵消的振动干扰。一个典型的主动悬置装置包含执行器，振动传感器和一个控制单元（YU等，2001）。据文献报导主动底座包括电磁（MULLERET等人，1994），液压/气动（HODGSON，1991）和压电（USHIJIMA和KUMAKAWA，1993；SHIBAYAMA等人，1995）等不同种类。所有这些系统已证明在解决复杂的发动机的振动特性中有令人满意的结果。但是它们在实际应用中一般很难实现，并且在某些情况下执行器的可靠性仍然是一个问题。执行器是具有可轻易拆装，有最少数量的元件，性能不会随着时间的推移而降低，很容易安装/更换和故障安全等特点。所以在一般情况下，它能更好的适用于汽车行业。本文将详细描述一种新型主动式发动机悬置的开发。这种悬置装置是在被动式发动机悬置中加装一个机电致动器组成。液压被动悬置是作为我们的最初设计平台。它表明压油腔的压力参数对整体动态刚度响应影响最大。其结果是，致动器的位置被设置的更有利于调整悬置装置的动态特性。专为该应用开发的机电致动器的工作方式类似于往复泵并且能有效地控制压油腔内液体流速和压力。主动式发动机悬置的数学模型也已推导出。最后，一个控制系统在研发的为满足VDE根本性的震动隔离的主动式悬置装置上已显示出独特的能力。这个在主动式悬置中有前途的结果使得它成为发动机震动隔离中一个有吸引力的解决方案。这种悬置装置安装方式在未来发动机隔离系统中尤其是在VDE的悬置设计应用中具有很大潜力。二、液压发动机悬置一个被动式液压发动机的隔离器是由两部分组成1）橡胶，2）液压元件。由于这两个元件是并联的，它们所产生的反作用力可以相叠加。图2表示的是被动液压发动机悬置装置的集总模型。几个基本相似的集总模型被引入被动液压悬置中（COLGATE等人，1995；GEISBERGER等人，2002）。它们在除了如动量和连续性等流体力学关系中的力的平衡建模中使用。液压悬置装置的动量和连续性方程如下所示121XAPC22DIQ31IRII42DDP其中，C1和C2是压油腔和回油腔的柔度，KR和BR是橡胶的刚度和阻尼，Q是流速，I和R是的惯性阻力和流通阻力，P1和P2的是压油腔和回油腔中的压力，下标“I”和“D”表示惯性通道和解耦器的编号。图2，发动机液压悬置总模型这些方程式表示的是液压发动机悬置的数学模型。这些方程式涉及到很多参数，但深入考察不同方程参数的波动范围可以使结论很简单。事实上，解耦合器是一个可以在有限距离中移动的板子。因此，在低频时液体流动的振幅很高，解耦器可以被假设为无效的。而高频率时，由于液体基本上没有足够的时间加速并且通过惯性通道，将惯性通道假设成无效的更现实。这样就可以认为是在每个频率段中只有一个通道是活动的。结果，由于频率的决定性作用下，无论是等式（3）还是等式（4）都可以忽略。在这项研究中，相关的VDE频率范围在560赫兹，只研究了低频率高振幅的情况。为了支持这一假设，我们用经过相应设计的机电执行器取代解耦器所以主动式悬置装置没有这一流通通路。这表明解耦器是没有激活的，发动机向底架传递的震动力如下所示，5F1TPAXBKPRR压油腔的内部压力可以从方程（1）（3）中得到并且以发动机排量X为未知量，然后再带入方程（5）中可得，）（6122212SXCSRCIASBKFIIIPRT最后，所传递的力和发动机排量的关系可以用等式（6）表示，然后可以得到动态刚度的方程，如下所示，7/1221CSRICSBKSXFIIPRTDVN动态刚度是一个众所周知的衡量隔离器在频率方面性能的指标。它给出了一个衡量隔离器在不同频率下的表现的尺度。通过等式（7）和考虑到C2比C1大几个数量级，动态刚度的整体形状可以计算出。这意味着第二个多项式的分子和分母相比，其有着较小的固有频率。实际上，动态刚度的振幅在低频率时预期会增长并且接近分母的频率，最终变成一个扁平线。如图3所示，COOPERSTANDARD对被动液压悬置的实验结果证明了这种典型行为。三、主动式发动机悬置为了解决VDE系统对复杂振动的要求，隔离器的动态刚度需要在很宽的频率范围内是可控的。由于频率的产生依赖于驱动力，主动式发动机悬置是有吸引力的解决方案。根据图3，液压悬置装置在低频率时是柔性的，在频率高于发动机的第二陷波频率之后是刚性的。基于方程（7）中的动态刚度等式，动态刚度的柔性和刚性变化发生在和之间。由于下部腔室的柔度（即C2）大2I1CI21II约比压油腔的（即C1）大两个数量级，所述第二陷波频率可以由估算。2I1CI液压管道的刚度在柔性情况下的大致水平可以表示为，8AK21CSPRDYN在刚性情况下，它是912SPRDYN液压发动机悬置在低频率（8）是柔性的。如果有必要，对回油腔里的部分材料改性可以变得更加柔性化。然而，在高频时根据方程（9）悬置装置是刚性的。因此，压油腔的柔度C1必须被调整到理想状态下以控制悬置装置的整体刚度。柔度是一个材料内在的属性，它主要由材料的形状和橡胶材料本身所图3，液压发动机悬置装置的动态刚度实验结果决定。由于橡胶本体也承受发动机的静载荷，这个属性不容易改变。这表明，致动力需要在压油腔添加对柔度的可控性。重要的是，致动器不是物理性的改变压油腔的柔度。它通过改变压油腔内部的压力来改变其柔度。在被动式液压悬置的安装术语中是用柔度改性来描述的。要改变泵送室的内部的压力，机电致动器被设计并且加装在惯性通道板内（即代替解耦器）。该致动器同样地采用类似往复泵的方式工作。致动器的柱塞承受着来自其顶部的压油腔的压力和来自底部的大气压力。一个薄的橡胶膜片从压油腔封住了柱塞。一个压缩弹簧也被用来保持柱塞在适当的位置上。基于液压悬置的特征方程，致动器将控制压油腔内的压力并且对回油腔柔度性能的影响不大。图4表示出了专为主动式悬置而设计的机电致动器的不同部分。压力改性的过程从激活机电致动器的线圈开始。然后，柱塞在磁场不同磁极的作用下开始移动。柱塞的移动改变了压油腔的有效容积。因此，压油腔的压力将受到影响，动态刚度将随着压油腔体积的变化而变化。柱塞的另一侧是连通大气的，因此C2没有真正的被影响到。由于大部分的液压悬置装置的组件保持不变，主动式悬置控制方程是和被动式相似的，除了连续性方程（即方程（1）。方程（1）应该改为如下方程，10C2YAXPAP图4，主动式悬置的机电致动器其中AA和Y（S）是压油区的有效区域和柱塞的位移。将方程（10）与方程（2）至（4）联立，可以得到回油腔的动态压力，1/1P2211CSRICXSIIAP最后，主动式系统的动态刚度方程可以写为，12/12212CSRISZASBKSXFKIIPARTDYNI其中，是悬置装置位移和致动器位移之间的传递函数。ZY虽然上面的等式包含一些液压悬置的特性，柱塞位移Y（S）可以用来改进隔离器的动态特性。这可以通过开发一个控制器来有效地发送指令信号到执行机构来实现。柱塞的位移是执行机构所施加电流的函数。为了使控制器产生适当电流，应该知道励磁的频率。这里，由于标准动态刚度响应实验在固定的位移幅值上进行，位移传感器的输出可以作为频率的参考。基于激励频率，控制器产生正确的指令信号，然后放大并提供给执行机构。图5，主动式悬置的控制方案图6，上为主动式发动机悬置的实验测试床；下为其示意图所需的电流信号具有适当的相位和振幅，因此柱塞的运动可以产生主动式液压悬置所需要的动态刚度属性。图5是该控制方案验证的示意图。可以看到，悬置装置承受的和力（FT）是由静态力（FP）和动态力（FA）组成。图6展示了为评估主动式液压悬置的性能而开发的实验装置。发动机悬置在其顶部被刚性框架固定，从底部的电磁振动器获得激励源（LDSV722）。在这个实验中，振动器和框架分别代表发动机和底座。位移X（S）是由LVDT传感器测量。通过悬置装置传递的力也由41型压力传感器测量，它是1000磅精度的超薄压力传感器。扫频正弦输入悬置装置中以获得动态刚度曲线。四、数值模拟与实验验证我们将进行一组实验以验证主动液压悬置的数学模型。此外，这些初步的实验可以用于评估的隔离器的参数。有三种特殊的柱塞运动方式包括固定的，游离的和成比例的运动。这三种情况下的幅值和相位结果如图7所示。固定柱塞的力图7，主动悬置的动态刚度响应驱动器被固定时（虚线），无约束（实线）和Z（S）1时（点划线）。是通过给予执行机构恒定电流实现的，使其可以在悬置装置内部压力变化时依然保持静止。目前所采用的固定位置是柱塞将弹簧压到最低点时的位置。其结果是，主动式悬置的动态刚度响应类似于液压悬置的动态刚度响应。第二种情况是将致动器的电流设置为零，所以柱塞是可以随着悬置装置内部的压力不同而自由移动的。所得的动态刚度相较于被动悬置是柔性的。最后一种情况是将提供给振动器的电流成比例的用于激励悬置装置的位移。其动态刚度曲线与液压悬置的形状相同，但它在低频率时稍柔，在高频率时稍强。从理论上来讲，因为这里的压力和压油腔的压力的相位不同。方程（12）表明，为了描述主动悬置系统，有八个系数需要确定。这些系数可以从上述三个频率响应曲线拟合中发现。其结果如表1所示。图8表明了实验和数值模拟中幅值和相位很好的一致性。数值模拟和实验中被控制的执行机构的微小的差别可能是由于执行机构的延时造成的。五、主动式悬置的功能在控制器中更复杂的控制功能的实现可以展现主动式悬置在不同动态特性中的独特能力。这些特性依据实际发动机和支架的隔离标准而选择的，这将对VDE的应用有着更好的适用性。这包括陷波频率的位置，振幅的动态刚度，柔性和刚性间转换的频率。（一）陷波频率的位置陷波频率的位置是动力系统的表现形式。改变此位置可以显示其改变参数的灵活性，并且展示了在各种震动隔离情况下的适应性。对于这种主动式悬置，陷波频率位置可以通过调整动态刚度方程中的Z（S）来改变。图9展示了实验结果。在这些结果中，我们将常规液压悬置的动态刚度（图示虚线）与主动式悬置得到的相比较。它证明主动式悬置能够将其从原始值的12HZ和16HZ改变成在5HZ到20HZ之间的任何期望的值。此范围甚至可以通过调整控制器中所施加的电流的相位和幅度来扩展。（二）动态刚度幅度一个理想的悬置装置还需要能灵活的调整刚度等级这一重要功能。类似于陷波频率的重定位，Z（S）可以用于调整刚度等级。实验将频率设置在1020HZ的范围内。如图10中示，实验结果表明该动态刚度最大值可以设置为400N/MM，相对于250N/MM液压悬置此时刚性更高。此外，主动式悬置的刚度在柔性区域可以减少到2N/MM。这些数字显示了动态刚度响应巨大的可控性。（三）切换频率的设置图9，被动式悬置（虚线）和主动式悬置（长虚线和实线）的为设定陷波频率的动态刚度响应。图10，被动悬置（虚线），刚性主动悬置（实线）和柔性主动悬置（长虚线）为设定刚度水平的动态刚度响应。另一个实验是为了验证主动式悬置在较宽的频率范围内保持其动态特性的能力。实验的频率限定在2040HZ之间。这个结果是将在不同的控制策略下主动式液压悬置的表现与传统液压悬置（虚线）相比较。结果表明，在适当的控制下悬置装置的刚度等级可以维持在一定的水平，然后重新设置为在正常的很宽的频率范围内（图11中从27HZ到36HZ）。六、总结本文介绍了用于可变排量