（光学工程专业论文）汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究.pdf

s 忑i ? 。 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明i 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 日期 西华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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 、华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 西华大学硕士学位论文 摘要 发动机动力总成是汽车主要的振动源和噪声源之一，合理设计发动机动力总成悬置 系统，不但可以改善汽车的乘坐舒适性，还可以延长发动机和其它部件的使用寿命。 本文以力帆某柴油轿车动力总成悬置系统为研究对象，对动力总成悬置系统的优化 和液压悬置设计技术进行比较全面的研究。在熟悉实际悬置安装的基础上，建立了动力 总成悬置系统的六自由度振动模型，并在a d a m s 软件中建立了其动力学仿真模型。根据 三线摆理论，以实验测定了发动机动力总成的质量、质心和转动惯量等性能参数，作为 a d a m s 模型的参数输入进行仿真，求解出系统的振型和固有特性，并以能量解耦为依据， 对动力总成悬置系统进行了可视化的优化设计，同时对优化后悬置系统的支反力进行了 振动特性仿真模拟和分析，得出了该悬置系统较优的匹配方案。 针对悬置系统中的单个液压悬置，根据典型液压悬置机构，建立了液压悬置的模型， 通过对液压悬置物理模型的分析，推导出液压悬置的数学模型，借助m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具建立了液压悬置动特性的仿真计算模型，并对液压悬置在0 - 3 0 h z 低频范围内 进行了仿真计算研究。为验证建立的数学模型及仿真结果的准确性，设计并制作了五组 液压悬置，对这些样件的动刚度和滞后角进行了试验研究。通过对试验数据的处理分析， 找出了影响动刚度值的因数，并修正了仿真模型。动特性试验结果与理论仿真分析结果 高度吻合，验证了数学模型及仿真模型的正确性。同时还对液压悬置元件的传递特性进 行了试验研究，试验结果表明该液压悬置在低频段具有较好的隔振性能。 整个悬置系统的研究工作在系统优化、产品开发和隔振研究方面，不论是在理论还 是实际应用上都具有一定的价值。 关键词：动力总成；悬置系统；液压悬置；优化设计；试验研究 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 a b s t r a c t p o w e r t r i a ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t m b r a t i o na n dn o i s es o u r c eo f a u t o m o b i l e p r o p e rd e s i g no ft h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e l n c a l li m p r o v et h er i d i n gc o m f o r ta sw e l l a st h es e r v i c el i f eo fe n g i n ea n do t h e rc o m p o n e n t s i nt h i s p a p e r , t h em o u n t i n gs y s t e m o fl i f a nd i e s e lc a rh a sb e e nm o r e c o m p r e h e n s i v et e c h n i c a ls t u d i e d ad y n a m i c sm o d ew i t h6d o f so ft h em o u n t i n g s y s t e mi se s t a b l i s h e da n di t ss i m u l a t i o nm o d ei sa l s oe s t a b l i s h e db ym s c a d a m s t h em a i nd e s i g np a r a m e t e r sf o rt h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e ms u c ha st h em a s s ，t h e l o c a t i o no fm a s sc e n t e ra n dt h em o m e n to fi n e r t i ao ft h ep o w e r t r i a nw e r eg o ta si n p u t p a r a m e t e r s o fa d a m sm o d e lb ye x p e r i m e n t s ，e n e r g yt h e o r ya r eu s e df o r t h e s t i f f n e s sv i s u a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h em o u n t i n gs y s t e m ，a n dt h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i m i z e dm o u n t i n gs y s t e mw a ss i m u l a t e da n dt h eb e s tm o u n t m a t c h i n gp r o g r a mw a sr e c e i v e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h et y p i c a lh y d r a u l i cm o u n t i n ge n g i n e ( h e m ) ，t h e p h y s i c a lm o d e lo f i th a sb e e ne s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fp h y s i c a lm o d e lo f h y d r a u l i cm o u n t i n ge n g i n e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e m h a sb e e no b t a i n e d ，a n d t h es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e db yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nt o o l b o x a n dt h e n ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh e mg o ts i m u l a t e d w i t h i n0 - 3 0 h zl o w f r e q u e n c yr a n g e t ov 甜毋t h em a t h e m a t i c a lm o d e l a n d s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ed y n a m i cs t i f f n e s sa n dt h ep h a s ea n g l eo fh e mw e r es t u d i e d o nf i v es e t so fh e md e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e db yt h er e s e a r c h e r t h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h ev a l u eo fd y n a m i cs t i f f n e s sh a sb e e nf o u n do u tt h r o u g hd a t ap r o c e s s i n g a n a l y s i s ，t h e nt h es i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e na m e n d e d t h ee x p e r i m e n t a l c u r v e b a s i c a l l yf i t st h e s i m u l a t i o nc u r v ei m p r o v e dt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n d s i m u l a t i o nm o d e la r cc o r r e c t t h ew o r ki ns y s t e mo p t i m i z a t i o n ，p r o d u c td e v e l o p m e n ta n di s o l a t i o nr e s e a r c ho f m o u n t i n gs y s t e mh a sac e r t a i nv a l u eb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d ：p o w e r t r i a n ；m o u n t i n gs y s t e m ；h y d r a u l i cm o u n t i n ge n g i n e ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n ；e x p e r i m e n ts t u d y n 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题研究的背景及其意义1 1 2 国内外的研究状况1 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2国内研究现状2 1 3 动力总成悬置元件的发展3 1 4 课题来源及主要研究内容4 1 5 本章小结5 2 动力总成悬置系统振动模型的建立6 2 1 动力总成悬置系统概述6 2 1 1动力总成悬置系统的功能6 2 1 2 动力总成悬置系统布置形式6 2 1 3 支撑点数目及位置7 2 2 动力总成悬置元件的建模9 2 2 1 橡胶悬置模型的建立9 2 2 2 液压悬置元件的建模1o 2 3 动力总成自由振动的一般力学模型一1 4 2 4 动力总成悬置系统固有频率的计算1 7 2 5 动力总成悬置系统主惯性轴的确定1 8 2 6 本章小结1 9 3 动力总成悬置系统参数的试验获取2 1 3 1 发动机动力总成悬置参数测取的试验方案2 l 3 2 动力总成参数的测量原理2 2 3 2 1动力总成质心测量原理2 3 3 2 2 动力总成转动惯量测量原理2 4 3 3 试验获取的动力总成参数2 7 3 4 本章小结2 9 4 动力总成悬置优化3 0 i i i 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 4 1 动力总成系统的振源3 0 4 1 1点火激扰3 0 4 1 2 不平衡惯性力激扰3 0 4 2 动力总成系统隔振原理j j j 3 1 4 3 动力总成悬置的优化设计方法3 2 4 3 1 动力总成悬置系统解耦3 2 4 3 2 打击中心理论3 3 4 3 3 系统固有振动频率的合理配置3 3 4 3 4 系统的振动传递率或支承处动反力最小3 4 4 4 动力总成悬置优化方案3 4 4 4 1a d a m s 软件简介3 4 4 4 2 设计变量3 6 4 4 3目标函数3 6 4 4 4 约束条件3 7 4 5 悬置系统优化3 7 4 5 1 动力总成悬置系统动力学模型的建立3 8 4 5 2 悬置系统仿真优化设计4 0 4 5 3 深度优化4 8 4 6 本章小节4 9 5 液压悬置性能研究5 0 5 1s i m u l i n k 简介5 0 5 2 仿真模型的建立5 0 5 3 动特性仿真分析5 2 5 4 动特性试验研究5 5 5 4 1 样件设计加工5 5 5 4 2 液压悬置动特性试验5 7 5 4 3 试验数据处理5 8 5 4 4 试验结果分析：6 2 5 5 传递率试验研究6 5 5 6 本章小结6 6 结论6 7 参考文献。6 9 攻读学位期间发表的论文7 2 i v 西华大学硕士学位论文 致 射7 3 v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及其意义 汽车是由多个具有质量、弹性和阻尼系统组成的复杂结构。由于其各个组成部分的 固有频率不同，汽车在行驶中常因路面不平，车速和行驶方向的变化，车轮、发动机动 力总成、传动系统的不平衡等外部和内部的激励作用而产生整车和局部的强烈振动，在 这些振动中，发动机动力总成对汽车的振动影响尤为突出。发动机动力总成在车架上的 整机振动，不仅会引起车身饭金件与车架相连的其它零件等产生振动和噪声，影响汽车 的操纵稳定性和平顺性，还会影响其自身的工作质量和寿命，造成严重的破坏n 1 。 近年来，随着汽车技术的日新月异，现代汽车设计向着小型化、经济化、轻量化方 向发展，中高级以下轿车普遍采用发动机前置前轮驱动型式，发动机多使用铝制平衡性 较差的四缸四行程发动机。而少缸、大功率发动机的应用，导致发动机振动激励增大； 车身质量的减小，车体刚度的降低，导致由发动机传递至车身的振动加剧，车内的振动 和噪声特性恶化。 与此同时，随着整个社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对汽车的动态性 能提出了越来越高的要求。为了很好地解决这些矛盾，发动机动力总成悬置系统的技术 研究也就越来越受到重视。 动力总成是通过悬置元件与车架连接起来的，悬置系统是连接动力总成和车体的桥 梁，是动力总成和车体之间振动传递的路径，其性能的好坏直接影响动力总成振动向车 体的传递，并影响着整车的振动和噪声n 别。悬置元件既是弹性元件又是减振装置，根 据发动机动力总成的质量和转动惯量参数，合理设计匹配发动机动力总成悬置系统的参 数，可降低汽车整车的振动和噪声水平，改善汽车的舒适性。同时，还可以保证动力总 成工作安全可靠，避免动力总成零部件及其附件的过早损坏臼1 。 设计性能良好的动力总成悬置系统并非易事，从三十年代至今，国内外不断就动力 总成悬置系统的技术研究进行了多方面的研讨，并取得了较大进展。 1 2 国内外的研究状况 发动机悬置因其体积较小，起初并没有引起汽车设计者的重视，车速的提高和汽车 重量的逐步减轻，使得发动机振动引起的各种问题日益突出，悬置起到的作用逐渐被认 识。在解决这一问题的过程中，国内外学者有效地利用力学知识建立了各种模型，逐步 形成了一套较为完善的评价方法，主要考虑发动机悬置系统的隔振性能，以刚体模态、 扭矩轴线、一阶弯曲振型、悬置系统的弹性中心与解耦设计的关系为评价指标体系，并 适当考虑人体对振动反应的敏感程度，来考虑发动机悬置系统的综合性能雎钔。 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 人们对发动机悬置系统的研究逐渐由被动隔振研究转向主动隔振设计，由最初的不 成熟阶段朝着形成理论体系、不断研究开发新型悬置元件的方向发展。 1 2 1国外研究现状 动力总成悬置系统隔振研究在国外发展得比较早，许多专家对发动机悬置系统的 隔振作用做出了许多有益的研究和探讨。 上世纪五十年代，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1 劓，他们的理论比较成熟，而且推动了今后的研究。七十年代，t o s h i o ，s a k a t a 用 机械阻抗法研究悬置刚度与车内噪声的关系n 3 ；同时，b l b e l t e r k n i g h t 利用打击中 心的理论，考虑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 置系统的方法随 3 。1 9 7 6 年，s c h m i t 和c h a r l e s 通过研究表明，悬置系统的振动特性主要 取决于悬置刚度，而振动幅度则与悬置阻尼大小有关归m 3 。1 9 7 9 年，j o h s o n 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，以悬置刚度和悬置点坐标为设计变量进行优化计算，结果使系 统各平动自由度之间的振动耦合大为减少，同时保证了系统的固有频率n 们n 引，取得了令 人满意的优化成果。1 9 8 4 年，g e c kp e 等人认为发动机悬置系统的最主要作用是隔离 低频振动，这就要求系统的侧倾固有频率要低，以减小发动机不平衡扭矩引起的振动。 因此，他们以侧倾运动解耦、降低侧倾模态的固有频率为目标对悬置系统进行了优化 n n 引，并提出了较合理的悬置设计原则。1 9 8 7 年，h h a t a 和h t a n a k a 又用优化悬置位置 的方法，对怠速工况下发动机悬置系统的振动进行了研究，指出车身弯曲共振频率应高 于怠速转频( 发动机怠速时对应的频率) ，且越大越好，动力总成的共振频率应小于2 倍的怠速转频n 5 m 1 。1 9 9 0 年，m d e m i c 以悬置点响应力和响应力矩为目标函数，对悬置 系统位置与特性进行了优化n 9 1 ，该方法具有适合橡胶悬置和液力悬置的优化设计的特 点。以上几种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一阻尼弹簧模型，可见该力学模 型已有比较广泛的应有范围。 1 2 2 国内研究现状 我国汽车工业的迅速发展和人们对汽车乘坐舒适性要求的提高促使了我国汽车科 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然起步较晚，但已 取得了大量的成果。八十年代，清华大学的徐石安等人开始发动机悬置系统的优化计算， 他们经过研究认为，相比振动解耦和合理分配固有频率而言，降低振动传递率是最重要 的，提出了以悬置点处反作用力幅值最小为目标函数，适当控制系统固有频率的方法进 行优化设计啪1 ，取得较好的结果。 九十年代以后，汽车振动学得到了迅速发展，国内对动力总成悬置系统的研究工作 2 西华大学硕士学位论文 更加深入，取得可喜的成绩。1 9 9 2 年，长春汽车研究所的喻惠然等给出了发动机悬置系 统设计的一般要求和原则，并对c a 6 1 0 2 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1 ，提出了改进方案。同年，第二汽车制造厂的上官文斌等人在扭矩轴坐标系 中建立了优化模型，以系统固有频率为目标函数，以系统解耦、打击中心原理、一阶弯 曲模态节点为约束进行了优化计算位2 1 ，此方法在工程上很具有实用价值。 1 9 9 3 年至1 9 9 8 年，清华大学的徐石安与阎红玉对悬置系统提出了新的研究方法，把 汽车看成由发动机、车架、驾驶室和车桥等子系统构成的组合系统，通过理论计算或测 试识别的方法求出各子系统的动态特性，然后按照一定边界条件进行组合，获得整个组 合系统的动力学方程，求解这个方程即可得到此组合系统的动态特性射。若只修改其中 某一子系统，原有其它子系统的特性仍保存，把发动机动力总成悬置系统看作要修改的 子系统，事先根据各类汽车共有的特点，找出发动机和其它子系统在整车中的一般匹配 关系。这样，无需建立整车振动模型和方程，直接根据发动机子系统所确定的动态特性， 就能比较准确的预估出整车的振动状况，在理论上为六自由度振动模型的建立，做出了。 令人较为信服满意的解释。同时，在发动机解耦优化过程中，对结构上缺少明确的对称 面的发动机，提出了任意一个自由度都能方便解耦的新方法能量解耦法。吉林大学的 研究者也对发动机隔振进行了深入的研究，他们提出了以整车系统为研究对象，包括发 动机悬置系统在内的十三自由度整车振动模型，通过计算机模拟进行响应分析，并以人 体舒适性的评价标准为基础，来评价悬置元件的隔振性能】。 近年来，对悬置系统刚度的研究，已由线性化处理向非线性化方向发展；同时对与。 悬置连接的基础元件( 车身) 的研究，也已由传统的视为刚性且质量无限大的基础元件迸 一步深入到视为具有一定弹性的基础元件：在建模计算分析时，考虑了弹性基础对振动 传递率曲线的作用口钉。 1 3 动力总成悬置元件的发展 一个多世纪以来，发动机动力总成悬置经历了从无到有的逐步发展过程。在早期的 汽车设计中，动力总成直接用螺栓刚性地连接到车架上，动力总成的振动直接传递到车 架上，严重影响了汽车的乘坐舒适性；同时由于路面的不平度和不均匀性产生的振动也 通过车架直接传递给动力总成，进一步加剧了发动机的振动，极易引起动力总成失效。 随着汽车技术的发展及人们要求的提高，上个世纪二十年代初，人们开始使用橡胶 垫块作为悬置元件来降低和吸收动力总成的振动。橡胶是一种粘弹性材料，它具有很多 优点：橡胶件的形状不受限制，各方向的刚度可以在一定范围内自由选择，具有空间弹 簧特性，能承受多个方向的载荷；利用内摩擦产生的阻尼，能较好的吸收振动和冲击能 量，兼有弹簧和阻尼两种作用；容易与金属牢固的粘结在一起，大大简化了固定和支承 结构，使悬置的整体质量降低；结构工艺简单，价格低廉，适合批量生产；使用维修方 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 便。由于以上种种优点，橡胶悬置至今仍然在大部分汽车上广泛使用。 随着人们对汽车的舒适性和平顺性的要求越来越高，纯橡胶块的结构己经不能满足 要求，因此一种新型的悬置元件一液力悬置应运而生。1 9 6 2 年美国通用公司申请了第一 个液力悬置专利。1 9 7 9 年，德国大众公司率先将液力悬置用于a u d i 五缸发动机隔振。随 后的二十年里，世界上各大汽车公司都相应地研究和开发了适用于不同汽车的液力悬置 系统，其结构越来越复杂，技术越来越成熟，在控制方式也从被动式发展到半主动控制、 主动控制。1 9 8 8 年，德国的m e t z e l e r 公司在世界上首次成功开发出电流变液力的液力悬 置；同年，f r e u d e n b e r g 公司在f w d 式四缸发动机上应用了主动控制式液力悬置，取得了 满意的效果。在隔振性能上，液力悬置克服了传统橡胶悬置动特性上的弱点，可明显减 小汽车振动，降低车内噪声，提高乘坐舒适性。 由于其优良的隔振减振性能，自从问世以来，液力悬置就受到了世界各大汽车公司 的重视，并得到了迅速的发展。在国外，液力悬置技术不仅在轿车上逐步普及，并开始 应用在客车、货车及其它车型。在国内，中、高档轿车上已基本上采用了液力悬置，在 低档轿车上也有部分地使用心2 扪。虽然目前在国内的应用不如国外普及，但可以预计， 随着生产成本的降低，液力悬置作为橡胶悬置的换代产品，是汽车技术发展的必然趋势。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题的研究工作来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“轿车柴油机开 发技术( 编号2 0 0 8 a a l l 0 1 0 1 ) ”和四川省教育厅重点科研项目“汽车发动机液压悬置装 置的研究与开发( 编号0 7 3 a 1 1 3 ) ”。 本文主要是对力帆某一柴油轿车发动机动力总成悬置系统进行比较全面的设计研 究工作。该款轿车在改型过程出现了一些问题，如在汽车处于起步或怠速工况下，动力 总成振动剧烈，传递到车身的振动也非常大，严重影响了汽车的乘坐舒适性。经研究分 析后得出结论：由于该车由汽油发动机改装成柴油机后，动力总成的质量参数( 质量、质 心位置、转动惯量) 发生了变化，而悬置还是原来改装前的，这就导致了悬置系统与动 力总成之间的不匹配，需对悬置进行新的匹配设计。 根据三线摆理论，在试验获取动力总成参数的基础上，结合计算机仿真技术，应用 能量解耦法对发动机悬置系统主要振动方向上的悬置刚度进行可视化的优化设计，并合 理配置发动机各个振动方向的振动固有频率，同时对优化后悬置系统的振动特性进行仿 真计算验证。 针对该系统中单个液压悬置，建立其模型，并借助m a t l a b s i m u li n k 仿真工具建立液 压悬置动特性的仿真计算模型，在液压悬置o - 3 0 h z 低频范围内进行仿真计算研究。为 验证建立的数学模型及仿真结果，设计并制作五组液压悬置对动刚度和滞后角进行试验 研究。通过对试验数据的处理分析，找出了影响动刚度值的因数，并修正了仿真模型。 4 西华大学硕士学位论文 同时还对其隔振性能进行了试验测试。 1 5 本章小结 本章阐明了本课题研究的背景和意义，对国内外有关悬置系统的研究状况进行了阐 述，并叙述了悬置元件的发展，说明了本课题的来源并指出了研究的主要内容。 5 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 2 动力总成悬置系统振动模型的建立 2 1 动力总成悬置系统概述 2 1 1动力总成悬置系统的功能 现代汽车的动力总成是通过悬置系统安装在汽车底盘或车身上的，动力总成悬置系 统的功能大致可归纳如下噜翻心7 1 ： 1 ) 支承，悬置元件必须能承受动力总成的重量，使其不至于产生过大的静位移而 影响工作； 2 ) 限位，动力总成应具有控制动力总成相对运动过大功能，在各种干扰力( 如制 动、加速、或其它动载荷) 作用下，悬置应能有效的限制其最大位移，防止运动动力总 成上的个别因素受损而影响正常工作； 3 ) 隔离振动，动力总成应能够克服和平衡因最大扭矩输出或紧急制动而产生的反 作用力和惯性力，避免零部件之间相互碰撞，尽可能降低动力总成和汽车车架或车身之 间的双向振动传递，满足汽车平顺性和舒适性要求。 从隔振角度来说，希望悬置是越软越好，以期将振动隔离到最小；而从支承和限位 角度来说，考虑到空间结构的紧凑性和有限性，又希望悬置越硬越好，最好将发动机固 定不动。二者是一个矛盾体，因此在悬置设计中如何优化选取悬置刚度是一个极为重要 的问题。同时，为了使振动迅速衰减，发动机悬置还应具有适当的阻尼，这是发动机悬 置设计的另一个要求唧1 。 2 1 2 动力总成悬置系统布置形式 汽车传动系有多种形式，动力总成又有纵置和横置两种不同的布置方式，不同汽车 的动力总成的性能参数及其布置空间也存在较大差别，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，因此布置方式也多种多样。按悬置的三向刚度轴线和参 考坐标系轴线间的相对位置关系，动力总成悬置系统的布置方式可有以下三种不同的布 置方式嘲。 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，每个弹性支承的两个相互垂直的刚度轴各自对应地平行于所选的参考坐标 轴，如图2 1 ( a ) 。 2 ) 斜置式。这是种目前汽车动力总成中用得最多的布置方式，如图2 1 ( b ) 所示， 在这种布置方式中，每个悬置的三个相互垂直的刚度轴相对于参考坐标轴的布置是：除 一个轴平行于参考坐标外，其他两个轴分别与参考坐标有一个夹角。一般斜置式的悬置 都是对称布置于动力总成垂向纵面的两侧，但每个之间的夹角可以不同，坐标位置也可 以任意。这种布置方式的最大优点是：它既有较强的横向刚度，又有足够的平摇柔度， 6 西华大学硕士学位论文 因此特别适用于像汽车发动机这样既要求有较大的横向稳定性，又要求有较低的平摇固 有频率以隔离由不均匀扭矩引起的平摇振动，此外，还可以通过斜置角度，布置位置以 及悬置两个方向上的刚度比等适当配合来达到横向和平摇相互解耦的目的，这是平置式 较难做到的。 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，如图2 1 ( c ) 。这种布置除了有良好的稳定性外它的最大优点是可以通过调 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。但是这种布置方式由于 受到布置空间的限制实施起来并不容易，且一般汽车发动机并没有纵向激励，斜置式完 全能够满足隔振要求，因此应用不多。 ( a ) 譬盛t戚曩麓 ( b ) 图2 1 悬置布置形式 f i g 2 1t h el a y o u to fm o u n t i n g ( c ) 2 1 3 支撑点数目及位置 悬置点的数目可以有3 、4 、5 及6 点等四种类型。悬置点的数目根据动力总成的尺 寸、重量、用途和安装方式等决定。3 点和4 点悬置在汽车上的应用最为普遍。3 点式 悬置与车架的顺从性最好，而且自振频率低，抗扭转振动的效果好。4 点式悬置的稳定 性好、能克服较大的扭矩发作用力，但扭矩刚度较大、不利于隔离低频振动。但经过合 理设计，认为可满足4 缸机、更能满足6 缸机的要求。5 点式悬置一般用于重型汽车上。 6 点式悬置一般用于重型固定式发动机组上，汽车上少见。悬置点的数目增多，将难以 保证各点的受力均衡，档车架变形时，发动机和车架失去了顺从性，使个别支点因发生 错位而受力过大，反而影响可靠性。 悬置点有前悬置和后悬置之分，3 点式悬置系统有前2 后l 和前1 后2 两种布置方 案，悬置点的位置应视具体结构空间和隔振要求而定。通常，确定悬置点位置时，必须 进行悬置点的载荷计算，然后校核各支点位置是否满足发动机制造厂对支点位置的要求 及对关键部位的载荷的要求。再根据撞击中心理论调整前后悬置相对位置，并适当调整 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 悬置点的横向位置及高度方向位置。 汽车动力总成悬置系统多采用三点或四点支承，如图2 2 所示。发动机风扇端布置 两个，在发动机飞轮端布置一个或两个。这主要是根据发动机的类型，前后悬置的载重 量分配及激振力的情况而定的。 - 十 要一摹，十冀融 、q 辎渊归奠辩龇 雌 盘曩”_ - o _ - 陆乜乳舸k 捌 一 ，幽_ - ，a o t i 十囊蔫 1 一一 图2 2 动力总成悬置系统支撑形式 f i g 2 2 t h es u p p o r t i n gt y p e so f p o w e r s t r a i nm o u n t i n gs y s t e m 本文讨论的力帆某一柴油轿车的动力总成就是采用平置式前2 后1 的悬置布置支撑 形式，如图2 3 所示。相对于汽车的前进方向来说，左侧是橡胶悬置支撑，右侧是液压 悬置吊挂着动力总成，后面也是橡胶悬置支撑着。 图2 3力帆某一轿车悬置布置情况 f i g 2 3 t h em o u n tl a y o u to fl i f a nc a r 西华大学硕士学位论文 2 2 动力总成悬置元件的建模 2 - 2 1 橡胶悬置模型的建立 橡胶悬置在汽车减振降噪方面具有很强的优越功能，现代轿车、客车、货车等车辆 的发动机悬置系统主要采用橡胶减振块，尽管它们的结构形状各异，但功能基本都是一 样的。 橡胶悬置块在工作受力作用时，变形往往滞后一段时间。通常将橡胶悬置的弹性力 和粘性g f t 2 综合到一起，用复刚度表述橡胶块的动态特性心引。设在橡胶悬置块上沿某一 弹性主轴方向作用一简谐力f ( t ) ，幅值为f 。，并产生相应的变形x ( t ) ，幅值为凡，变 形滞后于载荷的相位差为，则 ，( ) = 昂c o s ( 鲥一矽) = 磊( c o s 研c o s 矽一s i n 研s l n 妒( 2 1 ) 【x ( f ) = 4 c o s c o t 以上两式中，前式第一项和变形同相位，表示弹性力分量；第二项和变形相差9 0 0 ， 表示粘性分量。第一项幅值f o c o s 中和变形幅值凡之比定义为动刚度k 。即： 屯= f o c o s 4 ( 2 2 ) 而定义结构阻尼r l 和复刚度系数k 分别为： 刁= 留妒 k = k a ( 1 + j r ) ( 2 3 ) 研究悬置系统动力学特性时，复刚度是一重要参数。当橡胶悬置沿某一弹性主轴方 向有动位移x 时，悬置恢复力为： k * x = k d ( 1 + j r l ) x ( 2 4 ) 由于本项目中的橡胶悬置是压缩型的橡胶悬置，所以本文只研究讨论处于线性工作 范围内的压缩型橡胶悬置块。该橡胶悬置块为一端固定在发动机动力总成上，另一端固 定在车架上，其结构见图2 4 。 汽车动力总成在空间做任意方向的运动时，橡胶悬置都将阻止这种运动。因此，橡 胶悬置在空间三维方向上都有弹性，具有扭簧的作用。但考虑到动力总成各悬置之间的 距离比起悬置本身的尺寸要大的多，它的扭簧作用不很显著，因此可以忽略不计，在此 条件下，可将橡胶悬置等效为固定于动力总成与车架之间的3 个正交粘弹性弹簧。它有 三个正交的弹性主轴u ，v ，w ，弹性主轴线的交点e 为弹性中心。当作用力平行于弹性主 轴并通过弹性中心时，悬置只产生平移而不产生角位移，其动力学模型见下图2 5 。 9 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 垂 ： j ll ： 猃 ： 舔瓣| j v i ：|l ： 图2 4 橡胶悬置结构图 2 5 橡胶悬置动力学模型 f i g 2 4 c h a r to f r u b b e rm o u n t f i g 2 5d y n a m i cm o d e l o f r u b b e rm o u n t 其中，k 。、k ，、k 为3 个弹性主轴方向的刚度，相应的c 。、c ，、c 为3 个弹性主轴方 向的阻尼。三个弹性主轴方向的动刚度可以视为相应方向静刚度的1 2 1 6 倍。 2 2 2 液压悬置元件的建模 液压悬置代表着动力总成悬置系统的发展方向，其中被动式液压悬置减振技术己相 当完善，在分析惯性通道一解耦膜式液压悬置减振原理的基础上，建立相应的机械式力 学模型。 1 ) 液压悬置的设计要求儿趵瑚1 ( 1 ) 阻尼频变特性：低频( 小于3 0 h z ) 要求大阻尼，以衰减发动机或地面激励引起动 力总成发生共振时的振幅；高频( 5 0 - 2 0 0 h z ) 要求小阻尼，以提高悬置系统的隔振效果。 ( 2 ) 阻尼幅变特性：大振幅时要求大阻尼，用于耗散振动能量，减小振幅；小振幅 时要求小阻尼。 ( 3 ) 动刚度频变特性：低频时要求大刚度、大阻尼；高频时要求小刚度、小阻尼。 ( 4 ) 刚度幅变特性( 非线性弹性特性) ：小振幅要求小动刚度；大振幅需要大动刚度； 悬置的静刚度不应有突变。 2 ) 液压悬置的结构及工作原理 目前运用最为广泛的是惯性通道一解耦膜式液压悬置。惯性通道解耦膜式液压悬 置的物理模型见图2 6 。 1 0 西华大学硕士学位论文 图2 6 液压悬置结构示意图 f i g 2 6 t h es t r u c t u r es c h e m eo fh e m 1 联结螺栓2 金属骨架3 橡胶主簧4 限位支撑5 金属外罩6 惯性通道入口7 惯性通道 上半部8 惯性通道9 解耦膜1 0 下腔室底膜1 1 底座1 2 定位销1 3 联结螺栓1 4 气孔1 5 惯性 通道下半部分 惯性通道解耦膜式液压悬置在工作过程中，橡胶主簧承受动态载荷上下运动，类 似于活塞的泵吸。当其受到低频、大振幅激励时，液体将经过惯性通道在上下腔内往复 流动。当液体流经惯性通道时，由于惯性通道内液柱的运动产生较大的沿程能量损失和 惯性通道出、入口处为克服液柱惯性而产生的局部能量损失，液压悬置将产生大阻尼效 应，使振动能量尽快耗散，从而达到衰减振动的目的。它的工作过程按运动状态可以分 为： ( 1 ) 液阻悬置静止时，解耦膜处于平衡位置。由于解耦膜的材料密度接近于液体的 密度，所以它处于上下限位板的中间位置。发动机的静载荷完全由橡胶主簧承担，上下 液室的压强均匀且相等。 ( 2 ) 当悬置承受振动，橡胶主簧向下移动时，上液室的体积变小，压力增加，解耦 膜同时向下运动，由于解耦膜处于自由状态，阻尼较惯性通道小得多，液体大部分流向 解耦膜，上液室的压强略大于下液室的压强。 ( 3 ) 当悬置的振幅足够大时，解耦膜的位移达到下限位位置而不能再移动，也不允 许液体通过。这时，上液室的压强上升而大于下液室的压强，液体开始通过惯性通道流 向下液室。惯性通道内的液柱产生振动。 ( 4 ) 橡胶主簧向上运动，上液室的体积增加，其内的压力下降直至负值，解耦膜离 开下限位位置向上运动。下液室的液体流向解耦膜和惯性通道。此过程与( 2 ) 相似，方 向相反，下液室的压强略大与上液室的压强。 汽车动力总成悬置优化及液压悬置性能研究 ( 5 ) 解耦膜达到上限位位置，不在允许液体流过，惯性通道起主要作用。此过程与 ( 3 ) 相似，方向相反，下液室的压强大与上液室的压强。 液压悬置的工作过程和解耦膜的工作状态在( 2 ) 一( 5 ) 之间循环变化。但并不是所有 4 种状态都会出现，在低频、大振幅时只有( 3 ) 、( 5 ) 两种状态，在高频、小振幅时只有 ( 2 ) 、( 4 ) 两种状态晗7 h 删。 3 ) 液压悬置模型的建立 在建立液阻悬置的力学模型时，假设：上下液室内的压力均匀相等；上下液室之间 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解耦；惯性通道内液体 的流动为层流，液体的。阻尼系数为常数1 。 运用相关理论知识，在对液压悬置系统的结构进行分析和必要的简化后，建立液压 悬置垂直振动方向的力学模型，如图2 7 所示。 豳萋鬻凝；，鬻糕麓溯? 攀豢 饕麟；蔫囊绷 p 鸟。 ，- l i 7 3 7 羽 岣l l趴 l ” 习 l 图2 7 液压悬置动力学模型 f i g 2 7 t h ed y n a m i cm o d e lo fh e m 模型中各符号的含义如下：k r 为橡胶主簧刚度；现是橡胶主簧等效阻尼系数；a p 为 等效活塞面积；m 为液压悬置承受动力总成部分质量；f ( t ) 、e ( f ) 分别为液压悬置输 入的力与传递给车架的力；q l ( f ) 、q 2 ( f ) 分别为上腔室通过惯性通道和节流孔流入下腔 室的流体流量；只( f ) 、卑( f ) 分别是上下腔室压强；c l 、c 2 分别为上下腔室体积柔度， 其