（机械电子工程专业论文）汽车动力总成液压悬置的隔振性能研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 汽车动力总成液压悬置的隔振性能研究 摘要 液压悬置是动力总成隔振元件中一类较新的产品。由于其能在不同的激振频 率下提供不同的刚度和阻尼，隔振效果优于传统的橡胶悬置，在国产汽车卜应用 的越来越普遍。性能良好的动力总成悬爱系统不仅可以减少动力总成振动向车架 的传递，更好地保护动力总成。 而且可以降低车内噪声，提高乘坐舒适性。本文 在沈阳市科委技术创新开发研究计划的支持下，进彳亍了如下工作： ( 1 ) 系统地分析汽车动力总成振动产生的原因和特征，初步研究了动力总成悬 置系统的隔振原理以及悬置的布置方式。 ( 2 ) 针对某型惯性通道一解耦盘式液压悬置，深入研究其结构特点以及工作原 理，在此基础上，建立了该型液压悬置的集总参数模型。 ( 3 ) 合理地选择橡胶材料超弹性本构方程，应用非线性固体有限元，计算液压 悬置橡胶主簧的三向静刚度以及静态应力，比较不同单元特性、网格密度对橡胶 主簧模型参数计算结果的影响。 ( 4 ) 给出液压悬置动特性的评价指标，研究测量液压悬置动特性的力一位移试 验法和加速度试验法，利用加速度方法测试该型液压悬置的动特性。进行欧型液 压悬置在不同预负载和不同激励振幅条件下动特性的分组试验；进行橡胶悬罨与 液压悬置的对比试验。绘制悬置的动剐度一激振频率曲线和滞后角一激振频率曲 线，探求悬鼍的频交特征。 ( 5 ) 计算液压悬置集总参数模型的相关参数值。应用液一固耦合非线性有限元 理论计算上液室的体积刚度；应用试验数据与计算分析相结合的方法，计算惯 性通道以及解耦盘的物理参数。进行液压悬置动特性的仿真计算结果与试验结果 的对比分析，验证本文所建立集总参数模型的正确性：计算上液室在不同激振频 率下压力的时间历程曲线和惯性通道流量的时间历程曲线，探求液压悬置动特性 的频变特征内在因素。 关键词：液压悬置；动特性；试验；有限元 东北大学硕士学位论文 t h ev i b r a t i o ni s o l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yo f a u t o m o b i l ep o w e r t r a i nh y d r a u l i cm o u n t a b s t r a c t h y d r a u l i cm o u n ti san e wt y p eo fa u t o m o b i l ep o w e r t r a l nv i b r a t i o ni s o l a t o r b e c a u s ei t sd y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n gc a nb ef r e q u e n c y d e p e n d e n t ，i tc a np r o v i d e ab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nc o n v e n t i o n a le l a s t o m e r i cm o u n t s h y d r a u l i cm o u n ta r eu s e d w i d e l yi nc h i n a ap o w e r t r a i nm o u n t ss y s t e mw i 也h i g hp e r f o r m a n c ec a r lr e d u c et h e v i b r a t i o nt r a n s m i t t e df r o ma u t o m o b i l ep o w e r t r a i nt of r a m e ，w h i c hi n c r e a s e sa u t o m o b i l e c o m f o r ta n dp r o t e c t sp o w e r t r a i n s u p p o r t e db yt h ea u t o m o b i l ef i e l do fs h e n y a n g s c i e n c ec o m m i t t e et e c h n o l o g yp r o j e c t ，t h ef o l l o w i n gs u b j e c t sa r es t u d i e d ： ( 1 ) t h ec a u s e sa n dc h a r a c t e r so fa u t o m o b i l ep o w e r t r a i nv i b r a t i o nw i l lb e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h ev i b r a t i o ni s o l a t i o np r i n c i p l eo fp o w e r t r a i nm o u n t ss y s t e m a n dh o wt oa r r a n g em o u n t sa r es t u d i e d ( 2 ) w i t ht h es t u d yo fh y d r a u l i cd a m p e dm o u n t ( h d m ) w i t ha ni n e r t i at r a c ka n d a f r e ed e c o u p l e r ，i t ss t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ea r ea n a l y z e di nd e t a i l s al u m p e d p a r a m e t e rm o d e lf o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fh d m i ss e tu p ( 3 ) t h et h r e ed i m e n s i o n a ls t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh d mr u b b e rs p r i n ga r e c a l c u l a t e db yp r o p e r l ys e l e c t i n gt h ec o n s t i t u t i v el a wo fr u b b e rh y p e r - e l a s t i c i t ya n du s i n g n o n l i n e a rf e am e t h o d i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fe l e m e n t c h a r a c t e ra n dm e s h i n gs i z et ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f r u b b e rm o u n t ( 4 ) t h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o ro fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sp r o p o s e d t h em e a s u r i n g m e t h o ds u c ha sf o r c e - d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta n da c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n to f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sg i v e n u n d e rd i f f e r e n tl o a d sa n d d i f f e r e n te x c i t e da m p l i t u d e s ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh d m a r em e a s u r e db ya c c e l e r a t i o nm e t h o d t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h er u b b e rm o u n ta r ea l s ot e s t e d ，w h i c hc o m p a r e dw i t ht h et t d m ， d y n a m i cs t i f f n e s sa n dl a g g i n ga n g l ec u r v e sa r ep l o t t e d t h er e s u l t sm e a nt h a tt h eh d m h a sr e m a r k a b l ef r e q u e n c y d e p e n d e n tc h a r a c t e r i s t i c ( 5 ) t h ep a r a m e t e r so fal u m p e dp a r a m e t e rm o d e lw i l lb ec a l c u l a t e d ，f l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ( f s t ) f e at e c h n i q u ew i l lb eu s e dt oe s t i m a t et h ev o l u m e t r i cs t i f f n e s so ft h e f l u i di nu p p e rc h a m b e ro ft h eh d m t h ep a r a m e t e r so ft h ei n e r t i at r a c ka n dt h e 查苎垄兰塑丝垡堕查 一 ! ! ! ! ! ! ! ! d e c o u p l e ra l eg o i n gt ob eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t a ld a t aa n da n a l y t i c a ls y n t h e s i z e d m e t h o d s t h ep r e d i c t e dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eh d mi s c o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ，w h i c hp r o v e st h el u m p e dp a r a m e t e rm o d e li se f f e c t i v e t h et i m e h i s t o r yo fs o m ev a r i a b l e si nt h el u m p e dm o d e l ，s u c ha sp r e s s u r ei nu p p e rc h a m b e r ， v o l u m e l o wi ni n e r t i at r a c ka n da r o u n dt h ed e c o u p l e r , a 【_ ea l s oc a l c u l a t e du n d e r d i f f e r e n te x c i t a t i o n s k e y w o r d s ：h y d r a u l i cm o u n t ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；e x p e r i m e n t ；f e m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：1 j ； ￥耖寿、 日 期：m o s1 2 动 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查i 弼和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 如今，汽车对于人们来说正变得越来越重要，因为它不仅仅是一种交通工具， 还是现代生活的一部分。随着生活质量的不断提高，人们对汽车性能的要求也越 来越高，尤其是乘坐舒适性，它已成为衡量汽车性能的一项重要指标。因此，反 映乘坐舒适性的n v h ( n o i s ev i b r a t i o n h a r s h n e s s ) 特性就成为各大汽车厂商关注和 重点研究的领域。 在另一方面，消费者希望减少汽车的花费，各国政府希望控制汽车的尾气污 染，燃油经济性就显得越来越重要。为了提离燃油经济性，采用新材料和新技术 的少缸、大功率发动机和轻质化车身得到了广泛应用。然而，这些措施与汽车的 n v h 特性的提高相矛盾，如少缸、大功率发动机会使发动机振动激励增大，轻质 化车身可能使车体刚度减小” ，并导致攘车固有频率向更高频率移动。这些都不利 于整车的n v h 特性的改善。 发动机是引起汽车振动和噪声的重要因素。研究结果表明，我国小轿车车外 加速噪声中，发动机噪声占5 5 ，大中型汽车约占6 5 【2 l 。对于定型的发动机和 车体而言，发动机振动的隔离就成为提高整车n v h 特性的关键。悬置元件是连接 发动机与车体的桥梁，是动力总成和车体之间振动传递的路径。性能良好的动力 总成悬鼍系统不仅可以减少动力总成振动向车架的传递，降低车内噪声，提高乘 坐舒适性，而且可以更好地保护动力总成 3 i 。因此悬置的研究开发越来越受到人们 的重视。 1 ，2 汽车动力总成悬置的国内外研究概况 汽车发展之初，动力总成是直接用螺栓刚性连接到车架上的，振动是直接传 递的。这既严重影响了汽车舒适性，又会引起动力总成部件如曲轴箱和发动机支 架的破坏。 到2 0 世纪初，为了防止曲轴箱和发动机支架的破坏，制造商们开始采用柔性 件如皮革、布垫等连接动力总成和车架。 直到2 0 世纪2 0 年代初，人们开始用橡胶支承来隔离发动机的振动，随着各 种合成橡胶的出现以及橡胶的硫化和粘结技术的不断提高，逐渐出现了各种不同 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 结构的减振橡胶元件，并一直沿用至今。但普通橡胶悬置具有高频刚度较大、低 频阻尼不足和高频动态硬化的缺点，难以满足现代汽车动力总成在较宽频率范围 内对悬置系统的隔振要求。 2 0 世纪4 0 年代，r i c h e rh a r d i n g l 4 和s t r a c h o u s k y t s l 先后提出将减压减振机构和 橡胶组成一个整体减振机构的设想，并在美国申请了专利。 1 9 6 2 年，g m 公司的r i c h a r dr a s m u s s e n i6 1 等人完善了这一设想，提出了液 【三 悬置的概念，研制了世界上第一个液压悬置模型，并率先申请了液压悬置的专利。 自2 0 世纪8 0 年代以来，世界各大汽车公司和研究机构竟相研究开发液压悬 置，使之得到了迅速的发展，现已成为汽车动力总成的主要隔振技术之一。液压 悬鹭经历了不断发展和完善的过程，现在应用的主要有惯性通道型、惯性通道一 固定解耦膜型、惯性通道一活动解耦膜型液压悬置。这些液压悬置通常是被动式 的，它们具有结构相对较简单、安装简便、成本低、可以在一定频段内显著提高 汽车乘坐舒适性等优点。但由于液压悬置在高频下的动态硬化，使其减振降噪能 力仍无法满足现代高级轿车车内舒适性的要求。进而人们又开始研究半主动控制 式以及主动控制式悬置系统。 半主动控制式液压悬鬣，又称为可调式液压悬置，可根据汽车运动工况实时 调节悬置的结构参数来调节其动态特性，可实现广谱隔振、减振和降噪作用，获 得优于被动式液匪悬置的隔振性能。但半主动控制式液压悬置增加了控制机构， 使成本增加，结构尺寸增大，安装不便，因此虽然有应用的实例，尚未达到推广、 普及的程度。此外，半主动控制式液压悬置往往在某一频段表现出不尽如人意的 特性，尚待进一步完善和提高。 1 9 8 3 年，日本m i t s u b i s h i 公司 7 1 在豪华的g a l a n t 轿车上应用了控制节流孔开 度的液压悬置，这是世界上第一批半主动控制式液压悬置。 1 9 8 7 年美国a v o n 公司开发了控制气体弹簧气压来调整悬鼍动特性的液压悬 型吼，1 9 8 8 年法兰克福展览会上德国f r e u d e n b e r g 公司展出了根据路况提供最优阻 尼的半主动控制式液压悬置【9 】；同年，m e t z e l e r 公司在世界上首先开发成功电流变 液体的液压悬置【l 。1 ，标志着液压悬置由被动式向半主动控制式方向发展的飞跃。 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 主动控制式液压悬黉系统j 。 为了进一步提高液压悬置的隔振水平，人们开展了主动控制式悬置的研究。 主动控制式液压悬置利用动力消振技术，系统响应速度快，减振效果明显优于半 主动控制式液压悬置，理论上可使车架振动响应为零，试验表明，它比应用开环 控制的半主动控制式液压悬置的车内噪声降低5 - 1 0 d b ，代表了液压悬置的未来。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，主动控制式液压悬置的主要问题是：传感、控制单元、动力源和作动器技 术要求高，价格昂贵，功率消耗大( 每个悬霞消耗1 5 w ，而半主动控制式液压悬 置仅为1 5 w ) ，而且由于发动机舱环境比较复杂，温度高，易于接触油污，易于 损坏，不易维修，因此鲜有应用的实例。未来的发展方向是降低主动控制式液压 悬置复杂程度和成本，提高系统得可靠性，以期得到应用。 1 9 8 7 年，r w h e r r i c h 实验室率先研制主动控制式液压悬置系统【1 2 1 。1 9 9 5 年， d e l p h i 底盘系统公司将主动控制式液压悬置应用于四缸发动的动力总成”，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控制式悬置系统并将其应用于 轿车产品【1 。1 9 9 8 年，丰田汽车公司在凌志l e x u s r x 3 0 0 轿车上首次批量采用了 主动控制式液压悬置系统【1s , 1 6 。 国内有关动力总成悬置系统的研究始于2 0 世纪8 0 年代，由清华大学和二汽 集团产品设计处合作对e q l 4 2 汽车动力总成橡胶悬置系统开展研究。 从2 0 世纪9 0 年代初期开始，吉林工业大学和长春汽车研究所合作，以c a 7 2 2 0 轿车为研究对象，从动力总成悬置系统到整车振动系统都进行了系统的理论和实 验研究。同时，吉林大学汽车工程学院与江西五十铃公司合作，成功完成了全顺 轻型客车动力总成悬置系统的国产化开发和试制工作。从2 0 世纪9 0 年代末期开 始，吉林大学又将动力总成悬置系统的研究重点转向半主动控制式和主动控制式 液压悬置，先后对国产某轿车采用的气体控制式半主动液压悬置以及带有压电作 动器的主动悬置进行了研究和开发工作 1 7 , 1 8 i 。常用动力总成悬置如图1 1 所示： 图1 1 常用动力总成悬置实物图 f i g 1 1p h o t o so f p o w e r t r a i nm o u n t s 此外，国内第一汽车集团技术中心、北京理工大学、南京理工大学、重庆大 学、浙江大学和舍肥工业大学等科研单位和高等院校也分别开展了动力总成悬置 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 系统的研究和开发工作，取得了定的成果 1 9 , 2 0 】。 综上所述，自第一个橡胶元件的产生，动力总成悬置元件结构由简单到复杂 由普通的橡胶悬置到液压悬置，而液压悬置根据控制方式又经历了被动式到半午 动控制式和主动控制式，这就是动力总成悬置元件发展的必然趋势。 1 3 动力总成悬置的分类和性能要求 橡胶悬置 主动控甫目式渡压悬簧 简单液压悬踅 惯性通道式波皿悬鼍 解耦式液压悬置 液柱共振式 葭压悬置 多液室式液压惫置 渡气式液压悬置 控制节流通道式液压悬置 控制气体弹簧压力的i 瘦k 悬置 控制液枉共振的液压悬置 电流变渡式的液压悬置 图1 2 动力总成悬置的分类 f i g 1 2c l a s so f p o w e r t r a i nm o u n t s 根据控制方式，悬置可以分为被动式、半主动控制式和主动控制式悬罱。橡 胶悬置是较简单的悬置类型，液压悬置在此基础上增加了液压减振机构。根据：f 作室的数薰，液压悬置分为两室式和多室式液压悬置。两室式液压悬嚣根据结构 特点可分为简单液压悬置、惯性通道式液压悬置、解耦式液压悬置和液柱共振式 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 液压悬置。多室式液压悬置根据工作室内的工作介质可分为多液室式液压悬置和 液气式液压悬置。半主动控制式液压悬置根据控制参数可分为控制节流通道式、 控制气体弹簧压力式、控制液柱菸振式和利用电流变液体的液压悬置。综上所述， 可对动力总成悬置进行分类，如图1 2 所示。 以机械振动学的观点来看，汽车动力总成既是个激振源，又是一个需要隔 振的对象，因而对动力总成和车架之间起双向隔离作用的悬置元件的性能要求很 高，一个设计良好的动力总成悬置应满足如下要求【2 l 】： ( 1 ) 降低从动力总成传递到车架的振动。在汽车正常行驶过程中以及原地驻车 怠速运转时，往复式内燃机的不平衡旋转质量和平移质量产生的不平衡惯性力( 力 矩) 以及扭矩波动的低阶谐量激起动力总成在悬置上的刚体振动，使动力总成在 怠速工况易发生较强的低频振动，在高频区( 5 0 2 0 0 h z ) 易引起车内的宅鸣声。 对于轿车常用的四缸发动机，所产生的对动力总成的振动激励主要是不平衡惯性 力和气压扭矩波动的二阶主谐量( 1 6 - - 4 0 h z ) ，而车体的主要弯曲振动模态频率一 般在2 0 - - - 4 0 h z 范围内，所以怠速时易引起车体的共振。 ( 2 ) 消减动力总成的低频抖动。 ( 3 ) 消减在发动机工作转速范围内的车内振动和噪声。 ( 4 ) 降低在发动机启动、熄火时和汽车加速、换挡、转弯、减速、制动等非稳 态工况下动力总成的瞬态振动及其向车身的传递，同时隔离车轮所受路面冲击引 起的动力总成的瞬态振动。 f 5 ) 隔离因汽车底盘受不平路面激励产生的振动向动力总成的传递。 为了使发动机悬置系统的特性满足上述隔振目标的综合要求，要求悬黉在汽 车常用环境条件和在各种运行工况下保持悬置隔振性能的稳定性。应当具有如下 理想动特性口副： f 1 1 悬置具有较高静刚度，以支承动力总成重量和输出扭矩； r 2 ) 悬置具有低频( 2 - 5 0 h z ) 大阻尼、商刚度特性，发动机启动、熄火时和汽 车加速、换挡、转弯、减速、制动等非稳态工况下动力总成的瞬态振动及其向车 身的传递； ( 3 1 悬嚣应当在7 - 1 2 h z 范围内具有较大阻尼，以迅速衰减因路面、轮胎激励 引起的动力总成低频振动； f 4 ) 悬嚣在1 4 h z 附近应当具有较低的动刚度，以衰减怠速振动： ( 5 ) 悬置高频( 5 0 h z 以上) 应有小阻尼和小动剐度，以降低振动传递率，提 高悬置的隔振效果。 显然，动力总成悬置的理想动特性要求十分复杂。 5 东北犬学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文的主要工作 笔者所在课题组正在从事半主动控制式液压悬置研究， 究而开展的。主要进行了如下工作； ( 1 ) 系统地分析了汽车动力总成振动产生的原网和特征 悬景系统的隔振原理以及悬置的布置方式。 本文正是配合该项研 初步研究了动力总成 f 2 ) 针对某型惯性通道一解耦盘式液压悬置，深入研究了其结构特点以及工作 原理在此基础上，建立了该型液压悬置的集总参数模型。 ( 3 1 合理地选择橡胶材料超弹性本构方程，应用非线性固体有限元，计算液压 悬簧橡胶主簧的三向静刚度以及静态应力，比较不同单元特性、网格密度对橡胶 主簧模型参数计算结果的影响。 h 1 给出了液压悬置动特性的评价指标，研究了测量液压悬置动特性的力一位 移试验法和加速度试验法，利用加速度方法测试该型液压悬置的动特性。进行该 型液压悬置在不同预负载以及不同激励振幅下动特性的分组试验：进行橡胶悬置 与液压悬鬓的对比试验。绘制悬置的动刚度一激振频率曲线和滞后角一激振频率 曲线，探求悬置的频变特征。 ( 5 ) 计算液压悬置集总参数模型的相关参数值。应用液一固耦台非线性有限元 理论，计算了上液室的体积刚度；应用试验数据与计算分析相结合的方法，计算 了惯性通道以及解耦盘的物理参数。进行了液压悬置动特性的仿真计算结果与试 验结果的对比分析，验证了本文所建立集总参数模型的正确性；计算上液室在不 同激振频率下压力的时间历程曲线和惯性通道流量的时间历程曲线，探求了液压 悬置动特性的频变特征内在因素。 悬置动特性的频变特征内在因素。 东北大学硕士学位论文第二章动力总成悬置系统隔振的基本理论 第二章动力总成悬置系统隔振的基本理论 以内燃机为动力源的汽车动力总成振动是汽车的主要振源之一。它不仅影响 动力总成及其附件的使用寿命，而且对汽车的舒适性( 振动和噪声特性) ，甚至汽车 的安全性和操纵稳定性都有不利的影响。本章将系统地阐述和分析汽车动力总成 隔振的基本理论。 2 1 动力总成振动源分析 2 。1 1 单缸机分析 现在汽车上广为使用的都是往复式内燃机，其中的活塞和连杆的不平衡质量 是主要的振动激励源。讨论发动机振动时，常在保证重心位置和总质量不变的条 件下，将连杆足够精确的用集中在曲柄销和活塞上的两个质量来代替，并把其他 的不平衡质量也等效地简化到这两点上。 图2 1 发动机曲柄连杆机构 f i g 2 1c r a n ka n dl i n ko u t f i to f e n g i n e 连杆简化的公式为： m = 叫+ m ； ( 2 - 1 ) 式中：叫= 等，所争聊，m 7 为连杆的总质量，耐，朋；简化后连杆：九端 和小端的等效质量，单位为k g ，为连杆两端孔的中心距，f ：分别为连杆大端 东北大学硕士学位论文第二章动力总成悬置系统隔振的基本理论 和小端距连杆质心的距离，单位为m 。 于是发动机曲柄连杆机构的质量最后可用简化到曲柄销上的质量m 与活塞销 上的质量m ：来代替。曲柄连杆结构简化成图2 。l 所示的双质量系统。 利用简化后的双质量系统，可以研究发动机产生的主要振源盼2 4 】： ( 1 ) 旋转惯性力 质量州，作等速圆周运动，其旋转惯性力f = m l r t 2 ) 2 ，在图示坐标轴上的投影为： f 。r y = m l r 。f lc ，o s ( o ( 2 韧 l t = 一m l r ( 9 2s i n ( o t ( 2 ) 往复惯性力 由活塞上下移动而产生的往复惯性力为： f = 一m 2 r o ) 2 c o s a 一丑删，国2 c o s 2 a - ( 2 3 ) 式中：第一项为一阶惯性力，第二项为二阶惯性力，其它更高阶的惯性力因 为影响较小可予以忽略不计，a ：；，为曲柄与连杆长度之比。 ( 3 ) 燃烧爆炸产生的气体作用力 发动机工作是依靠燃料燃烧产生的推力来进行工作的。作用在活塞上的气体 作用力为： 尼= ( 只一p o j r i r d 2 ( 2 4 ) 式中：只为活塞顶面上气体的爆发压力，单位p a ，昂为曲轴箱内压力，单位p a t d 为活塞的直径，单位m 。 ( 倾覆力矩 与往复惯性力e 均沿气缸轴线方向，其合力f 等于它们的代数和： f = 呢十f ( 2 5 ) 由这个合力产生的发动机输出的指示扭矩为： r = 厅篙茅 p e ， 式中：a 发动机旋转角； ，8 东北大学硕士学位论文 g - 章动力总成悬置系统隔振的基本理论 卢发动机连杆与中心线的夹角。 由发动机输出的指示扭矩引起的反扭矩瓦与丁大小相等方向相反 五：一f rs i n ( z + 。f 1 ) = - t( 2 7 ) c o s p 它使发动机产生倾覆，故称之为“倾覆力矩”，这一力矩不可能在发动机内部 平衡掉，而只能由发动机制成来承受，因而它是使发动机不平衡的要素。 作用在曲轴中心处的力f 与作用在活塞销上的力f 大小相等方向相同。也就 是说f 一系列中间零件后，最后传给了越轴的主轴承。和f 一榉，也包括气体 作用力最和惯性力f j 两部分。其中与方向向上作用在气缸盖上的气体力相平德， 构成了发动机内力，而则经曲轴传给发动机悬置，它和旋转惯性力f 一起，也成 为发动机不平衡的另一个因素。综上所述，发动机工作传到悬置上的力和力矩除 了自身重量之外，还有往复惯性力f ，、旋转掼性力f 和倾覆力矩瓦。 以上各力及力矩的大小和方向均随发动机的运转而周期性变化。使发动机产 生振动并受到附加载荷。此外，由于切向力f 的周期性变化，使输出扭矩也周期 性变化，因而曲轴转动时快时慢，即产生不稳定运转现象。如果不把上述两个问 题限制在一定的范围内，会绘整车带来不利影响。 2 1 2 多缸直列发动机分析 爱 戮一 7 i1 x 图2 2 发动机缸体受力图 f i g 2 2t h ei l l u s t r a t i o no f e n g i n ec y l i n d e rf o r c e sa n dm o m e m s 塑! 垄兰堡主兰堡堡圭 苎三主塑垄：垒塞墨墨墨堕堕堡塑墨查堡垒 多缸直列发动机可视为由曲柄连接起来的几个单缸发动机。作用在整个缸体 上的干扰力，应是各单缸体受到的干扰力缎成的一组空间力系。一般情祝f ，此 力系可简化为图2 2 所示的受力情况，图中的干扰力和力矩按下列算式计算f 2 3 25 1 。 设够表示第i 个曲轴箱对于第一个曲柄的夹角；n 为气缸数；，为魏柄回转半 径。 f = m l r e 0 2 o o s ( c o t + 仍) + c o s ( a ，t + 仍) + + c o s ( c o t + 纯) 】 = m l r ( t 1 1 c o s ( c o t + 仍)( 2 8 ) = 殍r 街1 岱ic e s ( o b t + 妒r ) 易= m 2 r c 2 c o s ( ，+ 纪) = m 2 ，甜2 口lc o s ( c o t + f ：p ，)( 2 9 ) i = 1 e = m 2 r d 0 2 五c o s 2 ( 6 w + 仍) = m 2 ，脚2 五口2c o s ( c o t + , p ) ( 2 1 0 ) t e l 式中：q ，吼，口：，表示夹角为记与2 孵的n 个单位矢量和的模与方向角 它们决定于曲柄问的相对位置，是一组常数。 e 三鬻；意c o 怯s ( 。0 2 t 菇。五哎c o s ( 2 ( o t 锄，协= ( + 册2 ) ，山。q+ 竹) + 朋2 ，出。五哎+ 仍，) 水平干扰力仅与旋转惯性力的水平分量有关，即： e = 易= m l ，脚2 s i n ( c o t + c o , ) = m l r 2 qc o s ( o n + 口9 1 ) ( 2 一1 2 ) 绕水平轴转动的干扰力矩m 。等于各缸铅垂干扰力对y 轴的力矩，即 m y = z m + z m ，y = m i r a ) 2 c o s ( 耐+ 够) r 彩2 c o s ( 叫+ 移) 。1 。 1 ( 2 1 3 ) 、 一m 2 r c 0 2 五c o s 2 ( c o t + q a r ) = ( 一鸭) ，脚26 le o s ( o d t + e , ) 一2 r o j 2 如c o s 2 ( c o t + 0 ，) 式中：为第i 曲轴中心到简化中心的距离。6 1 岛，b 2 ，分别为模为夹 角为识及2 羁的疗个矢量和的模及方向角，它们决定于备缸间的距离和曲轴排列， 是一组常数。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章动力总成悬置系统隔振的基本理论 绕铅垂轴的干扰力矩等于各缸水平干扰力对z 轴之矩，它仅与旋转惯性力有 关，即： m ：；m 。= 啊，2 ts i n ( o t + r p , ) = m l r o ) 2 6 ls i n ( c o t + ( z ) ( 2 1 4 ) 绕曲轴轴线的干扰力矩是与惯性力及气体压力有关的周期函数： 坂= 喜m 反= 喜( 虼删芝萨如硝 坂= 反= ( 虼+ 巧) 鼍兰孚，( n ) 2 ”17 2 1 6 h f 2 - 1 5 1 = ) 2 ( 碡c o s o ) t + 最c o s c o t ) 式中：口，为第i 个曲轴箱中以上止点为基准的曲柄转角；屈为第i 个曲轴箱中 连杆中心线与气缸中心线之间的夹角。由上列的公式可以看出，作用在直列多融 发动机上的干扰力和干扰力矩都是曲轴转角的周期函数，它们将引起发动机和车 架的振动，为了减小这种有害的振动，除了合理布置曲柄问的相互位置、采取有 效的平衡方法和点火顺序来消除或减少干扰外，还应采取隔振措施来减少发动机 传给车架的干扰力。从以上算式中，我们还可以看出，如果选用合适的缸数和曲 柄排列方式往往能有效地减少或消除干扰力和力矩。例如四冲程四缸发动机，选 用1 8 0 。均布的曲柄夹角，除了具有二阶往复惯性力f = _ 4 m 2 ，脚2 a c o s 2 ( t o t + 妒) 存 在外，其它干扰力和力矩被消除。 2 2 发动机作为振源的激振频率范围的确定 对汽车动力总成来说，基本上受到两个振源的激励。一个来自路面，另一个 来自运转的发动机和传动系统。路面的激励基本上属于低频范围，而且它是通过 悬挂系统传递给发动机的，其频率除个别点外，数值一般比较低。来自发动机的 振动频率相对就要高一点。 ( 1 ) 一般四缸直列发动机的扭矩脉动频率( 即均匀点火脉冲频率) 的经验计算公 式为： 厶2 赢。n 刀( 2 - 1 6 ) 式中：厶扭矩脉动频率( 单位h z ) ；， 发动机气缸数； n 曲轴转速( 单位r m i n ) ； 东北大学硕士学位论文 第二章动力总成悬置系统隔振的基本理论 c 发动机冲程数。 ( 2 ) 不平衡旋转质量和往复运动质量所引起的激振频率经验计算公式为 f 。= q - 竹6 0( 2 - 1 7 ) 式中：q 比例系数，对于一阶不平衡q = 1 ，二阶不平衡力q = 2 ( 3 ) 传动轴( 变速箱挂直接档) 不平衡质量所引起的激振频率经验计算公式为： f 。= 以6 0 ( 2 1 8 】 发动机不工作时转速为零，由静止到怠速是发动机点火启动过程，由怠速到 最高转速为发动机转速范围。发动机由怠速到最高转速的激振频率可由式伫一1 7 ) 和 ( 2 1 8 ) 计算。 设怠速转速为。，最高转速为。，则频率- 厂的范围为： 去去。 皿 厂7 的范围为： q 。1 6 0 q h 。6 0 ( 2 2 0 ) ，的范围为： 丹。6 0 h 。t 6 0 ( 2 - 2 t ) 由传动轴不平衡量引起的激振力是离心力，它的大小与转速成正比，只有在 高速时其作用才显著，而均匀点火脉冲的激励作用只有在低速时才明显，所以在 隔振处理时一定要考虑频率的上下限【2 6 j 。 由此得到结论，发动机作为振源时的激翮频率范围是： = 一n - n m 。n 。1 6 0 (2-22)60c h ll h 、 2 3 动力总成振动传递率 从振动学的观点来看，动力总成液压悬置对动力总成和车架的振动超到双向 隔离的作用。以动力总成作为激振源，悬置起n t 积极隔振的作用。积极隔振是 指在机器与基础之阀安装弹性支撑即隔振器，减少机器振动干扰力向基础的传递 量，使机器的振动得以有效的隔离，这种隔离的措施称为积极隔振，有时也称为 主动隔振f 2 7 】。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章动力总成悬置系统隔振的基本理论 质量为m ，剐度为k ，粘性阻尼系数c 为的单自由度振动系统( 积极隔振) ， 当外力v o c o s ( g o ，) 这是单一频率的周期激振力垂直作用在物体m 上时，基础同时也 受到弹簧力及阻尼力，物体同样也受到弹簧力及阻尼力，物体按一定的规律运动。 把基础受到的弹簧力及阻尼力的合力与作用在物体上的外力f o 相比，这个比值t ， 称为振动传递率，即：乇= 胬l o o 振动传递率的含义是：传到基础上的力是原振动力的百分之几。有时还可以用 隔振效率叩来表示隔振效果，即：叩：毕：l 一疋 ，0 对于粘性阻尼系统： 疋= f1 + 4 4 2 ) 2 i 一汐知) ：j 2 + 4 f z 兀) 2 ( 2 2 3 ) 热是激振力频率， 是支承系统的固有粹兀= 去厝，k 是隔 振器的动刚度，m 是物体的质量，g 是重力加速度，f 是隔振器的阻尾比。 由f 2 2 3 ) 式可知，振动传递率与频率比及阻尼比有关，三者关系如图2 3 ： y 咚 图2 3 振动传递率曲线 f i g 2 3t h er e l a t i o no f f o r c et r a n s f e rr a t ea n df r e q u e n c yr a t i o 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章动力总成悬置系统隔振的基本理论 由力传递率瓦和频率f 的关系，我们可以得出以下几点结论【2 8 ，2 9 】： ( 1 ) 不论阻尼比孝多大，只有当频率比y 2 时，乙才小于1 。 ( 2 ) 当， 2 时，随着频率比豹不断增大，毛值越来越小也郧隔振效果越来 越好。但是，也不宜过大，因为川直大即意味着悬蔑要设计得很柔软，静饶度要很 大，相应的体积要很大，并且装置的稳定性也差，容易摇晃。另一方面，当y 5 以 后，l 值的变化并不明显。这在隔振效率r = l 一的曲线上最明显，当y 5 时，7 曲线几乎趋于水平，这表明即使将弹性支承设计得很软，也不能显著改善隔振效 果。一般实际采用的频率比常在2 5 叫，5 之间，相应的隔振效率为8 0 9 0 。如果 确实由于其他原因只能将，的值选在小于2 的区域，那么要使y l 时，l * 二。 这表明高频时毛与c 成j e s t ，因此粘性阻尼对隔离高频振动是不利的。此外， 当c 一定时己与二成正比。 考虑到在， 2 时，阻尼会使工作范围的隔振性能降低，因此从隔振角度来 看实用的最佳阻尼比为孝= 0 0 5 ( ) 2 0 。在此范围内，加速和停车所造成的共振不 会过分大，同时在， 2 时，隔振性能也不至于降低过多。一般橡胶悬霞的阻尼 比在f = 0 1 0 左右，相应的共振时的绝对传递系数五为5 左右，这在实际使用中常 是容许的，因为一般共振往往是在低频区，而不平衡扰动力在低频时是很小的， 更何况一般机器不会长期在共振区工作，实际的情况是常以快速通过共振区，因 此弹性支承的物体常来不及充分的表演即己经转入安全区了。在工程实际中，所 要求的绝对传递系数( 即振动传递率) 己值的大小，取决于机器大小、安装场所、机 器种类以及建筑物用途等各种因数。 2 4 悬置系统的设计要求 为了叙述的方便，首先对动力总成建立曲轴坐标系o x l g ，主惯性轴坐标系 0 晖耳z p ，扭矩轴坐标系d k 耳z t ，如图2 4 所示。其中，0 为动力总成质心，x 轴平行于发动机曲轴轴线并指向发动机前端，z 轴与汽缸中心线平行并指向缸盖， y 轴按右手定则确定。j ，p 耳磊为动力总成的三根相互正交的主惯性轴，当把动力 总成视为具有纵向对称面的刚体时，】，轴与k 轴重合。由于一般动力总成上x 轴 1 5 一蔓些苎兰塑主堂垡垒墨 筻三主塑查：坠垒墨墨墨丝堕塾堂垒查堡堡 与x ，并不重合，二者之间的夹角0 。1 5 。，因而动力总成在波动倾覆力矩的作用i - 并不绕主惯性轴j ，p 摆动，而是绕一根通过质心的特殊轴摆动，该轴称为扭矩轴 即图2 4 中所示的秭轴ax ，轴夹在x 轴和鼍轴之间，其位置由动力总成的兰个 主转动惯量以及三根主惯性轴在曲轴坐标系中的方向余弦来唯一确定。它相对于 曲轴坐标系的方向余弦是： c o s a ，：c o s 口，+ c o s d ，! 生竺丝+ c o s 口，垒竺! 丝 ”j r , o s x p “9 j z ，c o s t 2 x ， 一一 jk - c o s 口v j