（轮机工程专业论文）汽车发动机悬置系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 内燃机作为一种高效的动力源广泛应用在各种形式的车辆上，内燃机在提 供动力的同时也会产生强烈的振动和噪声，影响了车辆的乘坐舒适性和行驶安 全性。因此设计最佳化的动力总成悬置系统，有效隔离发动机振动向车体的传 递就显得意义重大。动力总成悬置系统的设计是个复杂的过程，需要进行反复 的理论分析和实验测试，会耗费大量的时间和成本。若能在设计中采用一款比 较成熟的仿真软件来真实模拟发动机的振动状况，则可以减少实验的次数，降 低成本和提高效率。a v le x c i t e 是奥地利a v l 公司开发的一款发动机动力仿真 软件，本文针对y c 6 l 柴油机的台架隔振系统，探讨了采用a v le x c i t e 软件进 行隔振效果分析的过程。完成的工作主要包括以下几个方面： 1 、y c 6 l 直列式六缸柴油机的激励源分析，分析了使发动机产生整机振动 的主要干扰力的种类、大小、作用方向和激励频率； 2 、测量了发动机的整机振动状况，为与仿真结果进行比较提供了依据； 3 、测量了y c 6 l 柴油机隔振系统所用橡胶悬置的静态特性和动态特性； 4 、划分机体和曲轴的有限元网格，确定主自由度节点，在a n s y s 中进行了 子结构缩减，并将缩减结果文件导入到e x c i t e 中。在e x c i t e 中建立了发动机隔 振系统的模型，进行了仿真计算。将仿真结果与实测结果进行了对比，对各种 影响因素进行了分析； 5 、以发动机悬置系统解耦理论为基础，结合优化设计手段，对y c 6 l 的橡 胶悬置的刚度参数进行了优化，并将优化后的参数代入e x c i t e 进行了仿真，对 比分析了优化前后的效果。 通过以e x c i t e 为基础对整个设计过程的模拟可以发现e x c i t e 是一款比较出 色的悬置设计软件，是进行悬置系统设计的有力工具。通过对各个因素的敏感 性分析，找出了影响发动机悬置系统性能的主要因素，一方面为进行更准确的 模拟仿真提供了借鉴，另一方面为改善发动机悬置系统的隔振性能提供了思路。 关键词：柴油机，发动机悬置系统，隔振，仿真，优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei sw i d e l yu s e do na l m o s ta l ll ( i n do fv e h i c l e s b e c a u s eo fi 协i n t e n s i v ep o w e ra n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e ，e n g i n e c a na l s o - g e n e r a t ev i o l e n tv i b r a t i o na n dg r e a tn o i s e , w h i c hb r i n g s i g n i f i c a n t u n c o m f o r t a b l es c l l s et op a s s e n g e r sa n dr e d u c et h es e c u r i t yo ft h ev e h i c l e s ot h e i m p r o v e m e n ti nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e m s ，w h i c hi s o l a t e st h e v i b r a t i o ni r a n s f e r r i n gf r o mt h ee n g i n et ot h eb o d yo ft h ec a r , d e f i n i t e l yp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nr e s o l v i n gs u c hp r o b l e m s i fw ec a nu s eap e r f e c tt o o lf o rv i b r a t i o n a n da c o u s t i ca n a l y s i so fp o w e ru n i t ss u c h 船a v le x c i t e t h ec o m p l e xa n d t i m e - c o n s u m i n gd e s i g nw o r kw i l lb em o r ee f f i c i e n ta n de c o n o m i c i nt h i s 弘i p e r ，w e h a v ear e s e a r c ho ny c 6 ld i e s e le n g i n ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m sb yt h ea i do f a v l e x c i t e ，w h a tw eh a v ed o n ea r ca sf o l l o w s ： 1 、w eh a da na n a l y s i so i la l lk i n d so ff o r c e se x e n i i 】go ny c 6 la l g i n e ，a n d f o u n do u tt h em a i nf o r c e sa n dt h e i rm a g n i t u d e ，f r e q u e n c y , d i r e c t i o ne t c ； 2 、w eh a dat e s to nt h ew h o l ee n g i n ev i b r a t i o n , a n dr e c o r dt h ed a t au s e dt o c o m p a r ew i t ht h er e s u l to f t h es i m u l a t i o n ； 3 、w em e a s u r e dt h es t a t i cp r o p e r t ya n dd y n a m i cp r o p e r t yo f t h ee n g i n em o u n t ； 4 、w em e s h e dt h ee n g i n eb o d ya n dc r a n k s h a f ti nf e as o r w a r e ，r e d u c e dt h e f e mi na n s y s ，a n dl o a d e dt h ef i l e si n t oe x c i t e t h e nw eb u i l tt h ed y n a m i cm o d e li n e x c i t ef o re n g i n em o u n t i n gs y s t e ma n a l y s i s ，a n ds t a r t e dt oc a l c u l a t e t h e nw e c o m p a r et h es i m u l a t i o nr e s u rw i t ht e s tr e s u l t , a n df o u n do u tt h er e a s o n sf o rl e a d i n g t o e r r o r s ； 5 、w co p t i m i z e dt h es t i f f n e s so f t h er u b b e rm o u n tb a s e do ne n g i n em o u n t i n g d c c o u p l i n gt h e o r y , a n do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s ，a n dr e s u l t ss h o w e d t h a tt h e p e r f o r m a n c ew a si m p r o v e d a th i g hs p e e dr a n g e - t h ew h o l ew o r ks u g g e s t st h a ta v le x c i t ei sak i n do fe x c e l l e n td y n a m i c s i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hc a np r o v i d eag r e a th e l pi nt h ed e s i g no f e n g i n em o u n t i n g s y s t e md e s i g n t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i st e l l su sw h i c hf a c t o rw i l lh a v eam o r ee v i d e n t i n f l u e n c e0 i lt h ee n g i n ev i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c e o no n es i d ew ec a ni m p r o v e i l 武汉理工大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o nm o d e lb ym e a s u r et h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sm o r ep r e c i s e l y , a n d o nt h eo t h e rs i d ew ec a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n em o u n t i n gs y s t e mb y t t m n i n gs o m ep a r a m e t e r sr a t i o n a l l y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e n g i n em o u n t i n gs y s t e m , v i b m f i o ni s o l a f i o n , s i m u l a t i o n , o p t i m i z a t i o nd e s i g n i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的与意义 内燃机作为一种功率范围广、热效率高的可移动动力源，以其不可比拟的 优势在船舶、汽车等国民经济各个部门和人民生活中得到广泛的应用。但内燃 机也有其负面效应，它在为人类社会做出巨大贡献的同时，也带来了诸如排气 污染、噪声、振动等方面的问题。 内燃机是一种典型的往复不平衡机械，在发出强劲动力的同时，也伴随着 强烈振动的产生。在车辆上，发动机的振动会通过底盘传递到车厢内，并传递 给车内的司机和乘客，从而产生多方面的危害。一方面，它加速了汽车零部件 和车体的疲劳破坏，缩短车辆的寿命：另一方面，它会增加车厢的辐射噪声水 平，噪声和振动使司机产生疲劳感，也带来行车安全方面的问题，噪声和振动 同时会使乘客产生不舒适感，影响了人们的出行质量。除此之外，凹凸不平的 路面产生的随机激励会沿着车轮、车架传递到到发动机上，影响了发动机的可 靠性和工作稳定性l l j 。 汽车悬置系统是动力总成( 包括发动机、离合器及变速器等) 与车架底盘 之间通过弹性元件连接而成的系统【2 j 。汽车悬置设计的目的是为了隔离发动机 产生的振动向车体的传递，降低路面激励对发动机的影响，前者称为主动隔振， 后者称为被动隔振例。 褐甥 a ) 三点支承b ) 四点支承 图1 - ! 发动机悬置系统 近年来，随着道路条件的改善和其它总成的完善，发动机振动引起的车厢 振动所占的比重逐渐增大，降低发动机振动向车体的传递成为众多汽车厂商日 益关心的问题。与此同时，轿车正朝着轻量化、大功率、前置前驱的趋势发展， 武汉理工大学硕士学位论文 这不仅不利于汽车振动噪声水平的降低，也为悬置系统的设计带来了挑战f 4 】。 另外，物质水平的进步，使得人们追求高质量生活的热情高涨，在汽车的其它 性能均达到较高水平的情况下，乘坐舒适性就成为顾客选择车型的重要标准。 各国政府从改善人居环境的角度出发，对汽车噪声水平制定了愈加严格的法规。 因此，悬置系统设计的好坏，直接关系到该车型的振动噪声水平，继而决定该 车型的档次和市场占有率。汽车悬置设计已成为汽车n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n d h a r s h n e s s ) 工程的重要内容。 1 2 国内外发展现状 悬黄的基本功能是支承、限位和隔振。支承就是要承受整个动力总成的静 质量，避免因产生过大的静变形而影响安装定位。限位就是防止发动机在运转 过程中发生过大位移而与周围的部件发生擦撞。隔振就是衰减发动机的振动向 车体的传递，改善汽车的振动、噪声和舒适性。支承和限位的功能要求悬置刚 度足够大，隔振的功能则要求悬置刚度适度小，这两者之间存在矛盾，需要折 中考虑【5 】。 隔振是汽车悬置设计的主要目的。悬置系统要隔离的激振力的频率范围较 宽，路面激励的频率集中在2 3 h z 低频范围内，发动机产生的扰动力频率在亚 音频( 3 2 0 h z ) 到音频( 2 0 1 0 0 0 h z ) 这一频率范围内，这同汽车较宽的行驶速度 范围是相对应的。同时悬置系统面临的任务是要缓冲汽车处于启动、怠速、加 速、减速、转弯、刹车、制动、换档等非稳态工况下受到的冲击载荷的作用【6 l 。 汽车复杂而多变的行驶工况，使悬置系统在整个工作范围内都起到良好的隔振 作用成为一件十分困难的事情。要满足上面这些要求，理想的悬置必须满足低 频高刚度大阻尼，高频低刚度小阻尼的特性【4 】。 总的来说，汽车悬置设计是一件非常复杂的工作。自从汽车悬置设计被重 视之日起，广大技术工作者就为解决各种矛盾，实现悬置系统的最佳化设计而 不懈努力着。 1 2 1 悬置元件的发展概况 采用优良的悬置元件是改善汽车发动机悬置系统性能的重要途径，在悬置 设计的发展历史中，研究人员绝大部分的工作都致力于开发出具有优良特性的 2 武汉理工大学硕士学位论文 悬置元件【4 】。 汽车发展的初期，发动机直接用螺栓刚性地与车架连接起来，曲轴箱和发 动机支架很容易发生破坏。由于早期汽车的其它总成比较笨重粗劣，造成的影 响还不是很明显，后来随着汽车其它总成的完善，动力总成引起的问题越来越 突出，迫使人们采取各种措施来解决这个问题。最开始采用皮革、布垫等柔性 件来连接发动机和车架，后来出现了橡胶悬置、被动式液压悬置、半主动控制 式液压悬置、主动控制式液压悬置等各种结构的悬置，发动机悬置经历了从简 单到复杂的发展，悬置的控制方式也经历了从被动式到主动式的变革嘲。 橡胶是一种粘弹性材料，它既能提供合适的弹性又能利用内摩擦产生的阻 尼较好地吸收振动和冲击的能量。人们利用橡胶材料的这种特性，将它与金属 浇注在一起，制成各种结构形式的隔振元件。橡胶悬置按作用形式可分为：压 缩型、剪切性和复合型i f 。 但随着应用的深入，橡胶悬置的各种问题逐渐暴露出来。首先，橡胶悬置 的动刚度和阻尼滞后角随着频率呈线性变化，在外载激励频率范围内变化很小， 阻尼不够大。滞后角一般只有1 0 。左右，因此它只能在某一狭窄的频率范围内 起作用，而无法满足汽车发动机复杂工况下的隔振要求，随着人们对乘坐舒适 性要求的提高，单纯的橡胶悬置已无法满足要求。其次，橡胶不是一种良好的 导热材料，在工作过程中因内部摩擦积聚起来的热量无法释放出去而导致橡胶 材料的失效。橡胶材料也容易受到油渍、臭氧等物质的腐蚀而过早地老化【3 1 。 阜 a ) 橡胶悬置的力学模型b ) 橡胶悬置动刚度的频变特性 图卜2 橡胶悬置的物理模型 液压悬置的出现就是为了解决橡胶悬置应用频率范围过窄和阻尼过小的问 题。1 9 6 2 年，通用公司的r e r a s m u s s a n 申请了第一个液压悬置的专利，体现 了将传统的橡胶悬置和液压减振机构结为一体的思想嘲。1 9 7 9 年原西德的大众 汽车公司第一次在其生产的装有五缸a t t o 发动机的a u d i 轿车上安装了液压悬 置，以适应使用五六缸发动机的轿车对高舒适性的要求。液压悬置开始得到重 视并开始迅速的发展阴。液压悬置的出现不仅部分克服了橡胶悬置的缺陷，也 3 武汉理工大学硕士学位论文 为悬置实现半主动、主动控制开辟了道路。 液压悬置按控制方式可分为被动式液压悬置、半主动控制式液压悬置和主 动控制式液压悬置。 妒” i 睡 1 图卜3 解祸盘式被动液压悬置【4 1图卜4 被动液压悬置的动刚度特性哪 典型的被动式液压悬置包括：节流孔式液压悬置、惯性通道式液压悬置、 解耦式液压悬置。节流孔式液压悬置是利用腔内液体在两腔内流动经过节流孔 时出现的节流效应来产生较大的阻尼以衰减发动机在低频段的振动幅值【1 0 】。惯 性通道式液压悬置则采用惯性通道代替节流孔，利用液柱惯性效应产生更大的 阻尼。其缺点是振动液柱在高频激励下会产生动态硬化，从而增大了悬置的刚 度，恶化了高频段的隔振效果f l i 】。为此，人们引入了解耦式液压悬置。高频振 动下解祸膜或解耦盘能够吸收激振的能量，从而改善高频下的隔振效果1 1 2 】。 图卜5 电流变半主动控制式液压悬置【4 】图1 - 8 压电式主动控制液压悬置1 1 司 半主动控制式液压悬置在液压悬置中引入了闭环式控制系统，它可以根据 输入信号( 如路况、汽车行驶状态和载荷等) 利用低功率作动器调节悬置参数， 优化悬置动特性【l ”。 半主动控制式液压悬置的形式多种多样，有控制节流孔开度的半主动控制 式液压悬置，控制气体弹簧压力的半主动控制式液压悬置，控制节流通道参数 的半主动式液压悬置，根据路况和载荷提供优化阻尼的半主动式液压悬置， 电流变和磁流变半主动式液压悬置。电流变液和磁流变液都是阻尼可控的介质。 电流变半主动控制式液压悬置利用电流变液在外界磁场作用下粘性发生改变的 4 武汉理工大学硕士学位论文 性质来调节液压悬置的阻尼1 1 7 】，磁流变半主动控制式液压悬置利用磁流变液在 外界磁场作用下粘性发生改变的性质来调节液压悬置的阻尼【1 5 】【闻。 半主动控制式液压悬置大多通过调节悬置的阻尼来降低共振范围及低频范 围内的振动，这也决定了被动式液压悬置和半主动控制式液压悬置在高频段的 隔振效果不很理想。主动控制式液压悬置的出现则可以解决这个问题。主动控 制式液压悬置采用闭环控制系统，引入外部动力源，产生与激励同频同幅反向 的振动来抵消激励的作用闭。 主动控制式液压悬置包括附加的外部动力源、作动器、传感器和控制单元。 作动器是非常关键的部件，它必须具有足够快的响应速度并能产生足够大的作 用力。近年来，在传统的流体作动器、气体作动器和电磁作动器基础上，开发 出了多种智能型作动器，如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动 器、磁致伸缩作动器、形状记忆金属作动器等【1 9 】。 由于主动控制式液压悬置的性能优良，基本上可以不受被隔振装置振动特 性的限制。即使被隔振装置的平衡性非常差，振动状况非常恶劣，主动控制式 液压悬置也能提供良好的隔振效果。这样可以免去为改善发动机本身平衡性而 采取额外的措施，如安装平衡轴等。因此主动控制式液压悬置被称为下一代的 悬置t 4 。 液压悬置在国外经过几十年的发展，技术日趋成熟，应用也日渐广泛，最 初在高档轿车上使用，现在已逐渐普及到了其它车型嘲。同橡胶悬置比较，液 压悬置的优势显而易见，但液压悬置的推广也面临许多问题，如成本高、制造 工艺复杂、稳定性不高、维护性差、质量体积大等。在恶劣的环境中( 特别是高 温环境和具有腐蚀的环境，如盐分很多时) ，液压悬置的可靠性不高。虽然液压 悬置可以通过精确地调节以满足某种要求，但调节精度对加工误差非常敏感， 对车辆的类型也非常敏感。此外它对温度的变化也很敏感。相信随着科学技术 的进步，这些问题会逐步得到解决，并得到更广泛的应用刚。 1 2 2 悬置系统设计的发展概况 采用结构先进、性能优良的悬置元件固然可以获得优良的隔振效果，但也 会受到生产工艺、成本、可靠性、安装条件和技术条件的限制，在现有的基础 上，通过合理的选择悬置的数量、安装位置、倾角和各向刚度阻尼值，实现各 阶固有频率的合理配置，则可以最大限度的发挥现有悬置的潜能，是实现优良 5 武汉理工大学硕士学位论文 隔振性能的捷径。 发动机悬置系统设计的发展经历了漫长的过程，最初汽车工程师只能根据 实践中的经验进行设计，后来人们总结经验，将振动理论运用到了量置系统分 析中来，产生了许多有价值的设计思想，今天，性能不断提高的计算机和理论 日益完善的优化技术为悬置设计提供了强有力的手段。经过了数十年的发展， 悬置系统设计已形成了一套比较成熟的设计理论和设计思路。 早在1 9 3 9 年，i l l i f e 就提出了悬黄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上世纪五十年代由h o r i s o n 和h o r o v i t z 完成的，他们将汽车动力总成和车架均视为刚体，将减振橡胶块视为纯弹簧， 利用动力总成惯性主轴特性和撞击中心理论阐述了如何调整橡胶悬置的安装位 置和悬置刚度，使动力总成的前后悬置的振动相互独立，然后分别按单自由度 线性振动系统处理，他们认为系统垂直方向固有频率和绕曲轴方向的固有频率 应小于发动机怠速时相应扰动频率的三分之一，这样可以获得较好的减振效果。 这是较早出现的较成熟的悬置设计理论，对于后人的深入研究有着积极的指导 意义1 2 l 】。 上个世纪六十年代，人们又对橡胶件的动态特性进行了深入研究，逐步完 善了橡胶悬置设计理论。 1 9 7 4 年，s a k a t a 采用机械阻抗法研究了悬置刚度与车内噪声的关系，其研 究结果表明，随着悬置刚度的下降，车内前座椅处噪声在全频带内均减弱，且 悬置刚度每减少一半，噪声水平可降低4 6 d b 。同期，b e l t e r - k n i g h t 利用撞 击中心理论，考虑使悬置点尽可能靠近弹性体振动节点位置，提出合理布置动 力总成悬置的方法瞄j 。 1 9 7 6 年，s c h m i t 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，而振幅则和悬置阻尼大小有关。人们在前人研究结论的指导下， 把悬置系统力学模型进行了简化，以车架为刚性基础，建立了六自由度的刚体 一阻尼弹簧模型，使悬置系统的研究得以进一步发展 2 3 1 。 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，使动力总成悬置系统优化设 计和仿真分析得以开展和研究，具有代表性的有以下几位学者。 1 9 7 9 年，j o h n s o n 首次将优化技术应用于悬置系统的设计，以合理配置系 统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 6 武汉理工大学硕士学位论文 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，且保证了系统六阶固有频率在所期望的范围内邮】。 1 9 8 2 年，r 黜【c c a 以限制悬置空问、悬置位置、刚度、固有频率和振动解 耦等方面来考虑悬置的减振隔振性能，对传统的前置后驱f r 式悬置系统设计进 行了全面总结瞄j 。 1 9 8 3 年，c l a r k 等人对前置前驱f f 式悬置系统迸行了仿真计算，指出由于 发动机振动时车架变形小，因此可以把整车系统分解为动力总成悬置系统和车 身车架系统来研究，用前者的响应作为后者的输入，对两个系统分别进行计算 机模拟和实验验证。 1 9 9 0 年，d m n i c 应用优化技术，以悬置处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，经实验验证该方法具有良好的效果【雄碉 目前的工作存在一些局限性，如在优化时较少考虑车架的弹性以及悬置元 件的非线性特性和阻尼的影响，对采用液压悬置的系统进行优化的工作也较少， 这些问题仍需要进行深入的研究。 1 2 3 国内悬置设计的发展状况 国内对悬置设计的研究起步较晚，主要开始于上世纪八十年代。目前还主 要处于学习借鉴、引进和仿制阶段。吉林大学、清华大学和北京理工大学在这 方面走在前列，取得了大量的成果。2 0 0 3 年浙江骆氏企业玉环塑胶机械厂与北 京理工大学合作，成功地开发出拥有自主知识产权的汽车发动机液压悬置总成， 并通过了浙江省科学技术厅技术鉴定委员会的技术成果鉴赳6 】。对半主动控制 式和主动控制式液压悬置，国内许多大学的学者也进行了深入地仿真和实验研 究，但目前尚未有相关产品面市。北京理工大学对半主动控制式液力悬置进行 的研究包括节流孔可变式液压悬置和磁流变、电流变液压悬置，是国内开展这 一领域最早的单位。随着人民生活水平的提高，汽车工业的大规模发展，汽车 悬置设计逐渐得到广大汽车厂商和科研院校的重视，相关的研究越来越活跃。 1 3 本文研究的主要内容 影响汽车悬置设计的因素很多，在设计的过程中需要反复进行理论计算和 实验验证，因此会花费巨大的人力、物力和时间，尤其是在设计一款新型发动 7 武汉理工大学硕士学位论文 机而样机为出来之前，很难把握设计的效果。如果有一款高效的仿真软件，则 可极大的节省时间和成本，缩短研发的周期。目前应用的悬置设计仿真软件主 要是m s c a d a m s 软件，它主要基于多刚体动力学的原理。a v le x c i t e 软件是奥 地利a v l 公司开发的一款动力仿真软件，它综合应用了有限元和多体动力学的 分析原理，并结合了李斯特公司在发动机设计方面积累的丰富经验。本文主要 探讨了利用a v l e x c i t e 软件( 以下简称e x c i t e ) 进行悬置设计的过程。 本文所做的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) y c 6 l 直列式六缸柴油机的激励源分析，分析了使发动机产生整机振 动的主要干扰力的种类、大小、作用方向和激励频率： ( 2 ) 测量了发动机的整机振动状况，获得了可与仿真结果进行对比分析的 数据； ( 3 ) 测量了y c 6 l 柴油机隔振系统所用橡胶悬置的静态特性和动态特性； ( 4 ) 在e x c i t e 中建立了发动机隔振系统的仿真计算模型，并将仿真结果与 实测结果进行了对比，分析了造成两者误差的原因； ( 5 ) 以发动机悬置系统解耦理论为基础，结合优化设计手段，对y c 6 l 的 橡胶悬置的刚度进行了优化，并将优化后的结果在e x c i t e 中进行了仿真，并对 优化前后的效果进行了比较。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章发动机悬置系统设计理论 发动机悬置系统设计经历了漫长的发展过程，最终形成了一套比较成熟的 设计理论和设计思路。本章主要介绍了单自由度隔振理论和发动机六自由度刚 体解耦理论。 2 1 单自由隔振模型 在悬置设计初期，通常将动力总成悬置系统简化为单自由度振动模型，如 图2 1 所示。虽然这个模型具有很多局限性，但为我们提供了清晰的轮廓，是 发动机悬置系统分析的基础。 出+ 硒 图2 - 1 单自由度积极隔振模型 由牛顿第二定律得到系统的动力学方程： m j r + 西+ h = ， ( 2 - 1 ) 式中，m 为被隔振装置的质量；f 为阻尼系数；七为弹簧刚度。 解之可得 x = 以p 加讲) = ( 2 - 2 ) 式中 万=旦co，激振频率国与系统固有频率之比，=砉，脚脂；o y 小 善2 丢，系统阻尼c 与临界阻尼c o 之比，简称阻尼比，在o 1 之间，c 。2 2 磊； 9 武汉理工大学硕士学位论文 。= 譬，简谐激励力的力幅磊相等的恒力作用在系统上所引起的静位移； 2 i i x i2 矿丽1 ，称为运动响应系数； 口：蝴；氅，响应x 与激励f 之间的相位差。 1 一万。 图2 2 运动响应系数图2 3 力传递率曲线 从而可以求出传递到基础的力 b = d + 缸；只1 产兰掣坠p ，扭 ( 2 3 ) ( 1 一石2 r + ( 2 万) 2 在积极隔振中，最重要的评价指标是力传递率瓦，即隔振装置传递给基础 的力f 幅值与传给隔振装置的力昂幅值的比值靠 耳= 斜2 焉 协4 ， 力传递率曲线如图2 - 2 所示，对力传递率曲线进行分析可以获得以下结论： 1 、无论阻尼比善如何变化，力传递率曲线都通过点( 1 ，2 ) ，因此只有 当 2 时，才能实现隔振的目的。苟越大，隔振效果越好，但耳减小的趋 势逐渐变缓。令隔振效率，= ( 1 一靠) 1 0 0 ，可以看出，当石 5 时，基本不 再变化而趋于水平。这表明，对一定的激振频率( - 0 而言，如果隔振器设计的过 l o 武汉理工大学硕士学位论文 软，隔振效果不明显，反而增大了装置的静挠度，装置的稳定性交差，隔振器 的尺寸相应也要增大。因此实用的石值一般在2 。5 4 ，5 之间，相应的隔振效率 为8 0 9 0 ，如果不能保证万 j 2 ，最好使万o 8 ，以免隔振系统在共振区 工作。 2 、在石 2 时，阻尼- i = ：a 使耳数值减小，但当万2 时，阻尼的存在和 增加反而使耳增大，因此从隔振角度考虑，阻尼是个不利因素。但是为防止工 作中随机出现的外界冲击和扰动引起过大的振幅和长时间的自由振荡，常人为 的增加阻尼以抑制振荡，特别是在启动和停车通过共振区时，保持必要的阻尼 更是必要： 与刚性连接相比，采用弹性支承后，内燃机整机振动状况一般会加剧，有 时会增大2 3 倍。因此进行内燃机隔振装置设计时，即要考虑隔振装置的效能 品，也要考虑隔振后整机振动状况，这两方面的有些要求是一致的，如避 开共振和保持足够大的万) 值，有些要求则是矛盾的，例如阻尼对品和乙的 影响是相反的，故要做全面的考虑【3 】。 2 2 发动机刚体六自由度振动理论 实际上发动机悬置系统并不是一个简单的单自由度振动系统，它是一个空 间体，在六个方向都会存在运动，要准确分析发动机悬置系统的运动规律，必 须建立发动机悬置系统六自由度振动模型。 - 讳 图2 _ 4 发动机六自由度模型f 4 】 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 六自由度术语介绍 为了对发动机悬置系统六自由度振动进行描述，建立空间直角坐标系 o x y z ( 以发动机质心为原点，y 轴平行于曲轴指向自由端，z 轴竖直向上) ，发 动机的运动状态可以表示为沿x 轴、y 轴、z 轴的平动( x 、j ，、z ) 以及发动机 绕工轴、y 轴、：轴的转动( 口、夕、，) 。 为了方便说明，将动力总成沿六个方向运动的术语统一如下： 表2 1 动力总成六自由度运动术语 运动名称英文称谓运动描述 横向l a t e r a l沿x 轴 纵向 l o n g i t u d i n a l沿曲轴指向飞轮 垂向v e r t i c a l b o u n c e竖直向上 横摇 r o l l 绕y 轴转动 纵摇 p i t c h绕x 轴转动 平摇 y a w绕z 轴转动 四点支承中各悬置的称谓如表2 - 2 所示。 表2 2 四点支承中各悬置点方位及称谓 方位描述 前左悬置靠近自由端，+ x 方向 前右悬置靠近自由端，- x 方向 后左悬置靠近飞轮侧，+ x 方向 后右悬置靠近飞轮侧，x 方向 2 2 2 发动机悬置系统运动微分方程的建立 在建立六自由度悬置系统运动微分方程以前先提出以下六点假设刚： ( 1 ) 研究表明，一般悬置系统的固有频率都在3 0 h z 以内，而无论机组还是 底架结构当作弹性体时其一阶固有频率都在6 0 h z 以上，两者相去甚远，因此可 以将机体假设为刚体，质量集中在质心处； ( 2 ) 橡胶悬置的质量与发动机相比忽略不计，也不考虑悬置质量和阻尼的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 影响； ( 3 ) 机体的位移很小，橡胶的变形在弹性范围内，因此将橡胶悬置简化为 三根互相垂直的线性弹簧模型； ( 4 ) 车架视为刚体； ( 5 ) 各种管线、进排气管与外部管路之间的柔性连接、输出轴端的万向联 轴节的影响在此不予考虑； ( 6 ) 燃油、冷却水和润滑液的影响暂时不纳入计算。 系统运动微分方程的建立采用拉格朗日方程法，拉格朗日方程是建立系统 振动微分方程的普遍方法，对于复杂系统，用拉格朗日方程来建立系统的运动 微分方程更具有优越性。拉格朗日方程为【3 2 】： 要( 争一署+ 等：g ( 闩，川( 2 - 5 ) d l 、钧f 。q | 8 q ? 。 j 式中，n 为系统自由度数；q ，为第_ ，个广义坐标，在这里，广义坐标为( x 、_ ) ，、 z 、口、，) ；t 为惯性元件提供的系统动能；u 为弹性元件提供的系统势 能；q ，为不包括弹性恢复力的与广义坐标碍，对应的广义力。它不包括阻尼力和 外加激励力。 要运用拉格朗日方程进行分析，首先须获得发动机悬置系统动能和势能的 表达式。 发动机悬置系统的动能可以表示如下： r ；三岩7 肘启( 2 6 ) 式中： 岩广义速度向量，岩= ( i 夕j m 质量矩阵，表达式为m = 研 0 0 o 0 o 0 0 0 一j 。 一j 。 3 | 。所为发动机 质量，z 为系统绕第辞由的转动惯量，以为系统的惯性积，( f ，_ ，= x _ ，z ) 1 3 一 一 o o o 如0 如 f = 2 ) o o o ，j 矿o o o 以也吨 o m o o o 瘟 o m o o o o 武汉理工大学硕士学位论文 系统的势能可以表示如下： u = x t k x 式中： x 广义位移向量，j = ( xyz0 1 ，) 7 茁刚度矩阵，表达式为k = k 。七。k 。 k k 口k k 。k 。k 。 k 。七。k , a k x bk 归k 罐 k k k ” k | 。k 嵋k h * k 喟k p y k z ；k 。bk z y k 。k 邱k q k 邸k 卵k 舒 k k 竹k ( 2 7 ) ，k 为系统沿 第f 个方向的刚度，屯为系统第f 个方向和第，个方向的耦合刚度，( f ，j = xy za 母y 、。 将发动机悬置系统动能r 和势能【，的表达式带入拉格朗日方程中可以得到 系统的无阻尼自由振动微分方程为： 谚x + x x = 0 ( 2 1 8 ) 式中，m 与系统的质量特性相对应，所以称为质量矩阵；k 与系统的刚度特性 相对应，所以称为刚度矩阵。 考虑到外力和阻尼力的作用，系统完整的运动微分方程可以表示为： m z + c z + k - x = f ( 2 9 ) 式中：c 称为阻尼矩阵：，称为外力向量。 2 2 3 发动机悬置系统质量矩阵和刚度矩阵 2 2 3 1 质量矩阵 发动机的质量惯性是决定发动机悬置系统振动特性的重要因素，它的表达 式也与坐标的选取有关。 i 以一，f 一，。f 其中，= | 一j ， ， 一以i 称为惯性矩阵。 一j 。一j 口 jz 刚体的转动惯量和惯性积的求算公式为1 3 3 】 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 、 以= f c y 2 + z 2 ) d i n( 2 1 0 ) 以= ( x 2 + z 2 ) d i n ( 2 1 1 ) 以= b 2 + j ，2 ) d i n( 2 1 2 ) 勺= j 劫翻 ( 2 1 3 ) j 口= 1 皿 m q - 1 4 ) 止。j 砌( 2 - 1 5 ) 除了形状极为简单的机组外，要解上述公式是很费事的。为此通常将整个 机组分成几个组成件，每一个组成件的形状比较简单，且假定质量分布均匀， 这样就可套用现成的资料，而整个机组的质量惯性矩就可以这样来确定：首先 定出各个组成件相对于通过它们各自质心的，又平行于整个机组的三个参考坐 标轴各个轴线的质量惯性矩，然后再折算成环绕整个机组参考坐标系的质量惯 性矩，最后取其总和。用公式来表达就是： ，= 2 一埘，- 2 】 ( 2 - 1 6 ) 式中： 苫 以第i 个组成件在其自身质心坐标系下的惯性矩阵； 辨，第i 个组成件的质量； 第f 个组成件的质心在参考坐标系中的坐标方阵，其表达式为刚 f0 一气儿1 2 i 钆0 吖”i l 一儿k 0 j 值得注意的是在按上述公式计算发动机的惯性参数时，必须考虑到曲轴连 秆机构、飞轮、发电机转子等对曲轴中心线的回转惯性矩和机体、外壳、底座 等固定部分是毫无关联的，在计算时应将这部分惯性矩除去 对于刚体上任意两套坐标系的惯性矩阵的关系可用下式表示： 以= c ”【以- - ? 8 ( 五。一) 】( c ”) 7 ， ( 2 - 1 7 ) 式中，z 为坐标系l 下的惯性矩阵：以为坐标系2 下的惯性矩阵；m 为刚体的 质量；c 1 2 为坐标系1 相对坐标系2 的方向余弦矩阵；足、为刚体质心在坐 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 标系1 和坐标系2 中的坐标方阵。 2 2 3 2 剐度矩阵 刚度矩阵k 可以通过下式得到圈 k ；尉7 占，j d f 研f ( 2 - 1 8 ) i f f i l 式中： 盯发动机支承的数目； i l0 00 五 一y ，1 只第f 个悬置弹性中心坐标形成的矩阵，f = 10 l 0 - - x ，0ti ； l o 0 l乃一毛0j 卜，0 01 肼第f 个悬置三向主弹性轴刚度形成的对角矩阵，d i = l 0 _ j 0i ： l 0 0 | 。i 且第f 个悬置三向主刚度轴在参考坐标系中的余弦矩阵，它的表达式为 lc o s 8 p , c o s 铅c o s 以l e = lc o s 以 c o s # p 。 c o s 妒。i ，、如、y 为与o x y z 三个坐标轴正向的 l c 0 8 c 0 8 y c o s h j 夹角，其他角度同理表示。 上面提到的橡胶悬置的弹性主轴与弹性中心是指，当力沿橡胶悬置的某一 轴线作用时，橡胶悬置只发生与力的作用方向相同的位移，而不会因发生转动 而产生角位移，则称该轴线为橡胶悬置的刚度主轴或弹性主轴，橡胶悬置在该 轴向的剐度称为主刚度或主弹簧常数。通常所说的悬置的刚度指的是悬置在刚 度主轴方向的刚度。一般橡胶悬置存在三个相互正交的主惯性轴，它们相交于 一点，这一点称为橡胶悬置的弹性中心【3 5 1 。 2 ，2 4 系统的固有频率和振型 发动机悬置系统设计的最重要目标是避免共振，因此需要获得系统的固有 频率和振型。上面已经得到了系统的运动微分方程m j + c j + 足x = f ， 考虑到固有频率与外力无关，同时阻尼通常很难获得，它对系统固有特性的影 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 响不大，所以只需对系统的自由振动方程m j + k x = o 进行分析。 令膨j + 置x = 0 的特解为x = a 伊s i n ( o x + 们，再令珊2 = 五代入可得 x 妒= a m y( 2 1 9 ) 求系统固有频率和振型的闯题即为求上式广义特征方程的特征值和特征向 量的问题。由于一些特征值的求解方法只适用于标准特征值问题，在实际运算 时可用矩阵三角分解的方法如c h o l e s k y 分解将广义特征值问题转化为标准特征 值问题。方法如下： 对质量矩阵进行c h o l e s k y 分解， m=llr(2-20) 式中，矩阵三为下三角分解。引入新的列向量万= l r q y ，则有 k币=狮(2-21) 式中，詹= l - k l - 7 为刚度矩阵的k 的合同变换矩阵阁。 2 3 发动机悬置系统的解耦设计 在几乎所有的情况下，发动机六个自由度的运动都不是彼此独立的，而是 相互耦合的，也即某个方向的运动必然也会引起其它方向的运动，耦合在运动微 分方程中的表现就是质量矩阵和刚度矩阵非对角线上的元素不为零，分别称为 惯性耦合和刚度耦合。耦合的存在对降低发动机的振动是不利的，主要表现在 以下几个方面i j7 j ： ( 1 ) 在某个自由度上多一联刚度耦合，该自由度上引起共振的机会就多一次； ( 2 ) 刚度耦合会使系统的两阶耦合模态固有频率的分布范围扩大； ( 3 ) 刚度耦合使振动加强。 在实际中特别应尽量避免旋转振动和平移振动之间的耦合。因为旋转振动 和平移运动耦合时，发动机平移运动同时会激发机械的旋转运动。旋转振动与 平移振动不同，其加速度大小在机械各个部分是不同的，可能在远离旋转中心 的位置产生想象不到的很大的加速度【3 町 解耦就是通过调整悬置的数目、安装位置和角度，解除发动机各向运动之 间的耦合。解耦是改善隔振效果的重要设计方向。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 发动机悬置系统完全解耦的条件 2 3 1 1 刚体的惯性主轴 刚体绕通过某点的轴线旋转时，由于离心力的作用一般会产生一个使转轴 改变方向的力矩，这与刚体质量分布的均匀程度有关。若该力矩为零，则称该 转轴为刚体的惯性主轴。可以证明刚体过质心存在三个相互正交的惯性主轴。 其特点是在以质心为原点，三个惯性主轴为坐标轴建立的坐标系下的惯性矩阵 非对角线元素为零，即所有的惯性积为零，从而实现