文献综述-发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计

发动机动力总成悬置振动分析与优化设计王霄1、前言发动机悬置系统是发动机动力总成与车架之间通过弹性元件连接而成的系统。发动机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，前者为主动隔振，后者为被动隔振。在现代汽车的研究中，动力总成悬置系统的分析和研究日益受到了重视和关注。回顾了发动机悬置系统研究发展的历史，介绍了发动机悬置系统的研究现状及一些主要的分析优化方法。2、动力总成悬置设计动力总成悬置系统作为发动机应用工程的重要组成部分，其功能和设计原则大致如下隔离振动，尽可能降低动力总成和车架之间的双向振动传递，满足汽车平顺性和舒适性要求；支承和限位，控制动力总成相对车架运动和位移，并要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；保护动力总成，防止动力总成某些部位因承受过大的冲击载荷而损坏。同时，应满足发动机制造厂对悬置支架的尺寸和悬置点位置的限制要求；悬置系统的零部件必须有足够的强度和可靠性；悬置系统应装配简单、拆装方便和维修性好；悬置零部件应符合通用化、标准化和系列化要求1。动力总成悬置系统设计基本程序可以描述为概念方案设计试验（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。其中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，从而可以减少道路试验和产品试制的时间和次数，避免了重复设计，减少了开发成本。悬置系统优化设计时，悬置元件的刚度、发动机的安装位置、各个悬置的安装角度等因素存在一定的耦合，因此应综合考虑全部因素进行优化设计；悬置元件的力学特性及其参数的选取影响着悬置元件本身的各向特性分析，因此悬置元件对悬置隔振性能的影响仍有必要作进一步的研究；在实车布置中，建立的动力总成悬置系统和整车刚柔耦合多体动力学模型需要进行反复地研究论证；传动系统的扭转振动也是影响汽车整体振动的一个重要因素。3、国外关于发动机动力总成悬置系统的研究概况汽车诞生之初，动力总成是直接用螺栓等刚性地固定在车架上，发动机的振动和噪声直接传递到车体，造成发动机缸体和支架很容易损坏，乘车舒适性也很差。随着对汽车舒适性要求的提高，人们在1920年开始用橡胶件来连接动力总成和车架，橡胶件良好的减振隔振特性，减少了动力总成和车体之间的振动传递。早在1939年，ILLIFE就提出了悬置系统设计的一些基本原则，但比较为人熟知的是在20世纪50年代由HORISON和HOROVITZ提出的六自由度解耦理论和计算方法，他们将汽车动力总成和车架都视为刚体，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。他们的研究成果是最早的较成熟的悬置设计理论。最近三十年来，计算机技术的发展和更有效的振动分析方法的应用，使悬置系统的设计和研究、仿真分析的开展更为方便快捷。1979年，JOHNSON首次将优化技术应用于悬置系统的设计，他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，以悬置刚度和悬置安装位置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。1982年，RRACCA以限制空间、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FR式悬置系统设计进行了全面总结。1987年，HHATA和HTANAKA对怠速工况下发动机悬置系统的振动进行深入研究，并得出优化悬置位置的效果好于优化悬置刚度，车身弯曲共振频率应高于怠速频率，动力总成的共振频率应小与05倍的怠速频率的结论13。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做了大量的研究工作。理想的动力总成悬置为了有效衰减因路面和发动机怠速燃气压力不均匀引起的低频大振幅振动，应具有低频大阻尼高刚度特性；为降低车内噪声，提高操纵稳定性，应具有高频小阻尼低刚度特性。如图1所示为理想的动力总成悬置的特性曲线与橡胶悬置特性对比。显然，这些是橡胶悬置无法满足的。于是，新一代的液压悬置应运而生了。20世纪40年代，HARDING和STRACHOUSKY先后提出将液力减振机构与橡胶悬置组成一体思想。之后，外国汽车公司在液压悬置进行了大量研究并投入使用。液压悬置是传统橡胶悬置与液力阻尼组成一体的结构，图2为解耦膜式液阻悬置结构简图。液压悬可以具有理想的动态特性2。经过三十多年的发展，液压悬置的设计生产技术日趋成熟，已成为动力总成悬置未来发展的必然趋势。4、国内动力总成悬置系统研究的概况国内学者也对悬置系统进行了积极的研究工作。1983年起，徐石安等人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，取得较好的成果15。1985年，潘旭峰等人结合某型客车动力总成悬置参数设计问题，应用模糊集理论，通过移频、解耦，降低悬置处响应力等各种途径，对悬置参数进行模糊多目标化，得到了较好的综合效果。之后，上官文斌等人从工程实用角度出发，给出了动力总成悬置优化设计的方法，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12。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，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。1999年，裘新等人建立了某型车动力总成的液压悬置及副车架系统的非线性力学模型，并进行系统固有振动特性的模拟计算，同时对液压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8。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，其研究方法有一定的指导意义9。2009年，金永福和王建运用CAD软件设计了新型的燃料电池电动汽车动力总成橡胶悬置系统，使橡胶悬置系统应用于新能源车辆上。近些年来，国内许多学者和研究人员通过试验测量得到动力总成悬置系统基本参数，然后采用ADAMS软件建立具有六自由度的动力总成悬置系统的三维动力学模型,利用参数化分析方法对动力总成悬置系统进行了优化分析,通过对比分析,优化后响应力振幅以及质心加速度响应和优化前相比均有明显降低,说明参数化优化方法基本是成功的,从而有效提高了动力总成悬置系统的隔振性能1718。5、结束语汽车动力总成悬置是一个复杂的系统,目前国外对于悬置元件研究理论已经很成熟、完善。随着半主动、主动控制技术的进一步发展,对于悬置元件而言,本身性能将更加完善。对于国内研究者和汽车企业而言,未来对于悬置的研究应侧重悬置系统优化方面,研究悬置的布置方式、安装角度等对于提高整车隔振降噪性能的影响。这些对于提高国内隔振技术水平,降低车辆振动与噪声,增强汽车产品竞争力具有重要的意义。6、参考文献1季晓刚,章应雄,唐新蓬汽车动力总成悬置研究的发展J汽车科技,2004,012王利荣,吕振华汽车动力总成液阻型橡胶隔振器的研究发展J汽车工程,2001,053张微动力总成动态特性与振动控制研究,硕士学位论文,天津大学机械工程学院,20084姚明汽车发动机悬置系统设计,硕士学位论文,武汉理工大学,20075孙林峰,樊文欣发动机悬置技术的发展研究J内燃机,2010,036张玉增,柴山,刚宪约,牛恩拂发动机悬置系统的研究综述J农业装备与车辆工程,2012,017张国旗浅谈汽车动力总成悬置研究发展黑龙江交通科技J,2009,048裘新,吕振华,林逸,邵成轿车动力总成液压悬置及副车架系统隔振性能的研究J汽车工程,1999,039吕振华,梁伟,上官文斌汽车发动机液阻悬置动特性仿真与实验分析J汽车工程,2002,0210吕振华,范让林动力总成悬置系统振动解耦设计方法J机械工程学报,2005,0411钱留华,唐新蓬,陈丽载重车动力总成悬置系统隔振性能的仿真分析J现代机械,2005,0112上官文斌汽车动力总成悬置系统振动控制设计计算方法研究J振动工程学报，2007，20（6）13STEVEJ,GAUANDJERRYD,COTTONEXPERIMENTALSTUDYANDMODELINGOFHYDRAULICANDENGINESYSTEMCSAETRANS95134814SU,HANDHUA,Y“CAEVIRTUALDESIGNVALIDATIONTESTSOFAUTOMOTIVEENGINEMOUNTSYSTEMS,“SAETECHNICALPAPER2009010404,2009,DOI104271/200