现代汽车动力总成悬置系统的发展.docx
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现代汽车动力总成悬置系统的发展
现代汽车动力总成悬置系统的发展
一、汽车动力总成悬置系统设计的发展概述
从上个世纪五十年代起,汽车行业对动力总成的隔振、降噪研究做了大量的工作,取得了显著的效果。
较为成熟的六自由度解耦理论和计算方法由Anon、Harison和Horovitz完成的,他们将汽车发动机动力总成和车架视为刚体,将减振橡胶块视为单纯的弹簧,利用发动机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,使发动机动力总成的前后悬置的振动互相独立,然后分别按照单自由度线性振动系统处理,他们认为系统垂直方向的固有频率与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。
这些较早提出的设计理论对于后人的深入研究有着积极的指导作用。
1965年,美国通用汽车公司的TimpnerF.F通过合理布置发动机悬置元件来进行发动机动力总成悬置系统解耦设计。
他指出通过合理的布置悬置元件,使它们的弹性中心位于发动机动力总成悬置系统的质心处或主惯性轴上,己达到发动机动力总成悬置系统振动解耦的目的。
1979年,美国通用汽车公司的StephenR.Johnson首次将优化技术应用于悬置系统的设计,以合理匹配系统固有频率和实现各个自由度之间的振动解耦为目标函数,以悬置元件刚度和悬置元件安装位置为设计变量进行优化计算,并推出COEMS软件,结果使系统各振动自由度之间的振动耦合大为减少,同时保证了悬置系统六阶固有频率在期望的范围内。
1982年,R.Racca以限制悬置空间、悬置位置、悬置刚度、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式悬置系统进行了全面地总结。
1984年,GeckP.E.等人将发动机悬置系统的最主要作用看成隔离低频域振动,这就要求它的侧倾固有频率要低,以吸收发动机不平衡扭矩引起的振动。
因此,他们以侧倾解耦,低化侧倾模态为目标对悬置系统进行优化,并提出了较合理的悬置设计原则。
1987年,H.Hata和H.Tanaka对怠速工况下发动机动力总成悬置系统的振动进行了深入的研究,指出优化悬置刚度的效果不如优化位置好,因为刚度只能控制振幅,不能控制相位;车身弯曲共振频率应高于怠速频率,且越大越好;发动机动力总成悬置系统共振频率应小于
倍的怠速频率。
1990年,M.Demic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,该方法具有适合橡胶悬置和液力悬置的优化设计的特点。
1993年,JohnBrett提出了一种和传统发动机动力总成悬置系统设计理论不同的方法——最小响应设计方法。
他的方法是以车厢的振动响应最小为设计目标,而不像传统的设计方法以合理的汽车动力总成的刚体模态为设计目标。
1999年,TsuneoTanak等人将动力总成悬置系统纳入整车模型,并利用有限元分析技术,描述了降低怠速时整车振动的方法。
国内汽车行业对动力总成悬置系统的研究起步较晚,随着近年来汽车工业的快速发展,吉林大学,清华大学,一汽技术中心,二汽等有关单位结合不同国产车型的结构、特点,从不同角度对发动机动力总成悬置系统进行了研究分析,在提出改进方案的同时,也逐渐提出了自己的设计理论和方法。
吉林大学史文库和林逸以Audi100轿车为研究对象,认为其发动机悬置支承在弹性基础上。
在建模计算分析时,考虑了弹性基础的作用。
通过四端参数理论,重点分析了弹性基础在发动机动力总成悬置系统隔振方面的影响,得到了如下的结论:
发动机悬置支承基础的弹性作用是悬置在高频域隔振效果变差的原因。
阎红玉和徐石安应用发动机动力总成悬置系统的能量解耦方法进行发动机动力总成悬置系统的优化设计。
他们根据发动机动力总成悬置系统的能量分布得到系统的解耦的能量指标,并以该能量指标为优化设计目标,以系统的固有频率为约束条件,应用DSFD(转动坐标轴直接搜索可行方向法)算法进行优化计算。
并对某一轻型货车发动机动力总成悬置系统进行优化计算表明,仅通过调整悬置刚度参数可提高解耦水平。
徐石安根据传递函数分析振动的方法,探讨了发动机模型简化的理论基础、隔振和解耦的关系,以及更适合于计算机寻优的解耦方法。
上官文斌和蒋学锋以发动机动力总成悬置系统的固有频率为目标函数,提出了优化设计方法。
他们引入了扭轴的概念,并在扭轴坐标系中建立悬置系统的振动方程,对悬置系统进行优化,其优化参数可直接用于设计。
长安汽车股份有限公司的周舟,王晓光等人运用Adams/View建立某轿车整车多体动力学模型,在建模过程中,通过定义高阶传递函数实现对悬置的动刚度和损失角特性的模拟;在仿真过程中,通过刚体模态分析、动力总成质心位移和转角计算以及典型工况的仿真,成功地预测了悬置系统的性能。
上海交通大学马海军,赵建才等人针对某国产轿车的橡胶悬置系统,应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了动力总成橡胶悬置系统六自由度的动力学模型,将悬置元件的平动位移和角位移作为重点比较对象,讨论了悬置元件的安装角度和刚度系数对上述性能参数的影响。
重庆大学周昌水,邓兆祥等人以某前置前驱四缸四冲程横置发动机悬置系统为研究对象,利用Maxwell模型对橡胶悬置和液压悬置进行动力学参数化并实现其频变特性,在Adams/view中建立悬置系统动力学分析模型与整车刚柔耦合动力学模型。
通过模态解耦优化,提高动力总成悬置系统主要激励方向的模态解耦程度。
合肥工业大学方锡邦,陈树勇等人应用Adams软件,建立了动力总成悬置系统六自由度的动力学模型。
采用模型参数化分析方法,讨论了悬置的性能参数对系统隔振性能的影响,以悬置的性能参数为设计变量,以系统振动传递率最小为目标函数,对动力总成悬置系统进行了优化设计。
东南大学的张蓓蓓,张启军等人应用汽车发动机悬置系统刚度矩阵解耦法,对悬置参数进行优化计算,实现了发动机悬置系统沿Z向和
向的振型解耦,以达到控制整车振动的目的。
浙江大学叶向好,郝志勇等人运用MATLAB的强大数值分析和矩阵运算,对发动机总成悬置系统动力学建模和理论分析,在合理匹配悬置系统固有频率的过程中,引入了六自由度能量解耦原理,根据能量分布矩阵对某一发动机的悬置参数进行了改进设计。
南京理工大学王显会,李守成等人应用ADAMS软件对动力总成悬置系统模型进行动力学仿真分析,合理配置各阶固有频率;综合运用弹性中心理论和能量解耦方法对动力总成悬置系统进行了优化设计。
清华大学范让林,吕振华等分析了汽车动力总成-悬置系统的振动激励、质量矩阵、刚度矩阵各元素的特点及其相互关系,阐释了系统弹性解耦设计的理论基础和重要性。
应用V形悬置组的弹性解耦原理,论述了目前普遍应用的三点式悬置系统在弹性解耦设计方面的问题,提出了悬置布置设计匹配的有效方法。
这些作者提出的分析动力总成悬置系统的方法,以及悬置系统支承参数的设计、优化方法,基本都是对悬置系统的固有频率进行配置,使之移出激励的激振频率范围;对系统各自由度进行解耦设计;使支承处的动反力最小进行设计。
都是针对动力总成低频隔振进行的。
二、汽车动力总成悬置的发展状况
一个多世纪以来,发动机悬置经历了从无到有,逐步发展的过程。
最初发动机是直接刚性的连接在车架上的,随着科学技术的发展及人们要求的提高,汽车开发者在发动机与车架之间加入了各式各样的元件,如软木、皮革、钢弹簧等,但隔振性能还没有得到明显的提高。
到了1920年,随着人们对橡胶的认识水平的提高,最初的橡胶悬置元件开始在汽车上得到了应用。
此后,各种成分和形状的橡胶悬置被研制出来,以求能最有效的减小发动机与车架之间的振动传递。
橡胶具有很多优点:
橡胶的弹性模量比金属的小,隔振效果显著;橡胶件的形状不受限制,各方向的刚度可在一定范围内自由选择,具有空间弹簧特性,能承受多向载荷;利用内摩擦产生的阻尼,能较好的吸收振动和冲击能量,所以兼有弹簧和阻尼器两种作用;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;且结构简单,价格低廉,适合成批生产。
一般来说,天然橡胶综合的物理机械性能较好,而合成橡胶能满足某些特殊的要求。
防振橡胶要求有良好的消音、隔振及缓冲能力,能耐一定的温度、性能稳定,制造方便、易于制成所需形状,单位面积的承载能力大以及使用寿命长等。
图1橡胶悬置的结构型式
橡胶悬置的弹性特性与结构型式、自由表面形状、橡胶硬度等因数有关。
按其结构型式橡胶悬置基本可分为三类:
剪切型,压缩型,复合型,如图1所示。
压缩型负荷大,体积小,相对复合型来说结构简单,但对压缩—剪切刚度比有限制,一般要求大于4。
不同形状的橡胶悬置,用于不同车型的前支承或后支承,结构型式一旦完成,可以通过改变橡胶硬度来改变弹性特性。
图2橡胶悬置的机械模型图3橡胶悬置的动刚度曲线
橡胶悬置可以由图2所示由Swanson建立的模型表示,它由一个弹簧和一个粘性阻尼构成。
因为阻尼的原因橡胶悬置的动刚度在高频时会比在低频时显著增加,如图3动刚度曲线所示。
橡胶悬置的这个特点使得要设计一个满足所有要求的悬置很困难。
高刚度大阻尼悬置在低频时可以提供很好的隔振性能,但在高频时性能很差;而低刚度小阻尼可以很好的隔离噪声,却在低频时降低了隔振性能。
随着人们对汽车的舒适性和平顺性的的要求越来越高,纯橡胶块的结构已不能满足要求。
人们在此基础上,开发出了具有附加质量的橡胶悬置和并联液力减振器的橡胶悬置。
附加质量的橡胶悬置是利用附加质量吸收发动机悬置系统的振动,采用的是动力吸振器原理。
并联液力减振器的橡胶悬置是利用液压阻尼来增加悬置阻尼。
六十年代,通用公司申请了第一个液力悬置专利。
到了七十年代末,大众公司开始在Audi上应用液力悬置。
随后的二十年里,世界上各大汽车公司都相应的研究开发了用于不同汽车的液力悬置系统,其控制方式也从被动控制式液力悬置发展到主动控制式液力悬置,并取得了满意的效果。
相比于橡胶悬置,液力悬置具有良好的动特性,它能满足汽车不同的减振降噪要求:
在低频大振幅时有较大的阻尼,可有效衰减汽车振动;在高频小振幅时又具有较低的动刚度,可以降低车内噪声,特别是降低车腔共鸣声。
图4某汽车动力总成液压悬置结构
1.联接螺柱2.金属骨架3.橡胶主簧4.缓冲限位盘5.解耦盘
6.惯性通道入口7.惯性通道体上半部分8.惯性通道
9.惯性通道体下半部分10.底膜11.底座12.安装定位销
13.联接螺栓14.空气室15.气孔16.补偿孔
液压悬置的基本原理如图4所示。
当橡胶主簧承受动态载荷上下运动时,产生类似于活塞的泵吸作用。
当液压悬置受到低频、大振幅的激励时,如果橡胶主簧被压缩,上腔体积减小,压力升高,迫使液体流经惯性通道被压入下腔;如果橡胶主簧被拉伸,上腔体积增大,压力减小,下腔内液体流经惯性通道被吸入上腔。
这样,液体经惯性通道在上、下腔之间往复流动。
当液体流经惯性通道时,惯性通道内液柱惯性很大,在惯性通道的出、入口处为克服惯性通道内液柱的惯性损失了大量的能量,称之为“惯性能量损失”。
它使得液压悬置能很好地耗散振动能量,从而达到衰减振动的目的。
由于橡胶主簧有一定的体积刚度,在压力增加时,会膨胀变形,占用一部分液体体积;同时,有一小部分液体经解耦通道、补偿孔流入下腔,这两个旁流对低频大振幅振动时的惯性能量损失有一定的负影响。
在高频小振幅的激励下,惯性通道内液柱的惯性很大,液柱几乎来不及流动。
此时,由于解耦盘在小变形时刚度特别小,解耦通道内的液柱与解耦盘高速振动,上下腔的压力克服解耦通道内液柱的惯性力而使得液柱具有的动能在解耦通道的入口和出口处被损失掉了。
从而可以降低液压悬置高频动刚度,消除动态硬化。
随着对液压悬置的深入研究,液压悬置的结构逐渐复杂,生产技术逐渐成熟,应用范围日趋广泛。
国外轿车基本上采用了液力悬置系统,一些货车和客车也装上了液力悬置。
虽然目前在我国的载货汽车上广泛使用的还是橡胶悬置,但完全可以预计,随着技术的完善和生产成本的进一步降低,液力悬置将最终取代传统的橡胶悬置。
对于动力总成系统的隔振,理想的隔振悬置要求在干扰低于某一极限频率时,有足够的刚度来传递低频载荷(包括重量),高于某些频率时,要求隔振器刚度非常小,甚至为零,使高频振动不能被传递。
悬置系统既要降低谐振点附近的幅值,又要求有更好的高频隔振效果,传统的被动悬置难以做到,而在被动悬置中加入主动元素,采用主动控制隔振是解决上述矛盾的一个很好的途径。
在主动控制中,为了抑制系统干扰力的传递,一般需一个或多个激振器来产生抑制力,即由主动的能量源不断地供应能量来抵消目标能量源不断产生的能量。
典型的主动悬置系统一般由被动悬置(弹性或液压)、产生力的激振器(作动器)、传感器和控制器组成。
当控制器失效时,被动悬置用来支撑动力总成并仍起一定的隔振作用。
作动器应具有较好的动态特性,能迅速响应控制信号。
对于主动控制系统,传感器和作动器(执行器)是不可缺少的重要器件。
常用的传感器一般有加速度传感器、速度传感器和位移传感器,有时还用到力传感器。
作动器又称执行器,在主动控制系统中负责提供主动控制力,减少机体的振动。
作动器的选择应该根据其应用场合,在体积、功率、能源提供、可利用力、频响带宽、输出位移、成本和可靠性等方面加以考虑。
作动器的类型较多,特别是随着科技的发展,出现了很多新型的作动器,大大提高了主动控制系统的性能,拓宽了应用范围。
常用的作动器有磁致伸缩、电致伸缩作动器和形状记忆合金作动器等。
在设计主动悬置时,有两个条件需要考虑:
一是当主动系统出现异常情况(如作动器,控制器或传感器失效)时,主动悬置应像被动悬置一样工作,也就是说即使主动系统不工作,悬置也能起到一定的隔振作用。
二是主动悬置能源的消耗不能太大,应在车辆本身可以提供的能量范围之内。
为减小功率消耗,通常动力总成由被动弹簧元件支撑,另外,往往在动力总成和作动器之间还要插入另一弹性元件,这样可减轻由于主动悬置元件失效而引起的冲击,也保证了作为被动悬置的性能,图5(a)中的简化结构符合以上两个条件,动力总成的重量主要由左边的弹性元件来支撑,动力总成与作动器之间有另一弹簧元件作缓冲之用。
图5主动悬置简化结构
在实际设计中,根据作动器的性质还可以演变成另外几种结构。
当作动器本身不能承重时,可采取图5(a)或(b)的结构;而当作动器本身可以承重且输出力较大时可以采用图5(c)或(d)的结构。
三、汽车动力总成悬置系统的研究方法
1)理论研究
多数研究者进行理论分析的直接目的是建立精确的仿真模型,在此基础上通过仿真计算分析液压悬置的动刚度、阻尼的频变性和幅变特性,找出影响置动特性的关键设计参数,进而进行结构参数的优化匹配。
常见的目标函数有:
发动机悬置系统六自由度解耦和部分解耦;系统固有频率的合理匹配;系统的振动传递力或支撑处的动反力最小等等。
用于解耦设计的方法主要有扭矩轴理论和能量解耦法。
扭矩轴理论主要用于动力总成前部纵置后轮驱动式(简称FR式)汽车的悬置系统设计。
对于总成Z方向的固有频率应避开前桥和车身垂直振动固有频率,由于人体对垂直振动最敏感的频率范围在4~8Hz,所以悬置系统的垂直固有频率最好不要分布在这个范围内。
对于绕X轴方向的固有频率应小于汽车怠速振动频率的1/2,同时也要远离汽车俯仰方向的固有频率。
在汽车动力总成悬置系统中,常采用V形悬置组,即左、右两个呈V形对称布置的相同悬置的组合。
V形悬置组的功能在于:
解除动力总成一悬置系统的横向一侧倾弹性耦合,同时具有较大的横向刚度和较小的侧倾刚度,以提高横向稳定性、降低侧倾振动的固有频率;既有利于解除垂向、横向、侧倾自由度之间的弹性耦合,又容易调整其弹性中心;既有利于使动力总成的最低阶刚体振动模态为以侧倾振动为主的模态,也便于动力总成一悬置系统的刚体模态频率与其他子系统固有频率之间的合理匹配,从而获得良好的综合隔振性能。
2)实验分析
液压悬置的试验包括悬置元件试验和内部组件试验。
悬置元件试验的目的是获得悬置在不同的激励频率和振幅下的三向动刚度和滞后角特性.为仿真分析的验证和悬置的优化设计提供数据参考。
组件试验的目的是分析单个组件在整个悬置元件中的作用,测试主要组件的特性参数值。
如橡胶主簧的弹性系数,阻尼系数,上、下液室体积刚度和橡胶主簧的等效泵压面积等。
具体试验包括:
悬置元件及橡胶主簧动刚度和阻尼测试,上、下液室体积刚度测试,惯性通道阻尼系数测试.液体物理参数测试以及悬置结构参数测量等。
悬置元件的动刚度和阻尼测试可在实车上进行,也可在试验台上进行。
实车测试应选择水平地面且远离振动环境,变速器挂空档,发动机转速从怠速800r/min到4000r/min。
由加速度传感器拾取各测试点振动信号,并经汁算得到悬置元件的减振特性。
台架测试多采用稳态正弦激振和位移控制方法测试悬置在不同激振频率下的动刚度和阻尼参数。
悬置的三向动特性试验表明,液压悬置的切向动特性取决于橡胶主簧的特性,与液力减振部分基本无关。
因此在对悬罩进行建模和仿真分析时,主要针对悬置的垂向动特性。
试验研究与理论分析是目前对悬置研究最常用的方法。
在进行橡胶元件静特性的有限元分析中,只需要做哑铃形橡胶材料试片的拉仲试验及其圆柱形试块的压缩试验,即可确定橡胶材料的超弹性本构关系,并且计算结果的精度可满足工程要求。
3)仿真分析
有限元法仿真分析是常用方法之一。
在使用有限元法时,首先应确定材料的本构关系。
橡胶是一种超弹性材料,其本构关系可用应变能函数表示。
常见的应变能函数有:
(1)应用不变量表示的应变能函数:
(A)Rivilin模型
,
该模型能适合各种大小变形的情况。
(B)Mooney模型
,
该模型是由Rivilin模型保留前两项得到,可较好地拟合类橡胶材料中等变形范围的实验。
(C)Neo—Hookean模型
,
该模型是由Rivilin模型仅保留一项得到,与线性高斯链模型形式一致,说明两种观点的结果是吻合的,但它仅在较小应变的情况下成立。
(D)Yeoh模型
该模型能适合较大应变范围的变形。
(2)应用伸长比表示的应变能函数:
(E)Ogden模型
式中,
、
是材料参数,它们的数值由收集的实验数据确定。
该模型除了在非常大的应变下(
)出现显著的偏差之外,对单项拉伸、等比双轴拉伸和纯剪的实验数据得到很好的拟合效果。
为了提高橡胶元件特性的有限元仿真分析的准确性,需合理地选择单元类型、单元积分形式,合理地划分网格,以保证大变形过程中良好的单元形态,避免发生单元锁死现象。
虽然高阶单元可提高计算精度,并且二次单元在处理应力集中问题上明显优于一次单元,但在完全积分单元中,当二阶单元被用于处理不可压缩材料时,对体积自锁非常敏感。
而一阶单元对于橡胶类体积不可压缩材料时可以很好地避免体积自锁,并且一阶单元可用于大多数应用场合并具有自动沙漏控制功能。
三维模型尽可能采用块状(六面体)线性单元。
他们在最小时间和空间下给出了合理的计算结果。
由于主簧几何形状复杂,内部包含较多小尺寸曲面,所以完全采用块状单元构造网格会很困难,因此有必要采用楔形线性单元,但楔形单元是较差单元,只有划分较细的网格才能使结果达到较为合理的精度,因此,在不需要精确求解的区域可以使用这些单元。
划分网格是建立有限元模型的一个重要环节,它要求考虑的问题较多,需要的工作量较大,所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。
由于主簧小尺寸边和曲面较多,给网格划分带来一定难度,为得到质量较好的网格,对于不同的零件采用不同的网格大小,一般来说,没有必要对所分析的小零件进行相应的简化和圆整后进行更细的网格划分,同时在应力大的位置进行网格细划。
由于液压悬置的结构和所受的载荷基本上是轴对称的,为了降低运算成本、缩短设计周期,取其中一截面进行轴对称分析。
液压悬置的橡胶主簧中有金属插入件,起承受和传递载荷的作用,由于金属的刚度比较大,与橡胶的变形相比,金属的变形可以忽略不计,而只需要施加相应的约束方程。
在进行垂直方向的力—变形分析时,应令与金属件硫化在一起的平面上的所有节点在垂直方向上的位移相等,且只沿垂直方向运动。
由于橡胶主簧的外表面与金属硫化在一起,并且该金属件固定安装在车身上,因此在进行边界定义时,令该面上所有点的位移为零。
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