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硕士学位论文
汽车发动机液压悬置动特征分析和建模方法研究
姓名:沈彤
申请学位级别:硕士
专业:车辆工程
指导教师:潘双夏
20040201
大纲X
680205
液压悬置是发动机隔振元件中一类较新的产品。由j二其能在不一样的激振频率和激振振幅F供给不一样的刚度和阻尼,隔振成效优于传统的橡胶悬置,所以在围产汽车上应用的愈来愈广泛。本文以两款当前使用较广泛的液压悬置为研究对象,对悬置的结构和减振原理,理论建模方法进行了深入研究。
第一针对被研究液压悬置的结构特色,在物理定律的基础长进行数学推导,建立了复杂非线性数学模型。该模型在现有悬置模型的基础卜,充分考虑了预负载、振荡流动、上液室内混肚量以及惯性通道形状等非线性影响凶素对悬置动特征的影
响。以液压悬置l为算例,从时域和频域两个方面比较了仿真结果与实验值,两者切合较好。在此基础上,利用所编制的仿真软件,分析了参数泔悬置低频动特征的敏度,找出了影响刚度特征和阻尼特征的要点参数,提出了悬置设计中参数选择的一般原则。
所建复杂模型与液压悬置的结构参数相关,因模型太复杂刁i适用于汽车动力总
成一悬置系统的建模和仿真。所以本文在分析动特征的影响要素的基础上,赂去敏感性较差的参数,对复杂模型进行了简化,降低微分方程的次数,获取了一个11个参数的液压悬置简化低频模型。
基于简化模型结构,采纳拿局找寻寻优的DE算法,由液压悬置的振动实验数据直接预计模型的参数值,完成悬置系统建模。以液压悬置2为算例,经过与多组实验值进行比较,鉴别模型的仿真结果能比较凑近的反响实质系统的振动状况。系统识
其余方法是建模中的常用方法,适用于某些结构复杂或特别的悬置建模。但受模型结构和鉴别方法的限制,在液压悬置的理论研究中应用的不多。本文基于简化低频模型的鉴别为悬置的理论分析供给了新的方法。
要点词:液压悬嚣非线性数学模型动向特征系统鉴别参数设计计算机仿真实验
Abstract
—andamplitude—,
mounts.
modelingmethodsofenginehydraulic
Inordertounderstandsuchapassivedevice,usingthelawsofphysics,,suchastheeffectofstaticdeflection,oscillatoryflows,,themodelpredictstimeandfrequencydomainreSl:}onsesreasonablywelt,13一asedonthe
computersimulation,theeffectsoftheparametervaluesonthelow—frequencyperformancesarestudiedandthechoiceofmountdesignparametersoptimalvibrationisolationperfc,rmanceisdiscussed.
,Basedontheresultofsensitivityanalysesoftheparametervales,an11一parameter-simplifying—low—frequency—modelissetupbyomittingunimportantaspects.
of
identificationwereattemptedinapreviousstudy,buttheresultsweredisappointing
themodelparametersinthispaperisbasedonthesimplifyinglow?frequencymodel,,.
KeyWords:EnginehydraulicmountNonlinearmodel
DynamiccharacteristicsSystemidentification
ParameterdesignSimulmionExperiment
II
浙江大学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
【大纲】在介绍汽车发动机悬置作用和理想特征的基础上,回顾悬置元件的发展历史,总结了当前的液压悬置元件的研究方法和研究方向,提出了本次的研究目的和研究内容。
悬置是发动机的隔振元件,发动机经过悬置弹性地与车架相连。跟着道路条件
的改进,由发动机引起的振动和噪音对人们乘坐酣畅性的影响愈来愈突出,加之世界各国对汽车节能环保要求的提升,使得汽车厂商愈来愈重视发动机悬置的研究。
汽车行驶及发动机运行时的振动状况特别复杂,对悬置产生影响的激励振源既有发动机内部的点火激励‘11和惯性力及转矩激励‘21,也有来自外面的道路、悬挂系统、转向系统的激励。一般地说,悬置系统主要需要解决的振动问题有‘3】:(1降
低从发动机传达到车架的稳态振动。在汽车行驶及泊车怠速运行时,
来去式内燃机的不均衡旋转质量和平移质量产生的不均衡惯性力(力矩
和扭矩颠簸的低阶(主谐量激起发动机在悬置上的刚体振动,使发动
机在怠速工况易发生较强的低频振动,在高频区易引起车内空鸣声。对
于中低档轿车常用的直列四缸发动机,怠速下产生的不均衡力平和压扭
矩颠簸的二阶主谐量易引起车体的共振。
(2隔断因汽车底盘受不平路面和不均衡车轮的稳态(随机振动向动力总
成的传达,减少发动机的低频抖动(6~20Hz。
(3降低发动机在启动,熄火时和汽车加速、减速、换挡、制动等非稳态工
况下发动机的瞬态振动及其向车体的传达,同时隔断车轮所受路面冲击
引起的动力总成的瞬念振动。
综上所述,由隔振理论14】,理想的发动机悬置系统除支承动力总成的质量外,还应能有效隔断发动机的内部激励,防范过激振动和高频噪音传向车内,对人的
浙江鼎力硕士学位论文第一章绪论
乘坐酣畅性造成影响。同时减少发动机受外面激励源的冲击,保障发动机在非稳念工况下的稳固,不因与车架之间的相对运动过大而受损。所以悬罱在低频大振幅振动激励下,应拥有高刚度大阻尼的特征,这个频段大体为1~25Hz,对悬置元件的输入位移幅值在lmm量级范围,在高频小振幅振动激励下,应拥有低刚度和低阻尼的特征,这个频段大体为25~200Hz,。
可见悬置元件的动向特征随激振频率和激振振幅的改变而改变,是典型的非线性元
件15】[6]17]。
从上个世纪三十年代起,汽车制造商广泛使用橡胶件作为悬置元件。橡胶悬罱
结构简单,成本低,其最大的弊端是阻尼不足网。最近几年来,跟着资料工业的发展,产生了
一种大阻尼的橡胶资料。但是阻尼过大会增添悬置工作中产生的热量,加速橡胶老
化。同时靠改进资料特征增添的阻尼毕竟有限,所以固然橡胶悬置元件也在不停改
进,但仍没法满足现代汽车低振动、低噪音的要求19]。
上个世纪四十年代,美国的RicherHarding和Strachousky先后提出将液压减振机构与橡胶悬置结合一体的思想,并在美国申请了专利。
1979年,液压悬置第一次被原西德的大众公司用于Audi五缸发动机,实考据明,
酣畅性明显提升。
1981年,原西德生产的Porsche944轿车动力总成使用的液压悬置,阻尼最大值出
,远高于橡胶悬置。
1982年日本在FR(发动机前置后驱动式轿车上应用液压悬置以降低怠速振动
。1984年日本开发的既能降低发动机振动又可降低Boom声的液柱共振式液压悬置,,。
1984年原西德Freudenberg-Megulastik公司和Escan公司在FR式六缸发动机
安装认识耦式液压悬置,最多可降低车内噪声3—5dB。同年,液压悬置被用
渐江大学硕士学位论文第一章绪论
于德国大众Audi5E发动机和日本五十铃公司Piazza发动机。
1985年,原西德奔驰公司在190/190E和201系列汽车上安装了液压悬置。同年
ford公司将液压悬置用于Supercab轻型货车上,标记着液压悬置由豪华轿车向一般
轿车和其余车型普及。此刻液压悬置技术在汽车上的应用已扩展到独立悬架的液力衬套、支承垫和驾驶室悬置等,并在航空、船舶等挪动机械的隔振上获取同益广泛的应用,都收到很好的成效BOl。
按控制方式分,液压悬置可分为被动式液压悬置、半主动控制式液压悬置和主
动控制式液压悬置三类。后两种控制方式的液压悬置的隔振、减振、降噪性能均优
于被动式液压悬置。1988年法兰克福博览会上德国Freudenberg公司展出可依据路
况供给最优阻尼的半主动控制式液压悬置。Metzeler公司在世界上第一开发成功电
流变液力的液压悬置。同年,Freudenberg公司在FWD(前轮驱动四缸发动机上应用
。但因为这两种控制方式的液压悬置结构复
杂,成本高,系统稳固性差等问题,还处于适用化研究阶段。当前中低档轿车广泛使用的是被动式液压悬置。
被动式液压悬置的结构发展经历了从简单到复杂的过程。初期的被动式液压悬
置在上下液室之间只有小孔连接,靠液体流过小孔的节流阻尼来衰减发动机振动,其大阻尼特征在低频振动时可以控制发动机的位移,但高频时会恶化隔振成效。今后开发的悬置增添认识耦膜结构,阻尼孔演变为了环形或螺旋形的惯性通道,解耦膜的
加入很好的解决了悬置在高、低频理想特征之间的矛盾,大幅度降低了高频振动传达率,图1—1为一典型惯性通道一活动解耦膜式液压悬置结构表示图。新的发展趋向是在上液室中加入节流盘结构,实验分析表示,节流盘的加入使悬置在更宽的频带内拥有优异的隔振特征‘“l。但对节流盘的理论分析此刻还鲜有文件介绍。研究中一般忽视节流盘,直接分析与其对应的惯性通道一解耦膜式液压悬置的动向特征。所以惯性通道~解耦膜式液压悬置是当前研究许多的一类悬嚣产品。
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图1—1惯性通道一活动解耦膜式液压悬置结构简图
从事悬置研究的单位好多,外国的既犹如美国通用公司、日本三菱公司,德图奔
驰、大众公司等有名汽车生产商,也犹如德国Freudenberg公司这样特地从事汽车悬
置系统设计和悬置元件开发的公司,还犹如美国俄亥俄州大学、西北大学、北达科
他州大学等专业科研单位。国内从事悬置研究的单位主要有一汽、二汽神龙汽车、
吉林工大和清华大学等。对比之下外国睁开液压悬置研究的时间较长,对悬鼹的减
振机理和动特征的研究比较深入,研究的要点以悬嚣的设计创新为主。国内的研究
起步比较晚,要点主要以消化汲取外国同类轿车的悬胃系统部署方式和研究现有悬
置产品的动特征为主。
对发动机悬置系统的研究大体可分为两部分。一是悬置系统的优化设计,包含
确定各个悬置的地址和倾斜角度,合理般配动力总成悬置系统的各向吲有频
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浙江大学硕士学位论文第一章绪论———————————————————
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率,以最大限度的发挥已有悬置的潜能‘121。这方面的研究对旧有车型悬置系统的改进和新车型悬置系统的设计有很大的现实意义。二是液压悬置元件的结构设
计和减振机理的研究,液压悬置是非线性很强的复杂元件,在进行设计时,多数研究者希望经过建立精确模型,进行仿真计算,有效地展望动刚度和阻尼的频变特征和幅变特征,从而取代台架实验,缩短设计开发周期。
作为一个隔振元件,液压悬置的研究方法主要有实验分析和理论建模两种。液
压悬置的实验包含悬置元件实验和内部组件实验。悬罨元件实验的目的是获取悬置
在不一样的激励频率和振幅下的三向动刚度和滞后角特征,为仿真分析的考据和悬置
的优化设计供给数据参照。组件实验的目的是分析单个组件在整个悬置元件中的作
用,测试主要组件的特征参数值,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。详尽实验包含: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
悬置结构参数丈量等。
因为各自研究目的不一样,对悬置元件的建模方法可简单分为以物理定律推导为基础的老例建模方法和直接由实验结果获取模型的系统鉴别方法。别的研究要点也有高频动特征和低频动特征之分。
这类方法以物理定律为基础进行数学推导,经过细化的组件实验,增添模型的非线性要素,从而提升模型的正确性。因为模型所采纳的参数多为悬置元件的设计参
数,所以这类方法所建模型适用于悬置元件设计和要点参数分析f13】。
美国俄亥俄州大学机械液压实验室向来从事惯性通道一解耦膜式液压悬置的研
究。1992年,】。1993年,他们对悬置的橡胶主簧和惯性通道体进行部件实验,拟合出上液室体积刚度的分析式和经过惯性通道的液体流量与两端压差之问的分析关系,在线性模型的基础上增添了非线性要素㈣。所建模型
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可以较好的展望液压悬置的低频动特征。1995年,,给出认识耦膜活动缝隙的经验设计公式,谈论认识耦膜活动缝隙的大小对悬置动特征的影响㈣。1997年他们又研究了液压悬置解耦膜的简化建模方法[】7]o
美囤西北大学要点研究了液压悬置在不一样振幅下的频率响应。因为解耦膜在悬
置低频大振幅和高频小振幅激励时表现的运动状态不一样,他们应用分段连续的思想,分别建立了低频大振幅和高频小振幅两个线性模型,仿真分析悬置在5~200Hz的激振频率下的动特征,并与实验值进行了比较。他们认为低频振动建模中忽视流体进
出惯性通道时的能量损失,会使理论计算的滞后角过大,从而过高预计悬置的阻尼特征¨剐。
美囤北达科他州州立大学机械工程和应用力学系的QNakhaieJazar等人要点研究了液压悬置高频的振动特征。他们以流经解耦膜的液体为对象,忽视惯性通道
的影响,建立了两个自由度的模型。他们将解耦膜凑近上、下地址挡板时对流体流
动的阻拦作用,用一非线性力表示,该力的大小与解耦膜的地址和运动速度相关,力值公式经过试验拟合获取。仿真结果在140Hz下与实验值切合优异,高频切合不好的原由为忽视了流体湍流的影响【”1。
国内清华大学汽车安全与节能国家要点实验室,在对Buick轿车的液压悬置进行实验分析的基础上,建立数学模型,相同考虑认识耦膜凑近挡板时遇到的突加拘束
力,但将这个突加拘束力办理为一个弹性系数很大的线性力。模型可以很好的展望低频大振幅动向特征和低频段动刚度出现的峰值,但不可以精确的展望液压悬置产生高频动念硬化的频率及高频段动刚度和滞后角的幅值‘伸】。
Ahmed等人将惯性通道和解耦膜简化成长、短两个阻尼孔。他们考虑流态和惯性通道内液体振荡的影响,在动力学方程中加入与液体振荡流动相关的无单位系
数。他们研究的要点是两个孔的直径和长度对悬置系统共振频率的影响。研究表示,经过合理选择悬置惯性通道和解耦膜的几何参数,可以使悬置的性能满足特定动力总成的隔振要求(20/。
,考虑了尽rⅡ’能多的非线性要素,并对模型进行了实验谈论。他们设计了一套特地的试
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浙江大学硕士学位论文第一章绪论
验设备,对悬置各个组件进行了试验研究和拟合建模,最后将各组件模型与流体力学理论公式有机的组合起来,完成悬置元件的理沦模型。经过模型的仿真计算,展望液压悬罱在激振频率和激振振幅改变时的动特征,低频段和高频段的展望成效与现有模型对比,有了很大的提升贮”。。
吉林工大在对Audil00轿车液压悬置进行研究时,也进行了一系列的组件试验。Audil00所用的液压悬置为固定解耦膜式,他们的组件试验包含:橡胶主簧特征试验,