汽车动力总成液压悬置参数试验研究.pdf

2 0 1 4年 第 3 6卷 第 7期 汽车工程 Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 汽车动力总成液压悬置参数试验研究 2 0 1 41 6 9 杨慰 ， 史文库 ， 马利红 ， 潘斌 ， 徐波 1 ．吉林 大学 ， 汽车仿 真与控 制国家重点实验 室， 长春1 3 0 0 2 5； 2 ．建新赵 氏集团宁海建新橡 塑有 限公 司， 宁波3 1 5 6 0 0 [ 摘要] 对汽车动力总成的空气弹簧式液压悬置进行受力分析， 建立动力学模型， 通过一系列试验获取悬置 的参数， 并利用它们对动力学模型进行仿真 ， 得到空气弹簧式液压悬置的动态特性， 并与试验得到的动态特性做比 对。结果表明， 空气弹簧式液压悬置仿真与试验的动态特性基本一致， 说明所建立的仿真模型是正确的， 所获取的 液压悬置参数是准确的。 关键词 汽车动力总成 ； 液压悬置 ； 参数获取 ； 动态特性 An E x p e r i me n t a l S t u d y o n t h e Hy d r a u l i c Mo u n t P a r a me t e r s o f Au t o mo t i v e P o we r t r a i n Ya ng W e i ，Sh i W e nk u ，n a Li ho ng ，Pan Bi n ＆ Xu Bo 1 ． J i l i n U n i v e r s i t y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofA u t o m o t i ve S i m u l a t i o n a n d C o n t r o l ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 5； 2 ． Ni n gh aia n x i n Ru b b e r a nd Pl a s t w C o ．，L t d ．，J i a n x i n Zh a o Gr o u p，Ni n g b o 3 1 5 6 0 0 [ Ab s t r a c t ] T h e f o r c e s e x e r t e d o n t h e a i r - s p r i n g t y p e h y d r a u l i c m o u n t o f a v e h i c l e p o w e r t r a i n a r e a n a l y z e d a n d a d y n a mi c mo d e l f o r h y d r a u l i c mo u n t i S b u i l t ．T h e mo u n t p a r a me t e r s a r e me a s u r e d b y a s e r i e s t e s t s a n d u s e d t o c o n d u c t a s i mu l a t i o n o n t h e d y n a mi c mo d e l ，w i t h wh i c h t h e d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s o f h y d r a u l i c mo u n t a r e o b t a i n e d a n d c o mp a r e d w i t h t h a t a c q u i r e d b y t e s t ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s i mu l a t e d mo u n t c h a r a c t e r i s t i c s a r e b a s i c a l l y c o n ． s i s t e n t wi t h t e s t e d o n e s ，v e ri f y i n g t h e c o r r e c t n e s s o f t h e s i mu l a t i o n mo d e l b u i l t a n d t h e a c c u r a t e n e s s o f mo u n t p a r a m e t e r s o b t a i n e d． Ke y wo r dsa ut o m o t i v e p o we r t r a i n；h y dr a u l i c m o un t；pa r ame t e r a c q ui s i t i o n；d y na mi c c h ar a c t e r i s t i c s 日 IJ舌 动力总成是引起汽车振动的重要激励源， 动力 总成的悬置结构及其动态特性对汽车振动 、 噪声和 乘坐舒适性有着极为重要的影响。动力总成液压悬 置是一种减振隔振元件 ， 由于在动态性能上相对橡 胶悬置有着明显的优势 ， 已在汽车上得到大量应用 。 它利用阻性液体在其内部惯性通道中快速地往复流 动时所产生的黏滞阻力 ， 很好地克服 了橡胶悬置低 频阻尼小 、 高频 出现动态硬化现象的局限性 ， 在宽泛 的频率段更好地满足了汽车动力总成减振隔振的要 求 一 引。 相对于橡胶悬置来说， 液压悬置的结构较为复 杂 ， 其整体动态特性受 到各组成部件 的动力学参数 的影响 ， 因而参数获取对 于液压悬置动态特性 曲线 的设计与修正具有重要意义。 1 液压悬置建模分析 本文中所研究 的液压悬置 内部带有空气 弹簧 ， 其结构如 图 1所示。与普 通液压 悬置结 构不 同 的 是 ， 解耦膜与隔板之间形成一个独立的空气腔 ， 由气 孔与大气相通 ， 此 时解耦膜 的刚度较小 。气孔外部 的电磁 阀在通 电后其伸缩 头可堵住气孔 ， 使空气腔 密闭 ， 腔内空气与弹性解耦膜共 同形 成一个空气弹 簧 。解耦膜的上表面在液力作用下受迫 振动时 ， 其 下表面会受到空气弹簧的反作用力， 表现为解耦膜 刚度大增 ， 从而改变上液室的体积刚度 ， 影响液压悬 置的动态特性 。 原稿收到 E t 期为 2 0 1 3年 5月 2 8日， 修改稿收到日期为2 0 1 3年7月2 9日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨慰， 等 汽车动力总成液压悬置参数试验研究 8 9 5 图 1 液压悬置结构示意图 液压 悬置 的力 学模 型如 图 2所示 。弹 簧 和 阻尼器代 表橡 胶 主簧 的 刚度和阻尼， 橡胶主簧的 垂 向振 动对 于上液 室 内 的液体来说相当于等效 活塞 的泵 吸运动。． 图中 A 。 为橡胶主簧泵吸液体 的等效活塞面积， 、 分别 为橡胶 主簧 的 刚度 图2 液压悬置模型示意图 和阻尼系数 ， Q i 为惯性通道内的液体流速 ， P 分别 为上液室和下液室的液体压力 ， c 、 c 分别为上液室 和下液室的体积柔度 体积变化量与相应压力变化 量的比值 ， ， ． 、 R i 分别为惯性通道内液体质量的惯性 系数和阻尼系数， F t 为传递到液压悬置固定端的 作用力 ， t 为作用力所引起的激励位移。 上液室、 下液室及惯性通道问的流体连续方 程 分别为 A p t - Q i C 。 。 1 Q C 2 P - p 2 ， i Q i Q i 3 传递到车架固定端的力 。 。 “ 为 F t K t B t 十 A p 1 4 液压悬置的动刚度 K和阻尼角 咖可表示为 K R e a l K’ 5 6 2 模型参数的获取 从上面的分析可以看出， 影响悬置动特性的参 数有橡胶主簧的动刚度 、 阻尼系数 B 及其振动时 泵吸液体的有效活塞 面积 A 。 ， 上 、 下液室 的体积 柔 度 c 和 c ， 惯性通道内液体质量的惯性系数 ， ； 和阻 尼系数 R i 。 由于通过试验方法难 以测量 ， 惯性通道 内液体 质量的惯性系数， i 和阻尼系数 _ 由下式计算 ， i p L i ／ A i 7 R i 1 2 8 ／ z L i／ 8 式中 p 4 J , 分别为液体的密度和动力黏度； A i 、 L i 、 d i 分别 为愦f生 通道的横截面积、 通道长度和通道水力直径。 采用 美 国的 MT S m e c h a n i c a l t e s t i n g s i mu l a t i o n 试验台对橡胶主簧进行动态特性试验 ， 可以方 便地测得其动刚度 、 阻尼系数 B 。橡胶 主簧 的有 效活塞面积 A 上下液室的体积柔度 c 和 c 均可通 过一系列的液压试验获取。 2 ． 1 有效活塞面积测量 液压悬置工作时， 橡胶主簧在振动激励下对上 液室内的液体产生类似活塞泵吸的作用。由于橡胶 主簧的外围硫化固定于外金属壳， 且内表面形状不 规则 ， 故难以通过几何公式精确计算橡胶主簧泵吸 液体的有效活塞面积 ， 因而采用 图 3所示 的试验方 法进行测量 。 液压传感器 阀门 量筒 图3 主簧等效活塞面积及体积刚度测量示意图 将橡胶主簧与特别制作 的液室腔体密封组装在 一 起 ， 液室腔 内灌装满液体 ， 固定于 MT S试验 台， 打 开液压管上 的阀门。控制 MT S试验 台上部作动头 迫使橡胶主簧缓慢地作泵压运动， 将液室内的液体 缓慢排出， 并用量筒计量此过程中所溢出的液体体 积， 从而可计算出橡胶主簧的等效活塞面积 S S AWA x 9 式中 A V为溢 出液体 的体积 ； A x为主簧下压行程 ， 即作动头步进位移。 2 ． 2 橡胶主簧体积刚度测量 体积刚度是腔 内单位体积改变量所引起的液压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 9 6 汽车工程 2 0 1 4年 第 3 6卷 第7期 变化 ， 它与体积柔度互为倒数。橡胶 主簧 在振动时 引起液室内体积 的改变 ， 同时也受到液体的反作用 即液压。如果关闭图 3中的阀门使液室密 闭， 则橡 胶主簧下压位移 将引起腔内液压增大 △ p 由液 压传感器测得 ， 橡胶主簧的体积刚度 K 可表示为 K △ p ／ S A x 1 0 式中．s 为前面已测的橡胶主簧泵吸液体的等效活塞 面 积 。 2 ． 3 解耦膜体积刚度测量 解耦膜固定于隔板总成上， 为方便试验的操作， 本试验将 隔板 总成与液室 紧 固密封在一 起形成 内 腔 ， 以测量解耦膜的体积刚度。 如 图4所示 ， 将惯性通道 完全封堵 的隔板总成 与液室腔体密封组装在一起， 液室腔内灌满液体。 右侧的液压缸 固定于 MT S试 验台。控制作 动头的 步进位移 ， 缓慢向下压活塞推杆， 液压迫使解耦 膜变形内陷。同时， 具有体积刚度的解耦膜反作用 于液体 ， 液压传感器测得液室 内的液压增大 △ p ， 于 是解耦膜 的体积刚度可表示为 A p 1 1 式中 d为液压缸的内径 。 解耦膜 液压缸及活塞 液压传感器 图4 解耦膜体积刚度测量示意图 为研究空气弹簧对液压悬 置的影响 ， 分别测量 封堵和不封堵空气腔气孔时解耦膜的体积刚度。 2 ． 4 底膜体积刚度测量 下液室的功能是 容纳液体 ， 它 的体积刚度应较 小 ， 以尽量减小对解耦膜和惯性通道发挥应有特性 产生的干扰和影 响。从液压悬 置的结构可知 ， 下液 室的体积刚度等 同于橡胶底膜 的体积刚度 ， 其测量 方法与解耦膜相同 ， 不再赘述。 3 参数获取试验结果分析 参数测量结果如图 5～图 8所示。 E 娶 恒 梢 烬 压缩位移／ ra m 图5 橡胶主簧等效活塞面积 由图 5可见 ， 在橡胶主簧被压缩 的过程中， 其泵 压液体的有效活塞面积基本不变 ， 可近似认为是 固 定值 ， 以简化模型的计算。 图6中橡胶主簧的体积刚度随着液室的压缩而 逐渐增大 ， 且在一定的范围内接近于线性变化。 乓 殛 箧 蝰 压缩位移／ ram 图6 橡胶主簧体积刚度 如图 7所示 ， 解 耦膜的体积刚度随着液室的压 缩而逐渐增 大。堵住 隔板上 的小孔形成 空气 弹簧 时 ， 解耦膜 的体积 刚度 比没有空气弹簧时 的体积刚 度明显大很多。 善 弓 嫠 蛙 压缩位移／ m m 图 7 解耦膜体积刚度 上液室的体积刚度 由橡胶主簧的体积刚度和解 耦膜的体积刚度串联得到 ， 即 一 K -a AK t b K 1 2 由图8 可以看出， 其体积刚度在有效工作范围 内相对很小 ， 符合其性 能要 求。在 曲线 的最后发生 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 慰 ， 等 汽车动力总成液压悬置参数试验研究 突变激增 ， 这是底膜扩张过度 ， 受到金属底盘 的限位 保护所造成的。 ． 己 屡 图8 橡胶底膜体积刚度 在 MT S试验 台上对橡胶主簧施加预载并进行 动特性试验以测量其 动刚度和阻尼角 ， 其结果如 图 9和 图 1 O所示。可以看出， 动刚度和阻尼角在一定 的频率范围内基本维持不变。 E 姜 己 甚 需 姬 区 频率／ H z 图9 橡胶主簧动刚度 频率／ H z 图 1 0 橡胶主簧阻尼角 利用获取的参数在模型中进行动态仿 真 ， 得到 液压悬置 的动 刚度 和阻尼角。另外再用 台架试 验 的方法测试液压悬置 的动刚度和 阻尼 角。将仿 真 与试验 的动态特性 曲线进行 对 比， 如 图 1 1～图 1 4 所示 。 从图中可以看 出， 仿真 与试验 的动刚度和阻尼 角较为吻合 。空气腔密封形成空气弹簧时 ， 液压悬 置的动刚度和阻尼角分别大于没有空气 弹簧时的动 刚度和阻尼角。 g 乓 邑 甚 需 回 岛 舍 姜 蠢 需 回 盟 图 1 1 空气腔密封时液压悬置动刚 度仿真结果与试验结果对比 图 1 2 空气腔密封时液压悬置阻尼 角仿真结果与试验结果对比 图 1 3 空气腔 敞开 时液 压悬 置动刚 度仿真结果与试验结果对比 4 结论 频率／ Hz 图 1 4 空气腔敞开时液压悬置阻尼 角仿真结果与试验结果对比 通过一系列试验测量 出液压悬置的重要物理参 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 9 8 汽车工程 2 0 1 4年 第 3 6卷 第 7期 数 ， 并对所建立 的动态模型进行液压悬 置动态特性 的仿真。仿真的动态特性与试验结果 吻合较好 ， 表 明仿真模型可较精确地 表达液压悬置 的动态特性 ， 并且参数测量试验方法正确 ， 测量结果较准确。 参考文献 时培成 ， 陈无畏 ， 姜武 华． 液压 悬置 非线性 动态 特性仿 真研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 9， 2 0 2 1 2 5 4 5 - 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3 9 7 ． [ 7] Ma r c o s R o g e r i o ， S ane h e s B a r b e t t i ．C o mp a r a t i v e S t u d y B e t w e e n Hy d r an l i e a n d El ast o me r i c Mo u n t ，Bo t h Ap p l i e d f o r Au t o mo t i v e En 一 n e M o u n t S y s t e m[ C] ．S A E P a p e r 2 0 0 6 - 0 1 - 2 6 0 8 ． [ 8 ] O h a d i A R， F a k h a r i V．E ff e c t o f B e l l P l a t e o n Vi b r a t i o n B e h a v i o r o f A u t o m o t i v e E n g i n e S u p p o rt e d b y Hy d r a u l i c E n g i n e Mo u n t s [ C] ． S AE P a p e r 2 0 0 7一 O1 -2 3 6 4． [ 9 ] A d i g u n a H，T i w a r i M，S i n g h R，e t a 1 ．T r a n s i e n t R e s p o n s e o f a Hy d r a u l i c E n g i n e Mo u n t [ J ] ．J o u rna l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 2 0 0 3， 2 6 8 2 2 1 7 - 2 4 8 ． [ 1 0 ] 潘双夏 ， 王芳 ， 王维锐． 液压悬置 动特性 实验 分析 及模型修 正 方法研究 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 5 ， 2 7 6 7 3 6 7 3 9 ． [ 1 1 ] 闵海涛 ， 林逸 ， 熊云亮 ， 等． 轻型客车动力总成液压悬置 的动态 特性 [ J ] ． 吉林大学学报 工学 版， 2 0 0 3 ， 3 3 2 6 1 0 ． [ 1 2 ] 王立公 ． 轿车动力总成液压悬 置隔振降 噪技术 的理论和应 用 研究 [ D] ． 长春 吉林工业大学 ， 1 9 9 6 ． 上接第 8 5 6页 [ 2 ] L i n Y， L i S ．S t u d y o n t h e B i f u r c a t i o n C h ara c t e r o f S t e e ri n g Wh e e l S e l f - e x c i t e d S h i mmy o f Mo t o r Ve h i c l e wi t h De p e n d e n t S u s p e n s i o n [ J ] ．C h i n e s e J o u rnal o f Me c h ani c a l E n g in e e ri n g ， 2 0 0 4， 4 0 1 2 1 8 71 91 ． [ 3 ] Vir g i l e A， V i n o d C， N a d e r J ．E x p e r i me n t al T e s t i n g and Val i d a t i o n o f Ta n g e n t i al S t e e rin g W h e e l Vi b r a t i o n s d u e t o Ti r e No n u n i for mit y [ J ] ．AS ME D y n a m i c S y s t e ms a n d C o n t ml D i v i s i o n， 2 0 0 5 ， 7 4 1 5 4 5 -5 5 1 ． [ 4] L u J i a n w e i ，G u J u e ， “u Me n g j u n ．Mo d e l i n g o f t h e V e h i c l e S h i m my S y s t e m wi t h Co n s i d e r a t i o n o f C l e ara n c e o f t h e S t e e rin g Me c h a - n i s m[ J ] ．Me e e ani e a ， 2 0 1 0， 4 5 1 5 3 - 6 1 ． [ 5] 酒 井秀男 ． 夕／ f t工学[ M] ． 东京 弓l二 9株式会社 ， 1 9 8 7 ． [ 6 ] 郭孔辉． 汽车操纵动力学 [ M] ． 长春 吉林科学技术 出版社 ， 1 9 91 ． [ 7 ] 殷涌光， 郁工瑞， 程悦荪． 拖拉机前轮摆振及稳定性判定 [ J ] ． 农业机械学报 ， 1 9 8 4， 1 6 1 l l 4 ． [ 8 ] 宋健 ， 管迪华． 前轮定位参数与轮胎特 性对前 轮摆振 影响 的研 究 [ J ] ． 汽车工程 ， 1 9 9 0 ， 1 2 1 l 3 2 5 ． [ 9 ] 朱金榴． 万向联轴器 十字轴 的运动学 和动力 学方 程 [ J ] ． 上海 工程技术大学学报 ， 1 9 9 6， 1 0 3 2 6 3 0 ． [ 1 O ] 陈予恕． 非线性 振动[ M] ． 北京 高等教 育出版社 ， 2 0 0 2 ． 上接第 8 8 8页 [ 2 ] 朱起定 ． 有 限元 高精度 后处 理理 论 [ M] ． 北京 科 学 出版社 ， 2 0 08 ． [ 3 ] 杨强 ， 吴浩 ， 周维垣． h 一 型 自适应 有限元 法分析 中的大坝应力取 值标准 [ J ] ． 水利学报 ， 2 0 0 5 3 3 2 1 3 2 7 ． [ 4 ] 李涛， 左正兴， 廖日东． 结构仿真高精度有限元网格划分方法 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 9 ， 4 5 6 3 0 4 3 0 8 ． [ 5 ] L y D N gny e n ， T a i s o n K u ，R e mo N e ff ．A Me t h o d o l o g y t o A n al y z e A i r c r a f t E n gi n e G e arb o x a n d Mo u n t i n g S y s t e m S i mu l t ane o u s l y U s i n g F i n i t e E l e me n t A n a l y s i s [ C] ．S AE P a p e r 2 0 0 2 一 O 1 2 9 9 3 ． [ 6 ] N g u y e n D ang H u n g ， T r an T h anh Ng o c ．A n aly s i s o f C r a c k e d P l a t e s and S h e l l s U s i n g “ Me t i s ” F i n i t e E l e me n t mo d e l 『 J ] ．F i n it e E l e me n t s i n An aly s i s an d De s i g n， 2 0 0 4， 40 8 5 58 7 8． [ 7 ] 杜平安． 有 限元 网格划分 的基 本原 则 [ J ] ． 机 械设 计 与制造 ， 2 0 0 0 1 3 4 3 6 ． [ 8 ] B a b u k a I ， S t r o u b o u l i s T，G ang ara j S K， e t a 1 ．P r a c t i c al A s p e c t s 0 f A p o s t e r i o r i E s t i ma t i o n fo r Re l i a b l e F i n i t e E l e me n t An al y s i s [ J ] ． C o mp u te r s＆ S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ， 6 6 5 6 2 7 6 64． [ 9] L o s H．O p t i mi z a t i o n o f T e t r abe d r a l Me s h e s B a s e d o n E l e me n t S h a p e M e a s u r e s [ J ] ． C o m p u t e r s S t ruc t u r e s ， 1 9 9 7 ， 6 3 5 9 5 1 9 6 1 ． [ 1 0 ] Z o u We n s h e n g ， Z u o Z h e n g x i n g ， F e n g Hu i h u a ， e t a1．A p p l i c a t i o n o f t h e S u b m o d e l M e t h o d i n t h e E n g in e S t r e n g t h A n al y s i s [ J ] ． J o u rnal o f B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy ， 2 0 0 1 ， 1 0 3 2 6 0 2 6 5． 1 j ] ] 二J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m