针对车辆动力学特性的液压衬套特性设计.pdf

针对车辆动力学特性的液压衬套特性设计 郎锡泽 泛亚汽车技术中心有限公司， 上海 2 0 1 2 0 1 【 摘要】 液压控制臂衬套可以 大幅度提升车辆的行驶平顺性， 文章结合某车型前悬架控制臂液压衬套 开发 ， 系统 阐述液 压衬 套动态特性对车辆动力学性 能的影 响 ； 应用综合 法和车辆动力学仿真分析 ， 开发 出液压衬 套动态特性设计方法 ， 实现了液压衬套特性 的前期 开发 ， 提升 了开发效 率。 【 A b s t r a c t 】 D e s c r i b e t h e p r o p e r t y o f h y d r a u l ic r i d e b u s h i n g a n d i t s i n fl u e n c e t o v e h i c l e d y n a m i c s ．Th r o u g h v e h i c l e d y n a mi c s s i mul a t i o n a n d s y n t h e s i s me t ho d， d e s i g n t h e h y d r a u l i c r i d e b us h i n g s t i f f n e s s a n d d a mp i n g p r o p e r t y，a c h i e v e a b a l a n c e d v e h i c l e d y n a mi c s p e r f o r ma n c e a n d i mp r o v e d e v e l o p i n g e ffic i e n c y ． 【 关键词】 液压衬套动力学汽车行驶平顺性 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 9 0 引言 相比传统的橡胶隔振元 件， 以液压悬置 、 液压 衬套为代表的液压隔振元件 以更为优秀的动态特 性 ， 日益广泛地应用 于汽车工业 中。车辆 前悬架 控制臂液压衬套是液压元件在车辆上的一个典型 应用 ， 通过合理化地设计衬套 的动态特性 ， 可 以在 不损失其它性能 的基础 上 ， 大 幅度 提高车辆 的行 驶 平顺性 。 随着汽 车技 术 的进 步和 市场 竞争 的 日趋激 烈 ， 液压衬套 的应 用范 围正 由豪华 车拓展至 中级 乃至紧凑 车型上。液压衬 套设计 应满 足 哪些要 求如何在项 目开发早期进行液压衬套 的设计 ， 以减少开发迭代 ， 提升开发效率本 文结合某 紧 凑车型项 目前悬架 液压衬套 的开发 ， 系统 阐述液 压控制臂衬套对 车辆动力学性能 的影 响， 并开发 出液压衬套动态特性 的设计方法 。 收稿 日期 2 0 1 50 60 3 4 2 1 液压衬套动态 刚度和阻尼 特性 1 ． 1 典型衬套动特性 橡胶衬套和液压衬套是汽车中应用最 为广泛 的隔振元 件。传统橡胶 衬套的构造 ， 可 以简单描 述为由橡胶连接金属外圈与 内圈 ， 见 图 1 ， 而液压 衬套在此基础上增加 了流体腔 和惯性流道 等产生 大阻尼的构造 ， 见 图2 。 衬套 的动态性 能 由动刚度和迟滞角 来描述 ， 即载荷与位移的幅值 比与相位差。典型的橡胶衬 套动特性如图 3 ， 动刚度和迟滞角随频率的增加缓 慢的上升。图 4所示 为典 型的液压衬套 动特性 ， 其动刚度和阻尼特性 随频率的变化 ， 呈 现强烈 的 非线性 ， 其迟滞角在某个频率达到最大峰值。 1 ． 2 车辆动力学性能对前悬控 制臂 衬套动特性 的要 求 前悬控制臂衬套 零件位置见 图 5 不仅仅起 上海汽车2 0 1 5 ． 1 1 图 l 典型橡胶衬套构造 A r 2 8 0 1 8 O 6 薰 ； 。2 8 O 萎6 0 需4 O 2 0 0 A 图 2 典型液压衬套构造 图 3 典 型橡胶衬 套动特性 到隔振作用 ， 对车辆动力学 的诸多性能都有 重要 的影响 ， 各动力学性能也都 对前悬控制臂衬 套 的 动特性提出了不 同的要求。这些性能也就是在进 行液压衬套设计时需要考虑 的工况。通过研究前 悬控制臂衬套 刚度 阻尼对各性 能的影响 ， 总结 出 前悬控制臂衬套动特性的基本要求见表 1 ， 主要包 上海汽 车2 0 1 5 ． 1 1 董 图 4 典型液压衬套动特性 挺 括了操纵稳定性 性能 ， 行驶平顺性 中的平 滑路面 抖动性能 ， 冲击强度和冲击残余抖动性能 。根 据 表 1 ， 可以得 到针 对上述性能的 “ 理想” 前悬控制 臂衬套动特性 曲线 的基本形状 ， 如 图 6所示 。显 然该曲线形状是传 统橡 胶衬套无法实现 的， 而液 压衬套通过设计 ， 能够接近“ 理想 ” 衬套的动特性 曲线 ， 这也是应用液压衬套可 以提 高车辆动力学 性能的原因。 图 5 前 悬控制臂衬套位置及零件形状 表 1 前悬控 制臂衬套 动特 -陛动力学要求 性能参数 动刚度 阻尼 操纵稳定性 高 平滑路面抖动 低 低 高 低 行驶 冲击强度 低 平顺性 冲击残余抖 动 高 频率范围 准静态低频高频 低频高频 4 3 图 6“ 理想 ” 前悬控制臂衬套动 特性 曲线 2 前悬架液压控制臂衬套动特性设 计 前悬架液压控制臂衬套动特性的设计需要考 虑并平衡操纵稳定性、 平滑路 面抖动性 能、 冲击强 度和冲击残余抖动性能及可制造性等。 2 ． 1操纵稳定性 操纵稳定性工况包括实验室工况仿真及路 面 丁况仿真 ， 图 7是用于操纵稳定性 分析 的多体动 力学 仿 真模 型 ， 该 模 型亦用 于 进行 行驶 平顺 性 仿真。 图 7 多体动力学仿真模 型 操纵稳定性工况是输入接近于准静态的低频 输入 ， 从表 l中可知 ， 行驶平顺性工况要求前悬控 制臂衬套具有尽可 能低的刚度 ， 而操纵稳定性工 况则需要高刚度。所 以， 首先通过 操纵稳定性仿 真分析 ， 获得 满足操纵稳定性 目标 要求 的前悬架 控制臂液压衬套最 低刚度 ， 以此 刚度作为前悬控 4 4 制臂衬套的最低 静态刚度 ， 并作 为行驶平顺性 的 动刚度 下 限， 进 入 针对 行驶 平顺 性 工况 的设 计 环节。 2 ． 2行驶平顺性平滑路面抖动性能 平滑路面抖动性能⋯是指 由于轮胎动平衡 偏差 ， 制造 和装配误差 ， 轮胎不一致性等引起的 ， 当车辆高速行驶 于平滑路面时 ， 转 向盘和地板处 出现剧烈抖动 的工况 ， 是影响驾驶 员驾乘 感受 的 重要平顺性工况 。提高平滑路面抖动性能是前悬 控制臂装备液压衬套 的主要性能驱动。 平滑路面抖动性能 由转 向盘顶端 1 2点处 侧 向加速度 S H y和驾驶 员足部 地板垂 向加 速度 的峰值来衡量 ， 即对应加速度幅值越低 ， 平滑 路面抖动性能越好 。在本项 目中， 更 为关注转 向 盘顶端 的侧 向加速度 S H y 。 2． 2 ． 1响应 矩 阵 图研 究 首先 ， 通过综合法和平顺性仿 真分析 ， 研究前 悬控制臂衬套刚度和阻尼特性对平滑路面抖动性 能的影响。 所谓综合法 ， 即根据操纵 稳定性分析所 确定 的衬套静刚度下 限值 ， 和预估可 能实现的衬套刚 度上 限值 ， 获得衬套动刚度可行范围， 例如可行范 围是 5 0 0～1 7 0 0 N ／ mm， 那么以此选择衬套动刚度 为 5 0 0 、 8 0 0 、 1 1 0 0 、 1 4 0 0 、 1 7 0 0 N ／ m m， 每个刚度值 又赋 予不 同 的迟滞 角 ， 如 5 。 、 1 0 。 、 2 0 。 、 4 0 。 、 6 0 。 、 8 0 。 ， 接下来用这些衬套动特性的全 因子组合带入 平滑路面抖动平顺性仿真模型 中计算 。得到如 图 8所示响应矩阵 图。从 图中可 以观察到随衬套动 特性变化 ， 响应 s h y ， 具有如下特点 1 存在“ 不动点” ， 即在某特定刚度下 ， 存在 一 个频率 ， 该频 率下的响应不随 阻尼 的变化而变 化。即在该 刚度下 ， 无论如何改变阻尼 ， 都无法把 响应峰值降低到“ 不动点” 对应 的响应值 以下。该 “ 不动点” 随衬套刚度的增加而移向更高频率 。 2 通常来讲 ， 液压衬套 的引入 ， 直接 目的是 为系统引入更大 的阻尼 ， 而从响应矩 阵图上可 以 看到 ， 在“ 不动点” 对应 的频率之前 ， 大阻尼 迟滞 角 会降低响应 ， 提高平滑路面抖动性能 ； 而在“ 不 动点” 对应 的频率之后 ， 大 的阻尼反而会提 高响 应 ， 降低性能。 上海 汽车2 0 1 5 ． 1 1 霆 当完成前悬 架液 压衬套 动特 性 曲线 的设计 后 ， 需要将动特性 曲线代人 冲击强度和残余 抖动 仿真模型校核性能 。 从表 2的仿真结果可见 ， 设计方案 2在过 A E S 障碍冲击残余抖 动工况表现不佳 ， 这是 因为其 阻 尼值过低造成的。而设计方案 1比较好地平衡了 各性能， 最终选择方案 1作为主流设计方案。 表 2 各方案冲 击强度及 残余抖动仿真值 前代车 现存 T况 方案 1 方案 2 橡胶衬套 液压衬套 冲击强度 1 8 ． 4 2 1 ． 0 2 8 ． 3 3 0 ． O 冲击残余 抖动 6 ． 3 5 ． 0 3 ． 5 1 O ． 8 2 ． 4后期开发及性能验证 将方案 1作 为设计要求 输入给衬套 厂家 ， 厂 家以其性能曲线为基础进行零件的开发设计和调 试 。每阶段 的衬套样件在进行 实车评估前 ， 均须 进行动态特性 的测量 ， 将测量 曲线代人仿真模 型 进行各性能的虚 拟评估 ， 虚拟评 估 的结果持续支 持实车调试 件 的改进。 目前该 项 目开发 已经完 成 ， 经实验验证 ， 车辆的操纵稳定性、 平滑路 面抖 动性能、 冲击强度和 冲击残余抖 动性能均满足开 上接第 4 1页 发 目标。 3 结语 通过综合法 和动力 学仿 真分析结合 ， 在项 目 开发早期 ， 物理样 车制 造之前就可 以开始前悬 架 控制臂液压衬 套刚度和 阻尼特性 的设 计 ， 使液 压 衬套的设计 由样车调试 主导 的逆向开发过程成为 高效的正向开发过程 ， 使液压衬套厂家可 以更 早 地进行可行性研究和结构、 性能的调试和优化 ， 提 升了液压衬套和整车动力学性能的开发效率 。 参 考文 献 [ 1 l X u t i n g Wu， J a s o n M．Wo n g a n d Ma x F a r h a d， F u n d a me n - t a l Dy n a mi c s o f S t e e r i n g W h e e l T o r s io n a l Vi b r a t i o n o n S mo o t h Ro a d s [ J ] ，S A E， 2 0 0 6 1 ． [ 2 ] Wa l l a c e C ．F l o w e r ， U n d e r s t a n d i n g H y d r a u l i c M o u n t s f o r I mp r o v e d V e h i c l e N o i s e [ J ] ．S A E， 2 0 0 6 1 ． [ 3 ] Ma l l i k a r j u n a B e n n u r ，D e r e k Ho g l a n d ，E d w a r d A b b o u d e t a 1 ． Mu l t i Di s c i p l i n a r y Ro b u s t Op t i mi z a t i o n for P e rf o r ma n c e s o f No i s e ＆ V i b r a t i o n A n d I mp a c t Ha r d n e s s Me m o ry S h a k e[ J ] ． S A E， 2 0 0 9 1 ． 好地解决 了无 法利用 六分 仪 十多体 动力学 软件 A d a m s 虚拟迭代软件 F E MF A TL a b提取载荷这 一 传统分析手段 的弊端。从 台架试 验、 刚度矩 阵 分析、 道路试验 数据采集及载荷 提取等环节系统 地介绍 了应变反求载荷识别技术在减振器支架道 路载荷谱提取方 面的应用 ， 该方 法的运用在产 品 设计过程中起到 了很好 的效益 ， 完成 了特殊部件 的载荷提取及疲劳耐久分析工作 。 46 参考文献 [ 1 ] 张芳麟． 轻型汽车 减振器 的分 析与探 讨 [ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 0 9 1 0 ． [ 2 ] 毛显红 ． 基于道路 谱的汽 车车身疲 劳分析 [ J ] ．计算机 辅助工程 ， 2 0 1 1 2 ． [ 3] 范云霄 ， 隋秀华． 洲试 技术与信 号处理 [ M] ． 北京 中 国 计量 出版社 ， 2 0 0 6 ． 上海 汽车2 0 1 5 ． 1 1