发动机悬置系统解耦与新型半主动液压悬置设计的关键理论研究

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发动机悬置系统是连接动力总成与车辆底盘的主要用于隔离发动机振动的弹性装置。它通常由若干橡胶悬置或者液压悬置零部件组成,并且在现代轿车的隔振减振降噪性能上起着重要的作用。另一方面,良好的发动机悬置系统能降低结构的应力以提高结构的耐久性。主要通过优化方法来提高悬置系统相关的性能指标,而其中一个重要的性能是系统的解耦。解耦原理有两种:一种是与刚度中心相关的解耦,另一种的目的是使得激励力只激励出一个模态。利用刚度中心解耦原理优化发动机悬置系统,就是要使得悬置系统的刚度中心与发动机的质量中心重合,但是目前还没有文献对刚度中心进行详细的研究。对于另外一种解耦原理,已有文献[1]中的TRA(Torque RollAxis)方法只考虑了扭矩的影响,没有考虑力的作用,因此在理论上具有一定的局限性。传统的橡胶隔振器拥有几乎与频率无关的动刚度,它不能满足发动机复杂的工作情况要求。理想的悬置部件应该具有低频大刚度、高频小刚度的频变动刚度特性,而液压悬置拥有比橡胶悬置优秀的频变动刚度特性。由于判断隔振性能的共振曲线是针对传统与频率无关的单自由度系统,它不能快速的判断具有频变特性的隔振器的隔振性能,因此需要开发较为直观的方法。关于液压悬置的研究主要集中在这两个方面:研究既有液压悬置的性能和开发新型的液压悬置。本文从理论上对悬置系统的两种解耦原理进行研究,研究具有频变动刚度的液压悬置的动态特性,同时设计一种新型的半主动液压悬置。本文主要研究内容和创新性成果如下:(1)推导广义激励力只激励出一个系统模态的解耦准则。在平衡位置附近,建立由若干悬置支撑的发动机刚体在质量中心处的动力学方程组。经过Fourier变换,分别考虑非比例阻尼的作用和不考虑阻尼的作用,推导广义激励力(包括力和扭矩)只激励出一个系统模态时系统需要满足的解耦条件。而传统的TRA方法是在状态空间中应用Laplace变换推导而来的,并且只考虑了扭矩的作用。然后介绍这种新解耦准则的特点和物理意义。最后通过某悬置系统的优化算例发现:考虑非比例阻尼时,系统可以完全得到解耦;而不考虑阻尼时,系统不能够完全的得到解耦。(2)推导悬置系统刚度中心存在的充分必要条件和计算其位置的方法。刚度中心是这样的一个点:过该点的任意静力将使得刚体只发生平移运动,而绕刚度中心的力偶矩,系统在刚度中心处只有转动。在本文中该点称为严格定义的刚度中心(严格刚度中心)。利用发动机质心处的静力平衡方程,推导施加静力或者力偶矩位置处的静力学平衡方程。利用刚度中心的定义和反对称矩阵的性质,分别考虑静力和考虑力偶矩作用时,推导系统需要满足的条件。在文中定义一个对称的判断矩阵B,当且仅当B是零矩阵时,刚度中心才存在。并且给出计算严格刚度中心位置的方法。发现对称式配置的隔振系统的严格刚度中心不一定存在。(3)推导悬置系统弱刚度中心存在的充分必要条件和计算其位置的方法,并研究弱刚度中心存在时系统位移响应的类型。通常情况下严格刚度中心不存在,但是在一些情况下,过某些点的沿着特定方向的静力会使得系统只发生平移运动,这类点称为弱定义的刚度中心(弱刚度中心)。从这个定义出发,推导弱刚度中心存在时系统需要满足的条件,并且该条件是以判断矩阵B的特征值描述的。根据判断矩阵B的特征值的特征,在弱刚度中心存在时,系统位移响应归纳为若干形式,并介绍计算弱刚度中心位置的方法。通过算例计算系统弱刚度中心的位置,验证所提出的方法。(4)给出一种快速判断拥有频变动刚度的隔振器的隔振性能的图示法。利用单自由度隔振模型,介绍拥有频变刚度特性的隔振器的传递动刚度和驱动点动刚度的定义。利用传递动刚度和驱动点动刚度,推导隔振系统的力传递率。定义两条在频率域上描述的曲线:共振曲线和隔振曲线。在不同频段通过判断隔振器的同相动刚度与这两条曲线的关系,快速直观的判断系统性能的好坏。运用图示法,我们发现液压悬置在中频段的隔振性能比橡胶悬置的隔振性能优秀,而在高频段和低频段,前者的隔振性能没有后者的好,并得到验证。(5)设计一种新型的高性能半主动液压悬置。利用集总参数模型,推导液压悬置的动刚度表达式。通过比较被动TMD(Tuned Mass Damper)系统的动刚度与液压悬置的动刚度,得到它们之间的不同点与相同点。研究液压悬置的动刚度的三个关键频率点(下凸频率,共振频率和峰值频率)与影响其位置的物理参数(例如惯性通道长度、截面积等)的关系,得到了控制一种参数只能够在有限频段调节液压悬置的这几个关键频率点的结论。给出一种利用螺纹原理以同时控制惯性通道长度和截面积的新型半主动液压悬置的结构。这种液压悬置可以在[0,)范围内调节这三个关键频率点。给出两种节能策略(摩擦自锁和最优调节时机)以最大限度的降低能量消耗。最后通过优化算法计算最优的惯性通道长度和相应的动刚度。结果表明:使用最优的惯性通道参数,可以获得低频大刚度、高频小刚度的理想动刚度曲线。
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