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摘 要:汽车动力总成悬置系统由弹性支承和刚性支架组成,用于动力总成的支承和定位,减小动力总成与底盘之间的振动传递等。通过合理设计悬置的角度和刚度,使其在满足可靠性要求的基础上,与车架之间的振动传递率较小,并使悬置系统具有较高的振动解耦程度。系统在某个广义坐标方向上解耦,就是沿着该方向的激振力只能引起该方向上的振动,即沿着该方向的激振力所做的功全部转化为该方向的能量。系统的解耦程度通常用解耦率表示,解耦率是指在某阶模态振动时某个广义坐标的振动动能与所有广义坐标的振动总动能的比,当比值达到100%时,系统在该模态振动下是完全解耦的。
关键词:汽车:动力总成悬置系统:扭矩轴:解耦
引言:
近年来,随着人们对汽车乘坐舒适性要求的不断提高,振动和噪声成了汽车设计中非常重要的考虑因素,汽车的NVH性能成了衡量汽车设计水平高低的一个重要因素。随着道路条件的改善和汽车设计的轻量化,发动机成了汽车中最大振源,动力总成悬置系统作为发动机和车身之间的隔振系统,其性能设计优劣直接影响整车的NVH性能。在动力总成悬置系统设计中,尽量要保证悬置系统具有较高的模态解耦程度,悬置系统固有频率要配置在合理的范围内,避免接近整车的其它模态频率而产生共振。
1动力总成悬置系统设计
1.1悬置系统固有频率配置要求
悬置系统匹配时要保证各方向的固有频率在合理的范围内。为保证悬置的使用寿命,不能将悬置橡胶块设计的太软,系统各阶固有频率一般要求大于5Hz:动力总成垂向方向的固有频率应避开前悬架偏频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为4~8Hz,所以悬置系统的垂直固有频率应避免在这个范围内:绕曲轴轴线方向的固有频率应小于汽车怠速振动频率的二分之一,同时也要远离汽车俯仰方向的固有频率。以重型汽车匹配的六缸四冲程柴油发动机为例,点火脉冲频率
式中:n为曲轴转速,r/min:i为发动机气缸数,i=6:τ为发动机冲程数,τ=4。
动力总成怠速时主要激励频率为3阶的点火脉冲频率,即曲轴每转一圈产生3次点火脉冲,作用方向为绕曲轴轴线方向,在怠速550r/min时的点火脉冲频率为27.5Hz,为了有效隔振,激励频率与悬置系统各个方向固有频率的比λ应大于√2,,但λ过大意味着悬置刚度很低,悬置可靠性下降,因此,工程上一般取λ=2~4,本例悬置系统6个方向的固有频率都应控制在6.9~13.8Hz。实现动力总成刚体振动模态解耦是悬置系统设计的重要目标,重点应实现动力总成在垂直和侧倾方向之间,以及垂直和俯仰方向之间的解耦。
1.2动力总成悬置系统动力学分析
动力总成悬置的弹性元件为橡胶块,橡胶块在空间三维方向上都有弹性,但各个悬置的间距比悬置本身的尺寸大得多,由单个悬置本身的角刚度产生的力矩比由各个悬置联合产生的力矩小得多,因此单个悬置的角刚度可以忽略不计,同时因振幅较小,阻尼也可忽略,所以可将单个悬置简化为沿3个弹性主轴的无阻尼线性弹簧。动力总成悬置系统固有频率范围内动力总成只存在刚体模态,因此可以把动力总成简化为一空间刚体,其位置可用质心的3个直角坐标x、y、z,以及绕质心平行于定坐标轴的3个动坐标轴转角θx、θy、θz表示,因而动力总成具有6个自由度,其广义坐标列矢量
动力总成振动系统定坐标系原点在平衡位置时的质心上,x轴平行于曲轴轴线指向车辆后方,z轴平行于各气缸中心线指向发动机上方,y轴垂直于x、z轴指向车辆左侧(面对汽车前方看)。
2动力总成悬置系统的解耦设计
某汽车的动力总成采用4缸发动机,横置在汽车前部,采用四点悬置。由于悬置的布置位置对悬置系统隔振特性影响最为显著,因此在悬置系统设计时首选要合理选择悬置的布置位置。根据车型底盘和发动机的工艺特点,为了使悬置系统具有较好的解耦特性,将左右两个悬置布置在动力总成扭矩轴上,通过悬置支架与车身相连,这两个悬置采用较大的三向刚度,对动力总成的自重和垂向跳动起主承载作用,另外两个悬置布置在动力总成的前后,通过悬置支架与副车架相连,起约束发动机绕曲轴线的扭矩作用。采
用以上的布局具有以下优点。1)左右悬置作为支承动力总成的主悬置布置在扭矩轴上可以减少动力总成的激励向车身的传递。2)跳动、纵摇及扭转解耦性良好,。左右悬置X和Y坐标均落在扭矩轴上,由于实际布置位置限制,左右悬置Z坐标不能落在扭矩轴上,但左右悬置弹性中心的连线基本和扭矩轴平行(图3)。左右悬置的Y方向位置有较大的移动空间,但左右悬置的移动将使得左右悬置的布置位置离开扭矩轴。
当右悬置Y坐标从0mm变化到120mm时,动力总成悬置系统解耦程度的变化如图4所示。图4中X,Y,Z,RX,RY,RZ代表的曲线分别为总成在质心坐标系中沿X,Y,Z轴和绕X,Y,Z轴的能量分布百分比。竖线位置为右悬置Y坐标在扭矩轴上。当右悬置Y坐标离开扭矩轴时,X,Y,Z,RZ4个方向的解耦程度变化不大,RX和RY两个方向的解耦程度迅速下降。
动力总成悬置系统解耦程度随左悬置Y轴坐标的变化如图5所示。从图5可以看出,X,Y,Z,RZ4个方向的解耦程度随右悬置Y坐标的改变变化不大,RX和RY两个方向在扭矩轴位置附近同样出现最大值。由以上分析可以看出该动力总成悬置系统的RX和RY方向的解耦特性随左右悬置的Y坐标变化较大,当悬置向扭矩轴两侧移动时,悬置系统的解耦程度将会迅速降低。為了进一步确定前后悬置的位置,分析了前后悬置位置变化对动力总成悬置系统解耦程度带来的影响,由于前后悬置X和Z坐标变化较为不便,只能改变Y向位置。
结语:
应用拉格朗日方程建立动力总成振动系统关于6个自由度的振动微分方程,并推导出弹性解耦方程,在重型汽车要求装配缓速器或取力器等特殊情形下,发动机缸体后端面静弯矩大于设计允许值时,在变速器上增加辅助悬置,通过求解相应的解耦方程得到动力总成辅助悬置的刚度,在ADAMS软件中应用能量解耦法证明系统解耦效果良好。同时试验和用户使用情况表明,增加辅助悬置后车辆舒适性提高,螺母松动、橡胶块损坏等故障发生率减小,因此利用弹性解耦方程计算辅助悬置的刚度具有一定实际意义。
参考文献
[1] 运伟国,王邵斌,杨少华.重型汽车动力总成悬置NVH性能研究[J].噪声与振动控制,2014,34(05):99-101+149.
[2] 高爽.矿用重型自卸车平顺性仿真分析[D].石家庄铁道大学,2014.
[3] 郭林.某轿车动力总成悬置系统优化设计[D].华南理工大学,2013.
[4] 刘百丽.重型汽车发动机悬置系统隔振性能的研究[D].西安石油大学,2011.
[5] 付江华.轻型客车关键橡胶隔振件性能匹配研究[D].吉林大学,2011.
[6] 刘国超.重型商用卡车动力总成悬置系统匹配与优化设计[D].吉林大学,2009.
关键词:汽车:动力总成悬置系统:扭矩轴:解耦
引言:
近年来,随着人们对汽车乘坐舒适性要求的不断提高,振动和噪声成了汽车设计中非常重要的考虑因素,汽车的NVH性能成了衡量汽车设计水平高低的一个重要因素。随着道路条件的改善和汽车设计的轻量化,发动机成了汽车中最大振源,动力总成悬置系统作为发动机和车身之间的隔振系统,其性能设计优劣直接影响整车的NVH性能。在动力总成悬置系统设计中,尽量要保证悬置系统具有较高的模态解耦程度,悬置系统固有频率要配置在合理的范围内,避免接近整车的其它模态频率而产生共振。
1动力总成悬置系统设计
1.1悬置系统固有频率配置要求
悬置系统匹配时要保证各方向的固有频率在合理的范围内。为保证悬置的使用寿命,不能将悬置橡胶块设计的太软,系统各阶固有频率一般要求大于5Hz:动力总成垂向方向的固有频率应避开前悬架偏频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为4~8Hz,所以悬置系统的垂直固有频率应避免在这个范围内:绕曲轴轴线方向的固有频率应小于汽车怠速振动频率的二分之一,同时也要远离汽车俯仰方向的固有频率。以重型汽车匹配的六缸四冲程柴油发动机为例,点火脉冲频率
式中:n为曲轴转速,r/min:i为发动机气缸数,i=6:τ为发动机冲程数,τ=4。
动力总成怠速时主要激励频率为3阶的点火脉冲频率,即曲轴每转一圈产生3次点火脉冲,作用方向为绕曲轴轴线方向,在怠速550r/min时的点火脉冲频率为27.5Hz,为了有效隔振,激励频率与悬置系统各个方向固有频率的比λ应大于√2,,但λ过大意味着悬置刚度很低,悬置可靠性下降,因此,工程上一般取λ=2~4,本例悬置系统6个方向的固有频率都应控制在6.9~13.8Hz。实现动力总成刚体振动模态解耦是悬置系统设计的重要目标,重点应实现动力总成在垂直和侧倾方向之间,以及垂直和俯仰方向之间的解耦。
1.2动力总成悬置系统动力学分析
动力总成悬置的弹性元件为橡胶块,橡胶块在空间三维方向上都有弹性,但各个悬置的间距比悬置本身的尺寸大得多,由单个悬置本身的角刚度产生的力矩比由各个悬置联合产生的力矩小得多,因此单个悬置的角刚度可以忽略不计,同时因振幅较小,阻尼也可忽略,所以可将单个悬置简化为沿3个弹性主轴的无阻尼线性弹簧。动力总成悬置系统固有频率范围内动力总成只存在刚体模态,因此可以把动力总成简化为一空间刚体,其位置可用质心的3个直角坐标x、y、z,以及绕质心平行于定坐标轴的3个动坐标轴转角θx、θy、θz表示,因而动力总成具有6个自由度,其广义坐标列矢量
动力总成振动系统定坐标系原点在平衡位置时的质心上,x轴平行于曲轴轴线指向车辆后方,z轴平行于各气缸中心线指向发动机上方,y轴垂直于x、z轴指向车辆左侧(面对汽车前方看)。
2动力总成悬置系统的解耦设计
某汽车的动力总成采用4缸发动机,横置在汽车前部,采用四点悬置。由于悬置的布置位置对悬置系统隔振特性影响最为显著,因此在悬置系统设计时首选要合理选择悬置的布置位置。根据车型底盘和发动机的工艺特点,为了使悬置系统具有较好的解耦特性,将左右两个悬置布置在动力总成扭矩轴上,通过悬置支架与车身相连,这两个悬置采用较大的三向刚度,对动力总成的自重和垂向跳动起主承载作用,另外两个悬置布置在动力总成的前后,通过悬置支架与副车架相连,起约束发动机绕曲轴线的扭矩作用。采
用以上的布局具有以下优点。1)左右悬置作为支承动力总成的主悬置布置在扭矩轴上可以减少动力总成的激励向车身的传递。2)跳动、纵摇及扭转解耦性良好,。左右悬置X和Y坐标均落在扭矩轴上,由于实际布置位置限制,左右悬置Z坐标不能落在扭矩轴上,但左右悬置弹性中心的连线基本和扭矩轴平行(图3)。左右悬置的Y方向位置有较大的移动空间,但左右悬置的移动将使得左右悬置的布置位置离开扭矩轴。
当右悬置Y坐标从0mm变化到120mm时,动力总成悬置系统解耦程度的变化如图4所示。图4中X,Y,Z,RX,RY,RZ代表的曲线分别为总成在质心坐标系中沿X,Y,Z轴和绕X,Y,Z轴的能量分布百分比。竖线位置为右悬置Y坐标在扭矩轴上。当右悬置Y坐标离开扭矩轴时,X,Y,Z,RZ4个方向的解耦程度变化不大,RX和RY两个方向的解耦程度迅速下降。
动力总成悬置系统解耦程度随左悬置Y轴坐标的变化如图5所示。从图5可以看出,X,Y,Z,RZ4个方向的解耦程度随右悬置Y坐标的改变变化不大,RX和RY两个方向在扭矩轴位置附近同样出现最大值。由以上分析可以看出该动力总成悬置系统的RX和RY方向的解耦特性随左右悬置的Y坐标变化较大,当悬置向扭矩轴两侧移动时,悬置系统的解耦程度将会迅速降低。為了进一步确定前后悬置的位置,分析了前后悬置位置变化对动力总成悬置系统解耦程度带来的影响,由于前后悬置X和Z坐标变化较为不便,只能改变Y向位置。
结语:
应用拉格朗日方程建立动力总成振动系统关于6个自由度的振动微分方程,并推导出弹性解耦方程,在重型汽车要求装配缓速器或取力器等特殊情形下,发动机缸体后端面静弯矩大于设计允许值时,在变速器上增加辅助悬置,通过求解相应的解耦方程得到动力总成辅助悬置的刚度,在ADAMS软件中应用能量解耦法证明系统解耦效果良好。同时试验和用户使用情况表明,增加辅助悬置后车辆舒适性提高,螺母松动、橡胶块损坏等故障发生率减小,因此利用弹性解耦方程计算辅助悬置的刚度具有一定实际意义。
参考文献
[1] 运伟国,王邵斌,杨少华.重型汽车动力总成悬置NVH性能研究[J].噪声与振动控制,2014,34(05):99-101+149.
[2] 高爽.矿用重型自卸车平顺性仿真分析[D].石家庄铁道大学,2014.
[3] 郭林.某轿车动力总成悬置系统优化设计[D].华南理工大学,2013.
[4] 刘百丽.重型汽车发动机悬置系统隔振性能的研究[D].西安石油大学,2011.
[5] 付江华.轻型客车关键橡胶隔振件性能匹配研究[D].吉林大学,2011.
[6] 刘国超.重型商用卡车动力总成悬置系统匹配与优化设计[D].吉林大学,2009.