液压悬置元件幅变特性的研究.pdf

2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7期 汽车工程 Au t o mo t i v e Eng i n e e r i ng 液压悬置元件幅变特性的研究 木 马天飞 ， 胡杰宏 ， 王登峰 ， 余 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 2 2 01 31 1 3 卫 ， 陈静 ， 乔雪冰 2 ．上海英伦帝华汽车部件有限公 司， 上海2 0 1 5 0 1 [ 摘要] 本文中对某乘用车的液压悬置元件进行研究。首先通过试验得到它 的动态特性 曲线； 然后利用 A ME S i m软件建立其仿真模型， 并进行仿真， 以揭示其动刚度、 阻尼滞后角随激励频率、 振幅而变化的规律； 最后， 通 过仿真计算研究了等效泵压面积、 解耦盘截面积和解耦盘自由间隙对其幅变特性的影响。 关键词 液压悬置 ； 幅变特性 ； 动刚度 ； 滞后角 A S t u d y o n t h e Amp l i t u d e - d e p e n d e n c e C h a r a c t e r i s t i c s o f Hy d r a u l i c Mo u n t C o mp o n e n t Ma T i a n f e i ， Hu J i e h o n g ，Wa n g ’De n g f e n g ， Y u We i ，C h e n J i n g ＆ Q i a o Xu e b i n g 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 v e S i mu 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 2 ； 2 ． S h a n g h a i LT IAu t o mo b i le C o mp o n e n t s C o ．，L t d ．，S h a n g h a i 2 01 5 0 1 [ Ab s t r a c t ] T h e h y d r a u l i c mo u n t c o m p o n e n t o f a p a s s e n g e r c a r i s s t u d i e d i n t h i s p a p e r ．F i r s t l y ， I t s d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s a r e o b t a i n e d b y t e s t ．Th e n i t s s i mu l a t i o n mo de l i s b u i l t u s i n g AMES i m s o f t wa r e，a n d a s i mu l a t i o n i s c o nd u c t e d t o r e v e a l t h e r u l e o f d y n a mi c s t i f f ne s s a n d l o s s a n g l e v a r y i n g wi t h e x c i t a t i o n f r e q u e n c i e s a n d a mp l i - t u d e s ．F i n a l l y t h e e f f e c t s o f the a r e a o f e q u i v ale n t p u mp p i s t o n a n d the s e c t i o n a r e a a n d b a c k l a s h o f d e c o u p l i n g p l a t e o n t h e a mpl i t u d e d e pe n d e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a u l i c mo u n t c o mpo n e n t a r e s t u d i e d b y s i mu l a t i o n． Ke y wo r dsh yd r a u l i c m o un t；a m p l i t ude - de pe nde nt c h a r a c t e r i s t i c s ；d y na m i c s t i f f n e s s；l o s s a ng l e 月 IJ吾 动力总成是汽车重要 的振动 源， 其悬置元件性 能的好坏直接影响着整车 N V H性 能。为 了衰减振 动 、 降低噪声 ， 理想的动力总成悬置元件在低频大振 幅工况下应具有大的动刚度和阻尼 ， 而在高频小振 幅工况下应提供小 的动刚度和小 阻尼特性_ 】 J 。液 压悬置元件 的动态特性 比较符合 以上要求 ， 因此 已 经越来越多地应用于汽车上。 国内外很多学者对液压悬置元件作了深入研究 并取得了大量研究成果。文献[ 3 ] 中采用键合图理 论推导了液压悬置元件的力学模型和动 刚度 ， 文献 [ 4 ] 和文献[ 5 ] 中推导出惯性通道解耦盘式液阻悬 置模型的准非线性模型和线性模型， 文献[ 6 ] 中对 液阻悬置数学分析和试验研究的综合应用进行了有 益的尝试 。文献[ 7 ] 中采用集总参数法和键合图法 建立了惯性通道式、 惯性通道解耦盘式和节流盘惯 性通道解耦盘式 3种液压悬置元件的动力学模 型， 得出上述 3 种悬置元件对频率适应性逐步增强的结 论 。文献[ 8 ]～ 文献[ 1 0 ] 中分别建立 了各 自的液压 悬置元件动力学模型和数学模型， 研究了悬置元件 动刚度和阻尼滞后角随频率变化的主要影响因素 。 综上所述 ， 国内外学者对液压悬置元件 的建模及 其频变特性的研究都已经比较成熟 ， 但对其幅变特性 的研究较少。一般只是通过仿真或者试验结果指 出， 不同激励振幅下的动态特性曲线也不相同， 而激励振 幅对动特性曲线的具体影响尚未进行深入探讨。为 此本文中将针对某乘用车使用的惯性通道解耦盘式 液压悬置元件 ， 在动态特性试验的基础上利用 A ME S ． i m建立其仿真模型， 研究各主要参数对其幅变特性的 影响， 为悬置元件的设计与制造提供参考依据。 吉林省科技支撑计划项 目 2 0 1 0 6 0 0 3 资助。 原稿收到 日期为 2 0 1 1 年 9月 2 1日， 修改稿收到 日期为 2 0 1 2年 2月 1日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 马天飞， 等 液压悬置元件幅变特性的研究 1 某液压悬置元件的试验研究 1 ． 1 结构与工作原理 某液压悬置元件结构如图 1所示。上下两部分 惯性通道体结合在一起形成螺旋形的惯性通道。在 惯性通道体中心部位开有很多小圆通孔， 橡胶解耦 盘夹在中间， 形成了解耦通道。解耦盘与上下惯性 通道体之间有一个自由间隙A d ， 液体可经过惯性通 道体上的4 , f L 与解耦盘一起振动。 图 1 液压悬置元件结构 承受低频大振幅激励时， 解耦盘迅速靠向一侧 惯性通道体。液体不能通过， 只能经过惯性通道在 上、 下液室之间流动， 产生较大阻尼； 当承受高频小 振幅激励时， 惯性通道中的液体来不及流动， 此时解 耦膜将产生很小的轴向振动， 吸收液室内的压力波 动， 可明显衰减高频振动， 有利于防止动态硬化。 1 ． 2 动特性试验与分析 利用 M T S 7 9 3试验台测量该液压悬置元件的垂 向动刚度和阻尼滞后角。根据汽车平顺性分析的要 求， 本次试验分析频率范围为 0 1 0 0 H z ， 测试条件 如表 1 所示。 表 1 液压悬置垂 向动刚度测试条件 预载荷／ k N 激励幅值／ m m 测试频 gJH z 士 O ． 2 5 l～1 o o 1 ． 3 O ． 5 1～1 o o 1 1～5 0 试验得到其动刚度和阻尼滞后角曲线如图2所 示。对比其他同类型悬置元件的动刚度和阻尼滞后 角的试验曲线发现， 它们的频变特性相似， 但幅变特 性相差很大。 星 衄 襄 圜 频率／ H z a 动刚度 频率／ H z b 阻尼滞后角 1 一振幅 l mm 2 振幅 0 ． 5 ram 3 一振幅 0 ． 2 5 ram 图2 某液压悬置元件的动特性试验曲线 图中动刚度和滞后角都随激励振幅的增大而增 大， 符合大振幅激励下需要大刚度和大阻尼的要求， 对衰减振动和限制动力总成位移过大更加有利 。 可见 ， 对于相同类型的液压悬置元件， 虽然它们的动 态特性参数随激励频率的变化趋势基本相同， 但随 激励振幅变化的情况却有很大差别。 2 利用 A M E S i m进行建模仿真 2 ． 1 建立悬置元件 A ME S i m 仿真模型 通过对该液压悬 置元件力学特性 的深入研究 ， 建立在 A M E S im中的仿真模型如图3所示。模型中 橡胶主簧部分可设定其刚度和阻尼； 模拟上、 下液室 部分可以设定液室初始体积、 液室体积刚度和等效 泵压面积 ； 惯性通道可以设定惯性通道截面积 、 惯性 通道长度、 弯角半径等参数； 在解耦盘部分可以模拟 解耦通道的截面面积、 解耦盘 自由间隙和解耦盘及 附加液柱的质量 。 2 ． 2 仿真分析 在仿真模型上端施加单频正弦位移激励， 测量下 端的响应力。由于液压悬置元件的非线性特性 ， 得到 的响应力信号中存在着激励频率的奇数倍高频成分， 但这些高频谐波的幅值较小。根据描述函数法 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 6 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7期 图3 液压悬置元件 A ME S i m仿真模型 利用 M a t l a b 编程通过 F F T r 计算响应信号中与激励频 率相同的谐波分量， 它与激励信号的幅值比和相位差 就是悬 置 元 件 在该 频 率 下 的动 刚 度 和 阻尼 滞 后 角 。改变激励的振幅和频率， 即可得到悬置元件 动刚度和阻尼滞后角在不同振幅下的频变特眭。 根据实际工况要求设置激励振幅分别为 0 ． 2 5 、 0 ． 5和1 m m， 激励频率 1 ～ 1 0 0 H z ， 得到悬置元件动态 特性的仿真结果， 如图 4 所示。与图2的试验结果 相比， 动刚度曲线符合 良好， 0 ． 5和 1 m m振幅激励下 阻尼滞后角偏大。这是因为在试验过程中， 随着激 励振幅的加大， 悬置元件内部液体温度逐渐升高， 黏 度逐渐降低， 导致其阻尼滞后角减小； 而在仿真计算 过程中忽略了液体温度变化和黏度下降对阻尼滞后 角的影响， 因而出现较大偏差 。 童 堇 恶 挺 葛 频率／ H z 频率／ H z b 阻尼滞后角 0 ．2 5 mm⋯0 ． 5 mm - - l mm 图4 悬置元件动态特性仿真结果 3 幅变特性仿真分析 在所建立 的悬置元件仿 真模 型基础之 上， 分别 调整各模型参数的值进行仿真， 得到不同参数对其 幅变特性的影响， 发现等效泵压面积、 解耦盘自由间 隙和解耦盘截面积 3个参数对悬置元件 幅变特性 的 影响非常明显。 3 ． 1 等效泵压面积对幅变特性的影响 橡胶主簧上下运动时产生类似 于活塞的泵吸作 用， 其等效泵压面积 A 。 定义为单位位移行程下所排 开的液体体积。选择等效泵压面积原始值A 的0 ． 5 倍和4 倍分别计算， 得到悬置元件的动态特性曲线 如图 5所示。由图可见 ， 悬置元件 的动刚度和阻尼 滞后角随等效泵压面积的增大而迅速增大； 同时， 悬 置元件的幅变特性也发生很大变化。在等效泵压面 积为0 ． 5 A 。 时， 动刚度和阻尼滞后角都随激励振幅 增加而变大。但当等效泵压面积为 4 A 。 时， 激励振 菖 乓 琶 稃 舍 { 量 趟 甍 需 援 糖 圜 频率／ Hz a O ． 5 A 。 时的仿真结果 频率／ H z b 4 A 。 时的仿真结果 一 0 ．2 5 mm⋯0 ． 5 mm⋯ ⋯ - l mm 图5 等效泵压面积对幅变特性的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V 0 1 ． 3 5 N o ． 7 马天飞， 等 液压悬置元件幅变特性的研究 6 0 7 幅越大动刚度反而越小， 而随着激励振幅的改变， 阻 尼滞后角没有 明显变化 。 3 ． 2 解耦盘自由间隙对幅变特性的影响 解耦盘自由间隙分别选为原始值 h d的 5 ％和 2 4 ％时， 所得悬置元件动特性曲线如图6 所示。 量 嫠 帚 援 也 烧 世 西 言 幕 1l 娶 悫 四 盟 频率／ Hz a O ．0 5 A d 的仿真结果 频 率／ Hz b O ． 2 4 A d l的仿真结果 一 O．2 5 ram⋯- -O ． 5 mm⋯⋯⋯ 1 mm 图6 解耦盘 自由间隙对幅变特性的影响 由图可见， 当解耦盘 自由间隙为实际模型的 5 ％时， 振动激励幅值越大， 动刚度和阻尼滞后角都 越小， 这与实际模型的结果趋势相反。当解耦盘 自 由间隙为实际模型的2 4 ％时， 不同振幅激励下悬置 元件的动刚度和阻尼滞后角差异较小， 并出现交叉 重叠现象， 是处于 A d和0 ． 0 5 A d两种幅变特性之间 的一种过渡现象。 3 ． 3 解耦盘截面积对幅变特性的影响 解耦盘截面积分别选为原始值 A 的 5 ％和 2 4 ％时， 得到悬置元件的动特性曲线如图7 所示。 言 警 稃 一 5 0 4 0 3 0 船 2 0 詈 1 。0 ， 、 6 0 0 吕 童 5 0 0 4 0 0 3 o 0 需2 0 0 5 0 4 0 蓬 3 0 艇 2 0 量 频率／ H z a O ．0 5 A d 时的仿真结果 频率／ Hz b O ．2 4 A d 时的仿真结果 一 0 ． 2 5 ram ⋯ - 0 ． 5 mm ⋯⋯ ⋯ l mm 图 7 解耦盘截面积对幅变特性的影响 由图可见， 当解耦盘截面积为实际模型的5 ％ 时， 振动激励幅值越大， 悬置元件的动刚度和阻尼滞 后角都越小， 其变化趋势与实际模型相反。而当解 耦盘截面积为实际模型的2 4 ％时， 悬置元件的动态 特性曲线也呈现出交叉重叠现象， 是一种过渡状态。 对 比图 6和图 7可 以发现 ， A d和 A 对其动态特性 的影响是一致的。 综合以上影响因素可发现， 液压悬置元件幅变 特性对等效泵压面积非常敏感， 因此在设计过程中 应慎重使用； 而解耦盘的截面积和 自由间隙对幅变 特性的影响比较微弱， 应考虑优先使用。 4 结论 1 通过实验验证了利用 A M E S i m软件能够建 立正确可信的液压悬置元件仿真模型。 下转第 6 3 9页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 7 王树凤， 等 行星齿轮式转向机构设计的研究 6 3 9 蛭 堡 犀 整 时间， s a 质心侧偏角 b F WS 与4 WS 运动轨迹 图 1 2 中高速时车辆的转向性能仿真曲线 4 结论 1 分析了行星齿轮转向机构设计参数的变化 对前后轮转角的影响。 2 以零质心侧偏角控制策略为目标 ， 依据车 辆动力学最小总方差理论， 获得了前后轮转角与转 向盘转角的关系曲线， 据此可获得具体的转向结构 设计参数 。 3 通过具体实例的整车仿真说明， 所设计的 行星式齿轮动态转向机构能大大提高车辆低速时的 机动灵活性和高速时的稳定性。 参考文献 王树凤， 郝秀成． 五轴转向重型汽车转向性能的研究[ J ] ． 汽车 工程 ， 2 0 0 8， 3 0 2 1 6 7 1 6 9 ． Wa t a n a b e K，Ya ma k a wa J，T a n a k a M，e t a1．Tu r n i n g Ch a r a c t e r i s t i c s o f M u l t i - a x l e V e h i c l e s [ J ] ．J o u r n a l o f T e r r a m e c h a n i c s ， 2 0 0 7 ， 4 4 81 8 7． R a n g a v a j h u l a ， K r i s h n a ， e t a 1 ．E ff e c t o f Mu l t i a x l e S t e e ri n g o n O ff - t r a c k i n g a n d Dy n a mi c L a t e r a l Re s p o n s e o f Ar t i c u l a t e d T r a c t o r -，t r a i l - e r C o m b i n a ti o n s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rna l of H e a v y V e h ic l e s y s ． t e rns ， 2 0 0 7 ， 1 4 4 3 7 6 4 0 1 ． 王兰群． 汽车四轮转向系统中少齿差行星齿轮传动的分析 [ J ] ． 黄石理工学院学报， 2 0 0 5 ， 2 1 3 4 O 一 4 2 ． 秦志敏， 徐炳耀， 周宝妮， 等． 汽车转向角成比例四轮转向的探 讨[ J ] ． 福建农业大学学报， 1 9 9 9 ， 2 8 1 1 0 3 1 0 6 ． 郭孔辉． 汽车操纵稳定性[ M] ． 长春 吉林人民出版社， 1 9 8 3 1 6 6一】 7 2 上接第 6 0 7页 2 即使液压悬置元件的结构相同， 其动态特 性随激励振幅的变化规律也会由于结构参数的不 同 存在较大差异 。 3 影响液压悬置元件动态参数幅变特性的主 要因素有等效泵压面积、 解耦盘的截面积和 自由间 隙。后两者的乘积决定了解耦盘一次振动引起上液 室体积的变化量。它们对悬置元件幅变特性的影响 效果可认为是一样的。 4 通过调整模型参数可获得不同的动刚度和 阻尼滞后角的幅变特性 ， 而解耦盘的截面积和 自由 间隙等参数易于修改， 可为适合不同系统要求的悬 置元件的设计提供参考。 参考文献 [ 1 ] 吕振华， 等． 液阻悬置动态特性实验方法及实测分析[ J ] ． 中国 机械工程 ， 2 0 0 4 ， 1 5 2 1 8 2 1 8 6 ． 【 2 ] 李楚琳 ， 蒋学锋 ， 等． 液压悬置的结构与动特性分析[ J ] ． 湖北 汽车工业学院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 3 1 7 一 l 0 ． [ 3 ] F l o w e r Wa l l a c e c ．U n d e r s t a n d i n g H y d r a l i c M o u n t s f o r I m p r o v e d N o i s e ， V i b r a t i o n and R i d e Q u a l i t i e s [ C ] ． S A E P a p e r 8 5 0 9 7 5 ． [ 4 ] S i n R， K i mG ． L i n e a r A n M y m s ofA u t o m o t i v e H y d r o ． m e c h a n i c al Mo u n t s w i t h E m p h a s i s o n D e e o u p l e r C h a r a c t e ri s ti c s [ J ] ．J o u r n al o f S o u n d an d Vi b rati o n。 1 9 9 2， 1 5 8 21 9 2 4 3 ． [ 5 ] K i m G ， S i n g h R ． A S t u d y o f P a s s i v e and A d a p ti v e H y d r a u l i c E n - S i n e Mo u n t S y s t e ms wi t h Emp h asi s o n No n l i n e a r Ch ara c t e ris t i c s [ J ] ． J o u rnal of S o u n d and V i b r a t i o n ， 1 9 9 5 ， 1 7 9 3 4 2 7 4 5 3 ． [ 6 ] S h a n g g u a n We n b i n ， L u Z h e n h u a ．M o d e l i n g o f a H y d r a u l i c E n g i n e Mo u n t wit h F l u i d s t r u c t u r e I n t e rac ti o n F i n i t e El e me n t An aly s i s [ J ] ． J o u r n a l o f S o u n d and V i b r a t i o n ， 2 0 0 4 ， 2 7 5 9 3 2 2 1 ． [ 7 ] 张云侠， 等 发动机被动液阻悬置动态特性比较研究[ J ] ． 应用 力 学学报 ， 2 0 o 8 3 ． [ 8 ] 冯振东， 等． 动力总成液力悬置的动特性仿真[ J ] ． 汽车工程 ， 1 9 9 4 ， 1 6 4 ． [ 9 ] 吕振华， 等． 液压悬置隔振特性计算分析与试验研究 [ J ] ． 中国 机械工程 ， 1 9 9 7 I ． [ 1 O ] 陈狲， 等． 发动机液压悬置动特性分析[ J ] ． 西华大学学报， 2 0 1 0 3 ． [ 1 1 ] 严济宽． 机械振动隔离技术[ M] ． 上海 上海科学技术文献出 版社 ， 1 9 8 6 ． [ 1 2 ] A b i l i o A z e n h a ， J A T e n m i r o M a c h a d o ． O n t h e D e s c ri b i n g F u n c t i o n Me t h o d and t h e P d i c t i o n o f L i mi t C y c l e s i n N o n l i n e a r【 y n ami n c al S y s t e m s [ J ] ． S A M S ， 1 9 9 8 1 ． [ 1 3 ] 秦树人． 工程信号处理[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 8 ． 1●-1 J 1 J 1 j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m