动力总成悬置系统的隔振原理及其设计

摘要:文章从提高动力总成悬置系统的隔振性能的实现出发,概述了总成悬置系统;随后从动力总成悬置系统的假设、动力总成激励分析等方面论述了动力总成悬置系统的隔振原理;最后从动力总成悬置系统的功能、悬置的布置形式及特点等方面简要论述了其设计理论。

关键词:动力总成悬置系统;隔振原理;动力总成激励

中图分类号:U463文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)21-0016-02

1总成悬置系统的概述

动力总成悬置是连接发动机和车架之间的部分,与发动机和变速器一起称为“动力总成悬置系统”。动力总成悬置系统功能的好坏直接影响整车的性能。要提高动力总成悬置系统的隔振性能,目前国内外主要通过以下两种方法来实现:(1)从悬置元件入手。即通过合理设计悬置元件,使悬置元件的自身动特性更能接近最佳状态,更能满足动力总成隔振的各种性能要求。(2)从悬置系统整体入手。即应用振动理论对动力总成悬置系统进行优化设计,使得动力总成悬置系统的整体隔振性能达到最优状态。随着发动机悬置元件将日趋完善,对汽车振动造成的负面影响起到了有效的缓解作用。但是液压悬置要求高、成本高、制造工艺复杂,因此,也使液压悬置的广泛应用受到了限制。于是对多个悬置元件组成的悬置系统进行研究设计,期望通过合理的位置、刚度、阻尼配置达到理想的隔振效果,成为研究热点。

2动力总成悬置系统的隔振原理

2.1动力总成悬置系统的几点假设

动力总成悬置系统是一个复杂的六自由度振动系统,对其进行隔振分析是非常复杂的,在研究和设计该系统时作如下假设:(1)假设动力总成及车架是绝对缸体结构;(2)假设发动机的旋转角速度是一个常数;(3)发动机在水平方向和铅垂方向的振动与回转振动之间互不影响。根据这三点假设,可分别独立的研究以下几种振动:发动机的铅垂振动、回转力矩引起的发动机的振动、发动机绕横轴的振动、发动机绕铅垂轴的振动和横向干扰力的振动。

2.2动力总成激励分析

概括起来,引起发动机振动的振源有:(1)不平衡的回转运动质量所产生的离心力及离心力矩;(2)不平衡的往复运动质量所产生的惯性力及惯性力矩;(3)不平衡的反作用简谐扭矩;(4)个别气缸不发火或爆发压力不均匀;(5)因机身(曲柄箱)刚性不足导致内力矩输出引起的弯曲振动;(6)路面不平坦引起的振动,一般为2.5SHz以下的低频随机振动;(7)由汽车行驶中加速或刹车时的惯性力引起的纵向振动。

本文重点分析四缸四冲程发动机的激励。直列四缸四冲程发动机可视为由曲柄连接起来的几个单缸发动机。作用在直列多缸发动机上的干扰力和干扰力矩都是曲轴转角的周期函数,它们将引起发动机和车架的振动,为了减小这种有害振动,除了合理布置曲柄间的相互位置、采取有效的平衡方法和点火顺序来消除或减少干扰外,还应采取隔振措施来减少发动机传给车架的干扰力。

2.3隔振理论

根据前面论述的假设,可以把6自由度的动力总成悬置系统看成6个单自由度系统,这样可以分别对每个单自由度系统进行隔振分析。典型的单自由度振动系统如图1所示。根据牛顿运动定律得重物的运动微分方程式,进而可以得出位移的通解,从而求出固有频率、周期、振幅和初相位。单自由度系统隔振为主动隔振。同理求出位移的通解,得出主动隔振第一项表示自由衰减振动,称为瞬态振动,它在振动开始后很短的时间内就迅速消失,通常不予考虑。第二项强迫振动不会因阻尼而衰减,称为稳态振动,是一种持续的等幅振动。求出系统的传递率,可用实际传递的力幅FT与激励力幅F0的比值表示。它是评价主动隔振效果的指标。若振源来自支座(或基础)运动,为了减少支座位移对机器及其附件产生的振动,也要采取一定的隔振措施,这种隔振措施称为被动隔振,如图2所示。设来自支座的位移激励为y=Ysinωt,根据牛顿第二定律得出振动微分方程,再解微分方程可得系统在激励下的响应x(t)=Ysin(ωt-ψ)。振幅值:

由该式可得出被动隔振的传递率η(η=X/Y)。显然只有当η。所有系统的固有频率p要小于激励频率的1/。

2.4动力总成悬置系统固有频率范围的确定

由以上分析可知,动力总成有来自两方面的激励,其一,由路面不平坦引起的振动,一般为2.5Hz以下的低频随机振动;其二,发动机工作引起的振动。因此,动力总成悬置系统固有频率的最低频率要大于2.5Hz,一般为6～8Hz。动力总成悬置系统固有频率的最高频率要小于(1/)(N.nmin)/30C(Hz)。一般汽车不会高于30Hz。

3动力总成悬置系统的设计

动力总成悬置系统性能的好坏,对发动机振动的控制有重要影响,下面简要介绍一下动力总成悬置系统的功能、设计的一般要求、悬置的布置形式及特点。

3.1动力总成悬置系统的功能

悬置的功能归纳如下几点:(1)支撑。悬置首先要能承受轿车动力总成的重量,而且每个悬置上分配的重量要尽可能的均匀,同时,动力总成的重心应该在几个悬置中间。(2)抵抗扭矩。发动机工作时,会有力和扭矩作用在悬置上,因此悬置要具有有效地抵抗这个扭矩的功能。(3)隔振。悬置能够大大降低发动机传递到车体上的振动,并且能够有效隔离来自路面的低频振动。同时悬置还可以减小高频结构噪声传递。隔振是悬置最主要的功能。(4)缓冲冲击。汽车在特殊路况下,如突然遇到障碍或加速、减速和转弯的时候会产生冲击力。悬置对这些冲击起到缓冲作用,以避免零部件之间的干涉。(5)如果将动力装置与车身看成为一个两自由度的振动体,那么动力装置相对车身来说就好像一个动力吸振器,悬置的参数对动力吸振器的吸振效果有影响。为了达到有效隔振的目的,悬置的刚度必须较小。而当动力装置作为动力吸振器时,又要求其刚度适中。

3.2动力总成悬置设计的一般要求

上述悬置的主要功能决定了一般设计动力总成悬置系统时必须从以下几个方面考虑:(1)系统解耦。动力总成悬置系统有六个振动模态和六个固有频率,在进行设计时,要确定各模态间的解耦度,通常用撞击中心理论和能量法来解耦;(2)合理配置动力总成悬置系统的固有频率。通过固有频率的合理配置以降低系统的振动传递率;(3)确定动力总成的安放空间和悬置的安装位置;(4)确定悬置数量、布置方式及悬置的种类;(5)悬置系统的零部件必须有足够的强度和可靠性;(6)悬置零部件应符合标准化、通用化、系列化的要求。

3.3动力总成悬置的布置形式及特点

动力装置悬置的布置有很多种,悬置可以安装在动力装置的不同位置。有的采用两个悬置,有的采用三个悬置甚至采用四个五个悬置。轿车常见的布置方式可归纳为两类,一类是底部布置,悬置都安装在支架上,这种布置的安装空间比较大,但隔振效果不是很理想;另一类是悬置布置,悬置安装在自由转动轴上,这种布置隔振效果好,但往往受到空间的限制。

4结语

隔振理论是悬置系统的设计的必要理论铺垫。由于篇幅的原因,这里没有对具体的设计流程和技术进行详细设计,它具体包括整车和动力总成坐标系的建立、悬置基本参数的设计以及悬置支架的设计、动力总成悬置系统模型的建立以及优化设计等内容。

参考文献

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[2] 万里翔,等.液阻悬置动特性建模及汽车动力总成悬置系统振动控制优化[J].振动与冲击,2008,(7).