洗车动力总成悬置设计浅议.pdf

北京汽车工程学会2006精华大学蓬本要全与节犍国家望克实联室个人情况简历 1995.3 1995.3-1999.8 1999.9-2001.8 2001.9-2004.3-8 2005.10-12毕业于清华大学工程力学系，工学博士 清华大学工程力学系，讲师、副教授(97)多伦多大学机械与工业工程系，博士后 清华大学汽车工程系，副教授 韩国高等工程研究院,访问教授 德国亚琛工业大学，访问学者联系方式清华大学汽车工程系 邮编：100084电话：[phone]传真：[phone]研究工作概要学术方向 振动分析与控制 汽车动力学与优化 轻量化设计汽车NVH与乘坐舒适性近期研究兴趣 发动机悬置隔振性能评估与设计优化 前端附件皮带传动振动分析与设计 乘员-座椅耦合振动与隔振设计 传动系扭振分析与减振设计动力总成悬置功能及其沿革基本概念与基础理论设计开发中的若干问题设计实例引言动力总成：发动机+离合器+变速箱 动力总成悬置：将动力总成与车体连 接起来的一组零部件纵置发动机动力总成及其悬置5动力总成悬置功能及其沿革1.1 功能 承受发动机、变速箱重量承受各种激振（发动机扭矩，路面激励）约束发动机的运动位移:保证可靠性目标.:隔离发动机振动向车架和驾驶室的传递 衰减发动机加弹性支撑以后的振动幅值 降噪O O 4o o o o o O 5 0 5 0 5 2 2 11 口2-SOJ.secondary stiffnessprimary stiffness2 4 6 8 10 12 14DISPLACEMENT mm6动力总成悬置功能及其沿革1.2悬置沿革刚性连接（19世纪末，汽车发展之初）柔性连接 皮革等（20世纪初）橡胶悬置（1920年代）改进橡胶布置（1950年代）71动力总成悬置功能及其沿革1.2悬置沿革液阻悬置（I960年代）Kammer 1Gummitragkdrpcf/GehusekOrpcrRollbalgLosck&figRingkanalKammer 2 Frcqucc/bcrviulmitv ulntion动力总成悬置功能及其沿革1.2悬置沿革半/主动悬置 Staflung Fihrbotrlat SteMung UrartaufFnKMioru 5tM3”FbhUtneb Steliuna LMdAjf9变速器悬置(b)10动力总成悬置功能及其沿革1.3主要布置形式11动力总成悬置功能及其沿革1.4 问题与思路I 悬置设计VS.振动噪声、其它特性 新的挑战：轻量化、大动率 具体车型要求不同的悬置参数 隔振设计的主要措施：调谐：使固有频率避开共振频率抑制振动响应：变阻尼、主动控制122基本概念与基础理论悬置设计相关的若干概念 坐标系 弹性轴、弹性中心；主惯性轴与扭矩轴 打击中心单自由度系统强迫振动响应与传递率 两类激励下系统的强迫振动响应 动态放大因子-传递率 阻尼的影响 6自由度线性振动模型与运动解耦 6自由度系统模型 运动耦合及三种解耦方法 能量解耦方法及其实现 设计实例简介单自由度模型 6自由度模型132基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念轴 平动形式 转动形式 x Advance Rollingfor&aft y Sieving Pitchinglateral/transverse z Rebound Yawing bouncing坐标系142基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念Minimum principal MOIMaximum principal MOI axis-yzMedium principal MOI axis0 0 4坐标系152基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念弹性轴与弹性中心162基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念 扭矩轴当一个扰动力（力矩）作用于动力总成的主惯性轴时，则动力总成沿此主 惯性轴平动（转动）。通常情况下，作用于发动机总成上的外力矩为绕曲 轴的扭矩。设/为滚摆轴线与主惯性轴的夹角，为主惯性轴与曲轴之间的夹角tgy=十tgW 4。卜:惯件轴3曲轴轴线21拉TM激振力矩172基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念打击中心动力总成-刚体前后悬置中心互为打击中心X前后悬置垂向刚度的一种选择K尸va Krv。182基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率0Resilient IsolatorBsourceSirrfacQ DampingTimedDamperkde r F F192基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率mx+dx+kx=sin cotn H+2nx+cdx=人sin cot0 d k U Fem m mX(0=%1)+%2)片+2%+=0 x2+2nx2+=hsma)t202基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率小阻尼情况下:丫 J 0 a*?-COnA i匕 2匕x2=B sin(0/-0).g=C和C2依据初使条件确定。x0=ct-Bsin cos 0212基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率瞬态响应sin(+0)+B sin(a-0)+Bent f sin(a)dt+/)稳态响应222基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率稳态响应B=/_)2+422八 2na)迎=2 2con-o).(DA=CD n17(1-22)2+4222 e=arctg232基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率1B=/(1-12)2+42242基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率e FkdF力传递率与基础激励下的动态放大因子表达式一致1+4Jk2+(d?sin(+a)基础激励 a=arctg(dco/k)=arctg(2A)/.x=B sin(Gf 8)262基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率基础激励C B=a1+4Q(1-22)2+42220 2女l6=*g(lM)+(2,)28=B/a=1+%2才(1 一无)2+4分2272基本概念与基础理论2.2 单自由度强迫振动响应与传递率阻尼的影响?基础激励a _ I_1+4Q-|(l-22)2+K222282基本概念与基础理论2.3 6自由度系统模型与运动解耦,横向运动（又称横移）工偏转运动（又称平摇）VAWlNd MOTIOU-YAW AXIS-j 变速箱TRANSMISSIONLATERAL OP TRANSVERSE MOTION发动机 ENGINEROLLING MOTION 旋转运动（又称横摇），前后运动（又称纵移）PITCH AXISFORE AND AFT MOTIONf曲轴中心线 CRANKSHAfl CENTRELINEROLL AXIS(AXIS OF MINIMUM INERTIA)俯仰运动（又称纵摇）PITCHING MOTION发动机及变速箱总成的组合重心 COMBINED CENTRE CF-GRAVITY OF ENGINE AND 0011 EO-ONBOUNCING PARTSMOTION反弹运动(又怀至伊)292基本概念与基础理论2.3 6自由度系统模型与运动解耦M3+Kq3=2Tq=x y z a(3 yA 与,Kg,B；3(KgB，3葭Me=kjcyi k kyyi k kyzi kIxy一xzxziyzizzi _M=00Meksi000一zzayi6i-0心0Bi=azi0axi00k.VI Jayiaxi0302基本概念与基础理论2.3 6自由度系统模型与运动解耦运动耦合：若某一个振动模态下（或在某一个广义坐标方向上）的振动 输入，导致另一振动模态下（或另一个广义坐标方向上的）响应，则称 这两个振动模态是耦合的。弹性耦合:h nK=X1=1K/BjKgjB：1=1I xz 一/yzm 0 0=0 m 0 w0 0m振动耦合不利于隔振:两个耦合振动的模态可能产生互相激励，导致振动 放大。惯性耦合:XX-/孙 IXZ一1孙Tyz22VS312基本概念与基础理论2.3 6自由度系统模型与运动解耦解耦：解除运动耦合惯性坐标系下解除弹性耦合：全部解耦322基本概念与基础理论2.3 6自由度系统模型与运动解耦解耦：解除运动耦合扭矩轴坐标系下解除弹性耦合：考虑力矩波动这一特点部分解耦2基本概念与基础理论2.3 6自由度系统模型与运动解耦解耦：解除运动耦合曲轴坐标系下的能量解耦：全部或部分解耦系统以第/阶固有频率振动时第 左个广义坐标分配到的能量所占 系统总能量的百分比显然，当Eu=1,Eg=0（i。j）,各主运动解耦。优化计算：使能量分布矩阵的对角元素尽可能接近1343设计与开发中的若干问题3.1 一般设计流程整车振动水平评估/目标设定参数测试（惯性参数、悬置动/静刚度）悬置布置、位置、类型选择动力学分析与悬置刚度、阻尼参数确定 参数灵敏度分析与悬置几何参数设计冲击载荷下变形、动载荷疲劳寿命验证353设计与开发中的若干问题3.1 一般设计流程对现有设计隔振性 能的评估设计优化胶垫拓扑优化r参数辨识：异形刚体之惯性参数台架振动模态试验,整车振动测试（实验室、路面）I动力学建模与分析优化建模：目标函数、约束条件、设计变量算法开发I方案评价与选择，结构选型材料与几何参数确定：材料试验、拓扑优化I方案评价与选择363设计与开发中的若干问题3.2基本参数的测定悬置三向静、动刚度惯性参数：质量、质心位置、转动惯量、惯性积 几种测定方法：三线摆、直接数字积分、模态参数识别373设计与开发中的若干问题3.2基本参数的测定其它测试383设计与开发中的若干问题3.3设计优化灯 设计变量 几何参数：前后悬置的位置坐标和安装角 机械性能参数：各悬置胶垫的三向刚度系数。*目标函数 频率的合理分布 各主运动之间解耦 低的振动传递率*约束条件 与目标函数互补 适当的最高、最低频率；尽量减少悬置位置的改变量；保证胶垫三向刚度系数满足一定的压剪比。优化设计方法 顺序二次规划方法 转轴直接搜索可行方向法 遗传算法393设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算n=-4H形状系数机=/（），二约束面积/自由面积A尸。上海橡胶研究所：m=1+1.5n-2n2+2,5n3（适用于。0.2）日本机械学会：m=1+2.19n2（适用于正方形和矩形）m=1+1,645n2（适用于圆柱形）403设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算413设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算423设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算Initial Optimized形状/尺寸优化433设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算挑战：可加工性、橡胶本构关系443设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算A=(L-W C Ltg20+l-40 3 D 2DAigle snafdegree453设计与开发中的若干问题3.5动力总成/车身柔性动力总成1弯节点VS.悬置点前后悬置位于节点上，不会 激起第一阶弯曲共振A当节点在后悬置之后时，可减少动力总 成振动对舒适性的不利影响。？A而且随频率升高，该节点会前移。车身一弯节点VS.悬置点463设计与开发中的若干问题3.7 一般原则Ax、y两个方向的固有频率fx、fy：应不与系统其它固有频率重合，主要从降低整车振动和噪声水平考虑，同时，应保证汽车正常行 驶时发动机沿x、y两个方向的窜动量较小；AZ方向固有频率fz:应避开簧上质量、车架、驾驶室等各子系统 固有频率，且一般fzVf怠速惯性力主谐量/；A a方向固有频率fa：fa=(1/2.5-1/3)f怠速扭矩主谐量，还应避开车架 弯曲固有振频；方向固有频率与：1)发动机纵置时，f车架弯曲固频；2)发动机 横置时，fpf车架扭转固频；Ay方向固有频率与:y方向振动易与a方向振动耦合，故应使f产fa o473设计与开发中的若干问题3.7 一般原则侧摆（Roll）模态最重要，另一重要模态为发动机上下跳动模态（垂直模态），能被路面及气缸压力激发。设计中必须防止这两个模态之间鬲耦合设计时希望Roll频率低而跳动频率高。例如对4缸横置发动机，将 悬置点布置在Roll轴上可限制上下跳动值，弓入一个侧摆辅助支 撑，一端与发动机连，一端与副车架连，这样就能将Roll与上下跳 动模态解耦Roll一般为7-9Hz左右，设计较高的怠速，可避开动力Roll频率，但 怠速过高，又有可能把整车弯扭模态激励出来；因此怠速频率应尽 可能低于整车弯扭频率483设计与开发中的若干问题3.8载荷及结构的影响求 ISQAPOU 山 uq050:Frequency.HzPowertrain(on ground)Modal Kinetic Energy Decoupled-Mode System Yaw Pitc h RollVert Lat Long100Yaw Pitc h Roll Vert Lat Long)60 OS 40 c石20 u05.73 7.37 8.33 9.45 10.90 13.70Frequency,HzFrequency,HzYaw Pi 忙 h Roll Vert Lat Long%SQA6ouw uq U Yaw Pitc h Roll Vert Lat Long493设计与开发中的若干问题3.8载荷及结构的影响Body Z Accel Response To Front Wheel Input-All Dec oupled Modes-Bounc e-Pitc hCoupledBounc e-Roll Coupled前轮同相位垂直激励下不同方案对应的 车身垂向加速度响应0.00E+00 0 10 20 30Frequency,Hz三种方案与对应优化后方案的响应比较_000503设计与开发中的若干问题3.8载荷及结构的影响Body Z Accel Response To Rear Wheel Input三 BOQ。All Dec oupled ModesBounc e-Pitc hCoupledBounc e-Roll Coupled0.00E+00 n010 20 30Frequency.Hzurao _80口-R昌笛1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000发动机转速(rpm)5500Tmc idntlficBtion:PriMry ldntificationtFunction class:5七01-1300 CHnn17 7)2.34 rpa vf_tim1qu6cy_sp*ct1000 1500rpm,悬置没有发挥隔振作 用，传递到车架的振动偏大。悬置上（即发动机机体）振动远大于装备同 样发动机的对比车辆。554设计实例4.2 基于6自由度模型的悬置设计基本参数测试564设计实例4.2基于6自由度模型的悬置设计模型验证阶次第1组悬置第2组悬置测定频率(Hz)计算频率(Hz)相对误差(%)测定频率(Hz)计算频率(Hz)相对误差(%)17.2.6.94.210.29.110.8210.010.11.012.413.04.8311.210.74.515.516.67.1413.313.62.317.818.85.6514.014.32.120.822.79.1623.623.91.326.026.51.9574设计实例4.2基于6自由度模型的悬置设计悬置/(Hz)7.816.312.411.814.524.3组1主要振动Xzotrp-ypayy-X97.69%0.02%0.01%1.03%1.24%J0.008 6.90%0.06%1.22%4.8 4%6.97%Z0.000.0097.00%2.97%0.03%0.000.06%8.71%61.17%18.27%9.73%a2.07%把2.25%1.95%0.57%25.96%69.21%0.07%(1r0.00002.42%0.29%7.65%6.41%8 3.23%蹒1悬置.组2/Hz)9.122.7膝16513.126.6W主要振动Xjyz-p-aotrZ-yp-z-ay”,X94.8 8%0.000.31%0.06%4.75%0.00y0.008 0.8 5%1.00%2.8 7%0.15%15.12%z0.57%0.01%54.93%22.25%22.23%0.02%a0.08%.0.34%7.45%62.19%10.17%20.45%4.47%0.04%33.41%0.13%61.67%0.27%Y0.0019.44%289%12.50%1.02%64.14%584设计实例4.2基于6自由度模型的悬置设计优化方案方案1fx=5.90 HzL=14.06 出工=9.50比=7.67 比4=1。8H二fr=16.41 比X98.28%0.000.10o0.55%1.07%0.00y0.0099.52%0.00010%0.090b0.299 bZ0.03%0.0097.06%015%2.76o0.00a0.17%0.29o0.540o8 5,929。3.8 0%9.2996p1.51%0.05%2.21%5.41%90.63%0.18%70.01%0.14%0.09o7.8 8%1.65%90.24%方案2兀二5.8 9比fy=14.09 小八=957 Hz九=7。6 H二4=11.37 比fr=16.08 HzX98.46%0.000.03o0.64o0.8 79o0.00y0.0096 8 3960.000.05%0.02%340%z0.01%0.0098.8 1%0.01%1.17%0.00a0.29%-0.01%0.12%90.63%3.68%5.29%P1.23%0.00103%4 11%93.58%0.05%7001%3.17%0.01%4.56o0.699691.56%59北京汽车工程学会2006