汽车发动机液压悬置.doc

湖北汽车工业学院

Hubei
《汽车新技术》
课程结业论文
论文题目：汽车发动机液压悬置
指导教师：姚胜华 张庆永
学校名称： 湖北汽车工业学院

发动机液压悬置
摘要：发动机液压悬置是非线性很强的隔振元件，其动特性因激振频率和激振振幅的改变而改变。试验分析和理论研究是研究液压悬置的两种基本方法。文中通过分析典型液压悬置的结构特征，全面总结液压悬置的试验方法、理论模型和优化设计方法等方面的研究现状，分析了将试验研究和理论分析相结合、采用系统参数识别方法对液压悬置进行研究的可行性，并探讨了最优试验设计准则。
关键词：发动机液压悬置 振动噪声 发展

发动机液压悬置是连接发动机和车体之间的支承隔振元件，它能隔离发动机的振动和噪音向车厢内的传递，明显提高整车车内的舒适性。液压悬置主要应用于中高档轿车的发动机支承。
发动机通过悬置弹性连接在车架上。悬置元件既要隔离发动机在正常工作范围内产生的振动和高频噪声向车体的传递，又要保证汽车在振动、突然加减速、转弯等工况下，发动机始终保持在设计位置，使整个动力总成不因发动机和车架之间的相对运动过大而受损。为此，发动机悬置应在高频振动激励(大于25)下，具有低刚度和小阻尼的特性，以减小振动的传递和高频噪声，一般认为这时的激振振幅很小，为0.1级；同时在低频振动激励(1～25)下，具有高刚度大阻尼的特征，以有效衰减车架的低频振动对发动机的影响，这时的激振振幅较大，为1mm级。因此理想的发动机悬置是一个动特性随激振振幅和振动频率变化而变化的元件。液压悬置因其具有良好的隔振性能而广泛应用于现在的汽车上。
本文从介绍液压悬置的基本结够，从试验研究和理论分析两方面对液压悬置的研究现状进行介绍，并对液压悬置的未来研究方向进行了探讨
液压悬置的基本结构和性能评价指标。按控制方式分，液压悬置可分为被动式、半主动控制式和主动控制式。后两种控制方式的液压悬置虽然在隔振、减振、降噪性能方面均优于被动式液压悬置，但由于结构复杂、成本高、系统稳定性差等问题，还没有被广泛使用。目前中低档轿车普遍使用的。
早期的被动式液压悬置在上、下液室之间只有小孔连接，靠液体流过小孔的节流阻尼来衰减发动机振动,其大阻尼特性在低频振动时可以控制发动机的位移，但高频时会恶化隔振效果。后来开发的悬置增加了解耦膜结构，阻尼演变成了环形和螺旋型的惯性通道，解耦膜的加入很好地解决悬置在高、低频理想特性之间的矛盾，大幅度降低了高频振动传递率。新的发展趋势是在上液室中加入节流盘结构，试验分析表明，节流盘加入使悬置在更宽的频带内具有良好的隔振特性。但对节流盘理论分析现在还鲜有文献介绍，研究中一般忽略节流盘，直接分析和其对应的惯性通道膜式液压悬置的动态特性。因此惯性通道解耦膜式液压悬置是目前研究较多的一类悬置产品。橡胶主簧液压悬置的主要承力构件，不但承受发动机的静载和大部分动载，而且还应具有一定的抗过载能力。解耦膜、惯性通道体和橡胶主簧围成上液室，和下部橡胶膜围成下液室。液室内充满不可压缩的粘性液体。液体受橡胶主簧泵压作用，在两腔内流动。当激振频率较低、振幅较大时，解耦膜随振动靠向一侧的挡板，阻止液体流过。液体只能通过惯性通道在上、下液室流动。惯性通道中液体的振动惯性力产生的阻尼可起到显著的减振作用；当激励频率较高、振幅较小时，惯性通道中的液体流动减弱，解耦膜会产生微小的轴向刚体振动位移，有效减轻上液室压力波动，有利于降低悬置的高频动刚度，防止“动态硬化”的发生。

1.联结螺栓; 2.金属骨架; 3.橡胶主簧; 4.缓冲限位盘; 5. 解耦盘;6.惯性通道入口; 7.惯性通道上半部; 8.惯性通道; 9. 惯性通道下半部分; 10.下腔室底膜; 11.底座; 12.定位销; 13.联结螺栓; 14.空气室 15.气孔; 16.补偿孔
目前，液压悬置的结构形式很多，但这些悬置基本的结构和功能是一致的。典型的液压悬置具备以下几个特点：
①具有橡胶主簧，以承受静载和动载荷。同时具有过载保护结构。
②至少有两个独立的液室，能使液体在它们之间流动。
③液室之间有能产生阻尼作用的孔或惯性通道对于有解耦作用的液压悬置，还应有解耦盘或解耦膜。本文的研究对象还包含补偿孔。
④液压悬置内部有液体工作介质，有多室式液压悬置内部还有气室。
⑤液室和外部应有良好、可靠的密封。研究表明，液压悬置主工作腔内部最高能达到3个大气压，任何泄露都将导致液压悬置的性能的降低甚至失效。
基本结构分析，弹性支承部分—联接螺柱是连接发动机支承臂和悬置的关键联接件，要尽量加大螺柱的强度和刚度，并进行表面处理以提高其耐腐蚀性。在其和铝芯的镶嵌中，采用了防止钉自转和Z向相对运动的措施。
金属骨架2—用来将橡胶主簧和联接螺柱连接起来为了减轻橡胶主簧动载荷，金属骨架选用铝合金材料。联接螺柱和金属骨架通过铸造成为一体，保证了它们之间的密封。为弥补橡胶主簧刚度不足，橡胶主簧内部有一个薄的杯形骨架，一般采用含硅、锰的钢，以保证强度要求。它的存在保证了橡胶主簧的形状，并且提高了液压悬置的侧向静刚度。正确地设计金属骨架和杯形骨架的形状对于改善橡胶主簧内部的应力分布、避免粘接处的应力集中很有意义。橡胶主簧3—是液压悬置的主要承力构件，要承受动力总成的垂向和侧向的静、动载荷，并且它的体积刚度对液压悬置的动特性有重要影响。由于橡胶主簧工作环境非常恶劣，因而要求橡胶材料有耐-40~100℃温度性能、高的耐疲劳性能、可靠性、耐臭氧、耐龟裂、耐腐蚀性和耐油性等，还要求有良好的和金属的粘接性，所以大多采用天然橡胶或者丁腈胶。
缓冲限位盘的功用是控制橡胶主簧的压缩极限位置。它使得液压悬置向静刚度呈强非线性。当汽车起动、停车、突然加速以及高速行驶突然制动时液压悬置要承受很大的动载荷橡胶主簧变形大，缓冲限位盘可能碰到惯性通道体的上表面，从而限制发动机过大的位移。可知在缓冲限位盘的下端粘接有 约一层3mm厚的橡胶块，保证了缓冲限位盘和惯性通道体之间较为平滑的接触。底座是另外一个承力构件，也是液压悬置密封的关键零件，它同时保护底膜免受损坏。要求底座刚性好，具有足够的高频隔振性能。一般选用铝合金材料，以尽量降低液压悬置本身的自重，同时提高它的耐腐蚀螺栓13通过点焊和底座固联，它的松动也引起了悬置的失效。底座上有通气孔15,和大气相通。有的液压悬置底座上没有通气孔，从而封闭了一定数量的空气，增大了下腔的体积刚度12。
联接螺柱1—用来安装发动机，联接螺栓13用来将动力总成固定到车体上。联接螺柱1和联接螺栓13之间有8°的角度，这是为达到V型布置而设计的。V型悬置系统相对于平行布置系统有如下的特点13：具有较大的刚度，又具有足够的横摇柔度；并且能使垂向、横向和横摇之间解除弹性耦合；便于调整其弹性中心，使动力总成的第一阶刚体模态为绕扭矩轴的单纯横摇振动模态；使动力总成的六个刚体模态相对集中，便于和汽车其它子系统之间的合理匹配。
底膜呈波纹状，其体积刚度比橡胶主簧体积刚度小很多，几乎可以看作是自由变形。它用来吸收上液室的体积变化，惯性通道体用铝合金材料制，质量轻，耐腐蚀性好。它包括上、下两部分，它们通过过盈配合紧紧地被压在一起，并形成惯性通道，解耦盘被紧紧地压在中间。隔板上开有中心孔，和解耦盘一起形成了解耦通道。解耦盘和惯性通道体的限位内表面之间有机械间隙δ。它使得解耦盘的向上或向下的位移小于δ时，解耦盘的刚度特别小。解耦盘中的补偿孔用来降低低频空穴噪声。在低频大振幅的激励下，当橡胶主簧向上运动时，由于液体的粘性和惯性，来不及对上腔作流动补偿，于是在上腔产生真空度，产生空穴噪声，采用补偿孔是消除空穴噪声的有效措施，但以牺牲低频大振幅时的隔振能力为代价，液压悬置的密封液压悬置相当于是在橡胶悬置的基础上并联了一个液力减振器。如果密封不可靠，液体泄露，将会导致液压悬置失效，因而，密封是一个很重要的问题。
试验分析液压悬置的试验包括悬置元件试验和内部组件试验。悬置元件试验的目的是获得悬置在不同的激励频率和振幅下的三向动刚度和滞后角特性，为仿真分析的验证和悬置的优化设计提供数据参考。组件试验的目的是分析单个组件在整个悬置元件中的作用，测试主要组件的特性参数值，如橡胶主簧弹性系数，阻尼系数上、下液室体积刚度。和橡胶主簧等效泵压面积。具体试验包括：悬置元件及橡胶主簧刚度和阻尼测试，上、下液室体积刚度测试，惯性通道阻尼系数测试，液体物理参数测试以及悬置结构参数测量等。悬置元件的动刚度和阻尼测试可在实车上进行，也可在试验台上进行。实车测试应选择水平地面且远离振动环境，变速器挂空挡，发动机转速从怠速800到4000。由加速度传感器拾取各试点振动信号，并经计算得到悬置元件的减振特性。台架测试多采用稳态正弦激振和位移控制方法测试悬置在不同激振频率下的动刚度和阻尼参数。悬置的三向特性试验表明，液压悬置的切向动特性取决于橡胶主簧特性，和液力减振部分基本无关。因此在对悬置进行建模和仿真分析时，主要针对悬置的动特性。
试验研究和理论分析是目前对悬置研究最常用的方法，但二者自身都有局限性。试验研究的局限性表现在：
a．试验的数据不具有广泛性。由试验数据拟合的特性曲线只适用于特定悬置元件。
b．悬置试验对设备的要求高。悬置研究需进行的高频小振幅试验对试验台的性能要求很高，对于细致的组件试验，还需要另行设计试验设备。
c．悬置中的某些特性无法测量。如液压悬置在高频激励下、上液室内流场分布和压强分布液室内气液混合等。这些因素往往导致液压悬置动特性恶化，因此不能仅通过试验来了解悬置特性还要结合合理的理论分析。
结合精确的数学模型和匹配发动机的振动特点及基本性能，可以对悬置元件的部分几何参数进行优化设计，使整个隔振系统的隔振特性更加优良。目前对悬置元件的优化设计还没有成熟的理论，多数研究停留在分析悬置内部关键参数对悬置动特性的影响上。文献介绍了利用位移传递率曲线上的不动点位置进行液压悬置内部优化的方法。优化变量为等效液力弹簧弹性系数和橡胶主簧弹性系数比，优化变量比较抽象，优化结果不利于直接指导液压悬置的结构设计为满足发动机悬置理想特性的要求，更好地提高液压悬置的频变特性幅变特性，应该成为发动机悬置优化设计的目标
总之，发动机液压悬置在中国以及国外已经广泛的使用，为改善轿车的舒适度和噪音做出了重大的贡献，但是在价格和各方面影响下，发动机液压悬置只能普及些高档汽车，不过在不久的未来中国市场上会更好的利用和普及液压悬置，也会在未来使得液压悬置发展的更加的完善。
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