发动机悬置振动分析及其参数优化设计-论文(编辑修改稿)

发动机悬置振动分析及其参数优化设计-论文(编辑修改稿)内容摘要：

M 文件，从而为进一步的优化设计做好准备。 并且利用 MATLAB 进行编程计算，初步分析了 分析悬置动态特性对动力总成振动的影响。 4．根据动力总成的测试参数，在 ADAMS 里面建立了该发动机动力总 成悬置系统的六自由度模型。 此模型计算结果与 MATLAB 程序的计算结果的一致性，说明两个模型的正确性。 5．利用在 Matlab 里建立的模型对此发动机悬置系统进行了优化，并说明优化结果的正确性和可信性。 重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 12 2 动力总成悬置的基本理论 动力总成隔振基本理论 发动机隔振理论概述 汽车是一个具有质量、弹性和阻尼的复杂振动系统，由汽车各个子振动系统组成，每个子系统都有各自的固有频率和特性。 汽车在行驶时，常因为路面不平、车速变化、转向、发动机振动、传动系统不平衡等外部和内部的激励，产生整车和局部的剧烈振动。 其中发动机是汽车的主要振源之一，由它产生的振动如果得不到很好的控制，会引起车身板筋件及与车架相连的其它零件产生振动和噪声，同时还会影响汽车的操纵稳定性和平顺性，使乘员产生不舒服和疲惫的感觉，严重时甚至损坏汽车的零部件，大大缩短汽车的使用寿命。 经济性和乘坐舒适性是现代汽车设计中追求的两 个重要指标。 为了获得良好的经济性，现代汽车设计在发动机中采用轻型材料，而这种设计会引起更复杂的车体振动，增大了驾驶室和车身的噪声和振动，对乘坐舒适性产生不利的影响。 这就对发动机与车体之间的隔振提出了更高的要求，因此如何更有效的进行隔振已成为汽车设计的重要课题。 发动机隔振设计的要求 车速的提高和汽车的轻量化，使得发动机振动引起的各种问题日益突出，发动机悬置系统的设计研究受到越来越多的重视。 理想的发动机悬置系统应满足多方面的要求： 1) 支撑作用：发动机悬置应能将发动机相对固定在一定的区域内，使其 不至于产生过大的静态位移，从而影响发动机的工作。 重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 13 2) 限位作用：在发动机动力总成受到各种干扰力（制动、加速、减速等）作用的情况下，悬置系统能有效的限制其最大位移，以避免与相邻零部件发生碰撞与干涉。 3) 隔振作用：隔振作用包括两方面，其一是降低动力总成振动向车身的传递，使得发动机的振动不会影响到整车的性能；其二是衰减由于路面激励引起的动力总成振动，使得路面引起的车身振动尽量不影响发动机的工作。 一般地，发动机动力总成系统在空间六自由度系统内是耦合的，一个方向上的激励可以引起多个方向上的振动。 耦合振动会导致 动力总成的共振频率范围扩大，这时要达到较好的隔振效果就需要使用较软的悬置。 但这会导致动力总成位移变大，产生干涉。 所以发动机悬置系统的设计是一个综合各方面的因素，综合考虑的过程。 目前国内外主要是通过两种途径来设计和改善发动机悬置系统的性能 [4]： 1) 通过研究悬置本身的特性来提高悬置的性能，保证发动机悬置在工作的过程中表现出最佳的状态； 2) 通过隔振理论对发动机悬置系统进行设计分析，保证发动机悬置的各个自由度解耦、各个悬置的位移幅值最小等较佳的状态。 本文将通过第二个方面来对汽车发动机悬置系统进行设计。 作用在发动机动力总成上的激励力 从发动机隔振作用中看到发动机悬置的两个隔振目标可以看到，发动机动力总成主要受到两个振源激励作用，一个是路面的不平通过车轮和车架即悬挂系统作用在发动机上，另一个则是发动机自身在运行中产生的周期力所产生的振动。 路面激励的幅度虽然变化很大，但是基本属于低频范围的，其频率一般在 以下；而汽车的发动机是一个强烈的振动源及噪声源，为了提高发动机的效率降低耗油率，发动机内的爆发压力不断提高，因此激振力也大大增加了，相应的噪声振动也更加剧烈了。 发动机的振动激励主要是由曲轴 旋转的不平衡及气缸内燃气爆炸往复做功产生的。 重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 14 动力总成悬置系统动力学模型的建立 发动机悬置系统是一个复杂的多自由度振动系统。 发动机悬置系统质量分布也总是不均匀的，因而悬置的刚度必须是不同的。 发动机质心与悬置顶点不位于同一平面内，并且通常有几种激振力同时作用，如发动机的一阶和二阶往复惯性力，它们的作用线没有一个是通过系统重心的，会产生力矩，从而产生转动。 因此，在建立发动机悬置系统时，需要考虑发动机动力总成必须包含三个 平移 和三个转动，并考虑存在不同方向间运动的耦合。 这种运动耦合可能是不利的，例如某悬置布置方式可用于有效的隔离竖直方向的激振力，但如果这个激振力含有水平分量且扰动频率又接近于水平振动的固有频率时，因为不对称，耦合将激励起过分大的斜向一边的幅值。 振动的型式取决于发动机的质心位置、主惯性轴的位置、激振力的方向和作用点、悬置的刚度特性及布置位置等等。 多一种振动形式就多一种固有频率，多一次引起共振的机会，从隔振方面分析， 当然是不利的，特别是耦合振动更应力求避免，因为它扩大了共振的频率范围，从而增加了隔振的困难。 因此在实际 工程中，总是让悬置布置具有一定的规律，力求最大程度地减少耦合振动的发生 [5]。 发动机总成动力学模型 机械系统的振动特性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼。 实际机械结构的这些性质都是比较复杂的，为了能运用数学工具对它们的振动特性进行分析计算，需要将实际系统作一定程度的简化：忽略次要因素，简化其质量、刚度、阻尼等参数的性质和分布规律，建立起既能反映实际系统的动力学特性又有可能进行计算的动力学模型。 当一个实际振动系统比较复杂时，建立的模型越复杂，越能接近实际情况，也越能进行逼真的模拟，但往往使分析困难；建立模型越简单，分析越容易，但得到的结果可能不精确。 所以在建立的模型时，总是在求得简化表达和逼真模拟二者之 间的折衷。 发动机总成的固有频率一般在 200～ 500Hz 之间，而整个发动机悬置系重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 15 统的固有频率根据设计要求只能在 3～ 20Hz 之间，也就是说橡胶垫相对发动机来说非常“软”，所以可以把发动机动力总成简化成刚体。 悬置橡胶 垫的动力学模型 使用弹性元件连接发动机和车架能有效地隔离振动，早在 20 世纪初，人们就开始用橡胶作为连接发动机和车架的部件，并能够很有效的减少振动的传递。 直到现在由于橡胶悬置的隔振性能、经济性以及结构简单等特点，这种悬置仍然被广泛使用。 本文的研究的悬置系统就是传统的橡胶悬置系统，所以首 先要建立单个悬置软垫的动力学模型。 现在汽车用的悬置软垫采用橡胶 (天然橡胶或金属橡胶 )块制成，属于空间粘性弹簧，能阻止任意方向的移动和转动。 但是由于发动机悬置系统一般采用多个悬置软垫联合组成，各个悬置位置的间距比悬置软垫本身的尺寸大得多，因此作为单个悬置软垫由角刚度产生的恢复力矩比由各个悬置软垫联合产生的恢复力矩小得多，并且各个方向的角刚度测量比较困难，所以在建立单个悬置软垫动力学模型时，角刚度可以忽略不计。 因此，单个悬置软垫可以等效为固定于发动机与车架之间的 3 个正交的粘性弹簧 [6]。 图 21 橡胶悬置动力学模型 橡胶悬置的一般动力学模型如图 21 所示。 其中， u、 v、 w 为 3 个弹性主轴的方向， ku、 kv、 kw 为 3 个弹性主轴方向的刚度，相应的 cu、 cv、cw 为 3 个弹性主轴方向的阻尼， e 为弹性中心。 对于单个悬置点，在局部坐标系 euvw 下， u、 v 和 w 方向上的力与其变形的关系式为 重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 16 { } [ ]{ } 写成矩阵形式 {F} = [k]{U} 悬置 橡胶垫 的布置 发动机动力总成是通过橡胶悬置支承在副车架上的，而橡胶悬置块是粘弹性元件，二者构成了振动系统，对于这个复杂的振动系统，悬置点的数量和悬置软垫的布置形式直接影响着整个振动系统的固有特性以及振动的解耦情况。 悬置点 的个 数 1) 三点支撑 三点支承的发动机悬置 ,在我国大客车行业是一种较为常见的形式。 上柴 D6114 系列发动机和康明斯 B 系列、 C 系列及 M 系列发动机均可采用这种结构形式。 三点支承具有结构简单、占用空间少、容易设计和不易产生定位干涉等优点；其缺点是稳定性较差 ,特别是对冷却系统由皮带驱动和装非独立式空调的大客车 ,发动机的定位不可靠 ,悬置系统容易损坏。 本文研究的发动机动力总成悬置系统就是采用的三 点悬置。 2) 四点支承 四点支承是大客车最为普遍的发动机悬置结构。 绝大多数发动机 ， 如斯太尔 WD615 系列、 WD612 系列和 WD618 系列 ， 日野 J08C， 杭发 X6130 等均为四点支承；上柴 D6114 系列发动机和康明斯 B 系列、 C 系列发动机也可采用四点支承。 四点支承具有发动机定位可靠、稳定性好的优点；其缺点是容易产生定位干涉 ,对有关零件设计和加工的尺寸精 度要求较高 ,前悬置支架容易和水箱支架发生干涉。 重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 17 悬置 的 布置形式 根据上面悬置软垫动力模型分析可知，每个橡胶悬置都可以看作由三个相互垂直的粘弹簧组成的隔振器，按照这三个弹簧的刚度轴线和参考坐标系轴线间的相对位置关系，悬置系统橡胶垫的布置方式可以分为以下三种 [6~8]： 1) 平置式： 这是一种传统的布置型式，布局简单，安装容易，易于控制。 在这种布置方式中，每个悬置的三个互相垂直的刚度轴 u、 v、 w 分别和悬置系统的坐标系 ox、 oy、 oz 平行，如图 22 所示。 由于通过发动机重心的各坐标轴方向平行于悬置的各弹簧作用线，故沿着某一轴方向的线位移在其余两弹簧中不产生恢复力；同样，绕某一轴回转的角位移在平行于此轴的弹簧中不产生恢复力。 2) 斜置式： 这是目前汽车发动机中用的最多的悬置布置方式，既有较强的横向刚度、又有足够的侧倾柔度。 在这种布置方式中，每个悬置的三个互相垂直的刚度轴 相对于系统坐标系为： u 轴平行于 ox 轴， v 和 w 轴分别与 oy 轴和 oz 轴有一夹 角。 一般斜置式的悬置都是成对对称布置在发动机动力总成纵剖面的两侧，但每对悬置之间的夹角可以不相同 ,坐标 位置也可以任意，如图 23 所示。 斜置式悬置布置还有一个特点：系统六个自由度的刚度都和悬置的倾斜角 有关，因此只要合理选择倾斜角，就能使系统的六个固有频率落在所期望的范围内。 在实际工作中选择倾斜角要比消除耦合振动容易实施，并且能够取得良好的隔振效果。 图 22 平置式 图 23 斜置式 重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 18 3) 会聚式： 这种布置方式的特点就是所有悬置的主要刚度轴会聚相交于同一点，如图 24 所示。 除了有良好的稳定性外，会聚式的最大优点就是可以通过调节悬置倾斜角和安装位置，来获得六个完全独立的悬置系统的振动模态，而无需将各悬置布置在包含发动机重心的平面内，因此具有一定的价值。 但是这种布置型式实施起来并不容易，而且一般汽车发动机并没有纵向激励，斜置式完全能够满足隔振要求，因此会聚式悬置布置方式应用并 不广泛。 图 24 会聚式 动力 总成安装角 发动机支承的基本形式如图 25 所示， 为发动机的安装角 ， 为发动机主惯性轴与曲轴中心线的夹角 ， 一般为 12176。 ～ 15176。 主惯性轴位置可由试验测得。 发动机本体相对其主惯性轴振动 ， 因此 ， 主惯性轴的位置是发动机支承设计的基点 , 支承点的布置与发动机主惯性轴密切相关。 理想的支承系统是各支承点位于通过主惯性轴的平面上 ， 且关于主惯性轴对称分布。 但是由于发动机机舱空间及发动机曲轴的安装要求，不可能把悬置支承点安装在过主惯性轴的平面内，所以发动机总成安装时一般都有一个倾角 ，使悬置支承点靠近过主惯性轴的平面。 重庆理工大学毕业论文 发动机动力总成悬置振动分析及悬置参数优化设计 19 图 25 发动机安装角及主惯性轴 动力总成悬置系统动力学模型的建立 发动机动力总成悬置系统的振动模型是以刚体弹性支撑理论作为基础的，即认为发动机动力总成为一个空间自由刚体，通过 3～ 4 个具有三维弹 图 26 发动机悬置系统动力。