汽车悬架系统设计毕业设计和分析

目录轿车动力总成悬置系统优化设计研究摘要随着社会的日益进步和科学技术的不断发展，人们对汽车舒适性的要求也越来越高，良好的平顺性和低噪声是现代汽车的一个重要标志。NVH已经成为衡量汽车质量水平的重要指标之一。而动力总成是汽车最重要的振源之一。如何合理设计动力总成悬置系统能明显降低汽车动力总成和车体的振动已经成为一个重要的课题。本课题研究的目的是在现有动力总成悬置系统的基础上，优化动力总成悬置系统参数，达到提高整车平顺性和降低噪声的目的。对动力总成悬置系统进行优化仿真，通过比较优化前的性能可知，优化后悬置系统隔振性能明显改善。关键词：动力总成；悬置系统；优化金陵科技学院学士学位论文摘要InvestigationonOptimizationDesignofPlantMountingSystemofaPassengerCarAbstractWiththeincreasingsocialprogressandthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,peopleontherequirementsofautomotivecomfortbecomemoresophisticatedandgoodridecomfortandlownoiseisanimportantsignofthemodernautomobile.NVHlevelshavebecomeanimportantmeasureofvehiclequalityindicator.Thevehiclepowertrainisoneofthemostimportantvibrationsource.Howtodesignmountingsystemcansignificantlyreducethevehiclepowertrainandbodyvibrationhasbecomeanimportantissue.Thisstudyisaimedatexistingpowertrainmountingsystem,basedonparametersoptimizationofpowertrainmountingsystem,toimprovevehicleridecomfortandreducenoise.Ontheoptimizationofpowertrainmountingsystemsimulation,theperformancebycomparingtheknownbeforetheoptimization,theoptimizedmountingsystemsignificantlyimproved.Keywords:Powertrain;Mountingsystem;Optimization金陵科技学院学士学位论文Abstract1绪论1.1选题依据汽车是日常生活中被广泛应用的交通工具，其本身可以被看作是一个具有质量、弹性和阻尼的振动系统。汽车产生的振动会导致车身与车架之间的连接部件的振动和噪声，严重的时候甚至损坏汽车的零部件，大大缩短汽车的使用寿命：另外也可导致乘客晕车，影响了乘客的身心健康，那些长期处在这种振动环境下的驾驶员等往往会患上腰椎劳损、胃下垂等职业病。引起汽车振动的振源主要有两个：一是汽车行驶时的路面随机激励；二是发动机工作时的振动激励。一般来讲，路面随机激励对驾驶员的手、脚以及乘员的舒适性影响较大，但是随着道路条件的改善和轿车悬架系统设计的完善，这方面的影响在一定程度上得到缓解；另一方面，现代轿车的设计强调轻量化，采用了新型高强度轻质材料以图降低整车质量，而发动机的质量却难以降低。这样，发动机的质量在整车质量中所占比重有所上升。然而发动机却多采用平衡性较差的四缸四冲程发动机；轿车多采用整体式的薄壁结构车身，这样的车身弹性增加，振动趋势上升，发动机对车身的振动激励相对增加。随着经济的发展和人民生活水平的提高，汽车的乘坐舒适性越来越受到人们重视，舒适性成了汽车，特别是轿车的主要性能指标。以上诸多因素使得如何布置悬置以图获得较佳的减振降噪效果显得尤为重要。1.2国内外的发展状况1.2.1动力总成悬置元件的发展状况悬置的类型很多，从其发展过程来看，可以分为橡胶悬置、被动式液压悬置和半主动金陵科技学院学士学位论文第一章绪论2式、主动控制式液压悬置。目前大部分汽车上采用的是橡胶悬置和被动式液压悬置，半主动、主动控制式液压悬置在实车上应用不太普遍，因此本章只对橡胶悬置和被动式液压悬置进行介绍。本章所说的液压悬置是指被动式液压悬置。在没有动力总成悬置装置之前，动力总成是直接连接到车架上的，其振动直接通过车架传入驾驶室而降低了乘坐的舒适性。特别是在上个世纪二十年代左右，在汽车上广泛使用了四缸动力总成，其严重不平衡的二阶惯性力致使动力总成的振动尤为突出。为此，人们在动力总成和车架之间尝试过很多的装置，但效果都不明显。随着人们对橡胶产品的认识，其在汽车的隔振上得到了广泛的应用。一、橡胶悬置元件橡胶属于高分子材料，具有良好的弹性还具有天赋的内阻尼。橡胶内阻尼产生的机理是：当外力作用于橡胶时，橡胶分子要克服分子间的内摩擦力，因此产生应变滞后于应力，部分机械能转化为热能耗散到周围环境中。于是，通过将橡胶硫化到金属骨架上，这样各种各样的橡胶悬置元件就被设计出来了。汽车发动机用的橡胶悬置一般是由上下两片金属骨架，中间夹一层橡胶组成。金属骨架可以防止橡胶悬置产生过大变形和作为悬置的连接部分。通过改变橡胶的形状设计，可以设定橡胶悬置三个方向的刚度之间的关系，以满足隔振设计的要求。如果想不改变橡胶悬置某个方向的刚度而增加其他方向的刚度，可以通过在橡胶中间装入钢板来实现。橡胶悬置由于工艺简单、性能可靠、使用和维修方便等优点，至今仍在大部分汽车上广泛使用。由于发动机的工作频带很宽，大约在10-500Hz范围内，因此要求悬置元件工作在低频大振幅时提供较大的阻尼和较大的刚度特性。在高频低振幅振动激励下提供低的动刚度和较小的阻尼特性，以衰减高频噪声。但是激振频率大于200Hz时，橡胶悬置的动刚度会突然增加而出现硬化现象而降低舒适性。因此液压悬置是为了上述要求而开发出来，并在国外汽车上得到了广泛应用。汽车发动机液压悬置系统是在上个世纪八十年代迅速发展起来的一种先进的机械振动控制技术。二、液压悬置元件液压悬置按照控制方式分，可分为：被动式、半主动式和主动式液压悬置三类。半主动式和主动式液压悬置的隔振、减振、降噪性能均优于被动式液压悬置。最初的液压悬置是靠内部节流孔尺寸的改变来获得低频处比橡胶悬置好的减振特性，但在高频和橡胶特性差不多。为提高液压悬置在高频的降噪能力，人们进而开发出惯性通道式液压悬置，通过控制惯性通道长度与通道截面直径之比，可以控制液压阻尼。在惯性通道式液压悬置上加解耦器之后就形成解耦器—惯性通道是液压悬置，该液压悬置可以在高频内通过调整内部液压的流量和流向，从而降低高频动刚度，进而降低高频振动时的车内噪声。金陵科技学院学士学位论文第一章绪论3八十年代后期，人们开始设计半主动式、主动式动力总成悬置元件，现在已成功地开发出了半主动式和主动控制式液压悬置，并在四缸发动机上得到应用，取得令人满意的效果。半主动式液压悬置是根据输入信号，利用低功率作动器，调整悬置的内部参数及其工作状态，优化其动特性，从而实现减振降噪目的。主动式液压悬置是利用控制单元将外部振动输入信号转换，并通过作功器输出与外部激励同频等幅、反相响应，以实现减振降噪目的的液压悬置。现在应用的主要有节流孔型和惯性通道型液阻悬置、惯性通道—固定解耦膜型和惯性通道—活动解耦膜型液阻悬置等几种。目前运用最为广泛的是惯性通道—解耦膜式液阻悬置。惯性通道—解耦膜式液阻悬置的物理模型见图1-1图1-1液压悬置结构简图主动式液压悬置已经有应用。同时，液压悬置也用到汽车的其他部位如驾驶室等。在开发液压悬置的同时，人们对液压悬置进行了大量的理论分析和实验研究，因液压悬置具有非线性刚度和阻尼，非线性系统的分析方法应用到液压悬置的分析上来。1.2.2动力总成悬置系统国内外发展概况现代汽车动力总成大都是通过弹性支承安装在车架上的，这种弹性支承称为“悬置”。汽车动力总成和悬置一起构成了汽车动力总成悬置系统。动力总成的悬置装置可对在动力总成和车架间传递的振动进行双向的隔离，以降低车内的振动和噪声。由于动力总成悬置装置的体积较小，在隔振理论的发展初期并没有引起设计者的过多的重视。但随着车辆向高速、轻型、大功率方向的迈进，使得车身的刚度减小，动力总成振动激励增大，特别是采用了平衡性较差的动力总成前置前驱动的四缸四行程动力总成，都使车内的振动和噪声加大。随着人们对乘坐舒适性的提高，这些现象就必须加以解决。在解决问题的过程中，人们逐渐认识到了动力总成悬置装置的作用，并可以金陵科技学院学士学位论文第一章绪论4利用力学知识建立起各种模型。随着人们对橡胶产品的认识，其在汽车的隔振上得到了广泛的应用。橡胶悬置元件直到现在仍是汽车发动机悬置的首选元件。1962年，美国通用汽车公司率先申请了液压悬置的专利。从20世纪70年代开始，世界各大汽车企业相继开展了液压悬置的研究和应用。1979年德国的Audi公司率先在Audi五缸发动机上应用了液压悬置。之后仅几年时间，美国、日本、法国、韩国等国家都设计开发了液压悬置。国外液压悬置经过多年的发展，结构由简单到复杂，由被动式液压悬置发展到半主动式和主动式液压悬置阶段。近年来，随着各国学者的不断努力，对于动力总成悬置装置的隔振性能形成了比较完善的评价指标：降低动力总成低频和动力总成多阶次激励引起的振动；降低车内噪声；降低动力总成启动、熄火、加减速时动力总成的瞬态振动等。在国内，由于历史的原因，我国的汽车科研工作起步较晚，但在改革开放后随着我国汽车工业的飞速发展，各项科研取得了长足的进展，这其中也包括了对悬置系统的研究。从八十年代开始我国已经开始了悬置系统的研究，但在九十年代后取得了更大的成绩。国内对液压悬置的应用始于20世纪90年代。1991年液压悬置随着一汽Audi轿车的引进带入我国汽车界。1.3本文的工作重点本研究的目的，是以轿车动力总成悬置系统为研究对象，来提高轿车乘坐的舒适性，提高轿车的品质。本文研究的主要内容有以下几项：1主要介绍动力总成悬置系统的隔振原理，包括隔振的初步分析和引起动力总成振动的振源的介绍。2根据动力总成悬置系统优化设计的需要，测定一些相关的实验，测定了动力总成的主要激振力、质量、质心位置、转动惯量以及各个悬置支承的位置。3应用ProE软件建立了悬置系统的动力学模型，通过ADAMS软件对模型进行仿真。4对动力总成悬置系统进行优化设计，得到比较合理地性能参数匹配。金陵科技学院学士学位论文第一章绪论52动力总成悬置系统理论分析2.1动力总成悬置元件模型2.1.1橡胶悬置模型只在受力方向发生弹性位移而不引起其它方向位移，称此力作用方向为橡胶元件的弹性主轴方向。沿弹性主轴方向的三维弹性主轴相交于一点，称其为弹性中心。沿弹性主轴方向的刚度为主刚度。橡胶悬置块可以简化为一端固定在发动机动力总成上，另一端固定在车架上的粘弹性体。动力总成在空间做任意方向的运动时，橡胶悬置都将阻止这种运动。因此，橡胶悬置在空间三维方向上都有弹性，具有扭簧的作用。但考虑到动力总成各悬置之间的距离比起悬置本身的尺寸要大的多，它的扭簧作用不很显著，因此可以忽略不计，在此条件下，橡胶悬置块的三维中心总是存在的，可将橡胶悬置等效为固定于动力总成与车架之间的粘弹性弹簧。橡胶悬置有三个正交的弹性主轴。u,v,w，弹性主轴线的交点。为弹性中力平行于弹性主轴并通过弹性中心时，悬置只产生平移而不产生角位移。其动力学模型见图2-1。图2-1橡胶悬置的三维理学模型2.1.2液压悬置模型由于液压悬置是一个非常复杂的隔振元件，它的动特性受很多参数的影响，存在时变特性（阻尼与振动速度有关）和频变特性（动刚度和阻尼随激振频率变化），因此它的精确模型建立起来将非常复杂。在动力总成液压悬置系统分金陵科技学院学士学位论文第二