汽車動力總成液壓懸置參數試驗研究

楊 慰，史文庫，馬利紅，潘 斌，徐 波

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025;2.建新趙氏集團寧海建新橡塑有限公司，寧波 315600)

前言

動力總成是引起汽車振動的重要激勵源，動力總成的懸置結構及其動態(tài)特性對汽車振動、噪聲和乘坐舒適性有著極為重要的影響。動力總成液壓懸置是一種減振隔振元件，由于在動態(tài)性能上相對橡膠懸置有著明顯的優(yōu)勢，已在汽車上得到大量應用。它利用阻性液體在其內部慣性通道中快速地往復流動時所產生的黏滯阻力，很好地克服了橡膠懸置低頻阻尼小、高頻出現動態(tài)硬化現象的局限性，在寬泛的頻率段更好地滿足了汽車動力總成減振隔振的要求［1-3］。

相對于橡膠懸置來說，液壓懸置的結構較為復雜，其整體動態(tài)特性受到各組成部件的動力學參數的影響，因而參數獲取對于液壓懸置動態(tài)特性曲線的設計與修正具有重要意義。

1 液壓懸置建模分析

本文中所研究的液壓懸置內部帶有空氣彈簧，其結構如圖1所示。與普通液壓懸置結構不同的是，解耦膜與隔板之間形成一個獨立的空氣腔，由氣孔與大氣相通，此時解耦膜的剛度較小。氣孔外部的電磁閥在通電后其伸縮頭可堵住氣孔，使空氣腔密閉，腔內空氣與彈性解耦膜共同形成一個空氣彈簧。解耦膜的上表面在液力作用下受迫振動時，其下表面會受到空氣彈簧的反作用力，表現為解耦膜剛度大增，從而改變上液室的體積剛度，影響液壓懸置的動態(tài)特性。

液壓懸置的力學模型如圖2所示。彈簧和阻尼器代表橡膠主簧的剛度和阻尼，橡膠主簧的垂向振動對于上液室內的液體來說相當于等效活塞的泵吸運動。圖中Ap為橡膠主簧泵吸液體的等效活塞面積，Kr、Br分別為橡膠主簧的剛度和阻尼系數，Qi為慣性通道內的液體流速，p1、p2分別為上液室和下液室的液體壓力，C1、C2分別為上液室和下液室的體積柔度(體積變化量與相應壓力變化量的比值)，Ii、Ri分別為慣性通道內液體質量的慣性系數和阻尼系數，F(t)為傳遞到液壓懸置固定端的作用力，x(t)為作用力所引起的激勵位移。

上液室、下液室及慣性通道間的流體連續(xù)方程［4-9］分別為

傳遞到車架固定端的力［10-11］為

液壓懸置的動剛度K和阻尼角φ可表示為

式中K*為液壓懸置的復剛度。

2 模型參數的獲取

從上面的分析可以看出，影響懸置動特性的參數有橡膠主簧的動剛度Kr、阻尼系數Br及其振動時泵吸液體的有效活塞面積Ap，上、下液室的體積柔度C1和C2，慣性通道內液體質量的慣性系數Ii和阻尼系數Ri。

由于通過試驗方法難以測量，慣性通道內液體質量的慣性系數Ii和阻尼系數Ri由下式計算:

式中:ρ、μ 分別為液體的密度和動力黏度;Ai、Li、di分別為慣性通道的橫截面積、通道長度和通道水力直徑。

采用美國的MTS(mechanical testing＆simulation)試驗臺對橡膠主簧進行動態(tài)特性試驗，可以方便地測得其動剛度Kr、阻尼系數Br。橡膠主簧的有效活塞面積Ap、上下液室的體積柔度C1和C2均可通過一系列的液壓試驗獲取。

2.1 有效活塞面積測量

液壓懸置工作時，橡膠主簧在振動激勵下對上液室內的液體產生類似活塞泵吸的作用。由于橡膠主簧的外圍硫化固定于外金屬殼，且內表面形狀不規(guī)則，故難以通過幾何公式精確計算橡膠主簧泵吸液體的有效活塞面積，因而采用圖3所示的試驗方法進行測量。

將橡膠主簧與特別制作的液室腔體密封組裝在一起，液室腔內灌裝滿液體，固定于MTS試驗臺，打開液壓管上的閥門。控制MTS試驗臺上部作動頭迫使橡膠主簧緩慢地作泵壓運動，將液室內的液體緩慢排出，并用量筒計量此過程中所溢出的液體體積，從而可計算出橡膠主簧的等效活塞面積S:

式中:ΔV為溢出液體的體積;Δx為主簧下壓行程，即作動頭步進位移。

2.2 橡膠主簧體積剛度測量

體積剛度是腔內單位體積改變量所引起的液壓變化，它與體積柔度互為倒數。橡膠主簧在振動時引起液室內體積的改變，同時也受到液體的反作用即液壓。如果關閉圖3中的閥門使液室密閉，則橡膠主簧下壓位移Δx將引起腔內液壓增大Δp(由液壓傳感器測得)，橡膠主簧的體積剛度Ka可表示為

式中S為前面已測的橡膠主簧泵吸液體的等效活塞面積。

2.3 解耦膜體積剛度測量

解耦膜固定于隔板總成上，為方便試驗的操作，本試驗將隔板總成與液室緊固密封在一起形成內腔，以測量解耦膜的體積剛度。

如圖4所示，將慣性通道完全封堵的隔板總成與液室腔體密封組裝在一起，液室腔內灌滿液體。右側的液壓缸固定于MTS試驗臺。控制作動頭的步進位移Δx，緩慢向下壓活塞推桿，液壓迫使解耦膜變形內陷。同時，具有體積剛度的解耦膜反作用于液體，液壓傳感器測得液室內的液壓增大Δp，于是解耦膜的體積剛度可表示為

式中d為液壓缸的內徑。

為研究空氣彈簧對液壓懸置的影響，分別測量封堵和不封堵空氣腔氣孔時解耦膜的體積剛度。

2.4 底膜體積剛度測量

下液室的功能是容納液體，它的體積剛度應較小，以盡量減小對解耦膜和慣性通道發(fā)揮應有特性產生的干擾和影響。從液壓懸置的結構可知，下液室的體積剛度等同于橡膠底膜的體積剛度，其測量方法與解耦膜相同，不再贅述。

3 參數獲取試驗結果分析

參數測量結果如圖5～圖8所示。

由圖5可見，在橡膠主簧被壓縮的過程中，其泵壓液體的有效活塞面積基本不變，可近似認為是固定值，以簡化模型的計算。

圖6中橡膠主簧的體積剛度隨著液室的壓縮而逐漸增大，且在一定的范圍內接近于線性變化。

如圖7所示，解耦膜的體積剛度隨著液室的壓縮而逐漸增大。堵住隔板上的小孔形成空氣彈簧時，解耦膜的體積剛度比沒有空氣彈簧時的體積剛度明顯大很多。

上液室的體積剛度由橡膠主簧的體積剛度和解耦膜的體積剛度串聯得到［12］，即

由圖8可以看出，其體積剛度在有效工作范圍內相對很小，符合其性能要求。在曲線的最后發(fā)生突變激增，這是底膜擴張過度，受到金屬底盤的限位保護所造成的。

在MTS試驗臺上對橡膠主簧施加預載并進行動特性試驗以測量其動剛度和阻尼角，其結果如圖9和圖10所示。可以看出，動剛度和阻尼角在一定的頻率范圍內基本維持不變。

利用獲取的參數在模型中進行動態(tài)仿真，得到液壓懸置的動剛度和阻尼角。另外再用臺架試驗的方法測試液壓懸置的動剛度和阻尼角。將仿真與試驗的動態(tài)特性曲線進行對比，如圖11～圖14所示。

從圖中可以看出，仿真與試驗的動剛度和阻尼角較為吻合。空氣腔密封形成空氣彈簧時，液壓懸置的動剛度和阻尼角分別大于沒有空氣彈簧時的動剛度和阻尼角。

4 結論

通過一系列試驗測量出液壓懸置的重要物理參數，并對所建立的動態(tài)模型進行液壓懸置動態(tài)特性的仿真。仿真的動態(tài)特性與試驗結果吻合較好，表明仿真模型可較精確地表達液壓懸置的動態(tài)特性，并且參數測量試驗方法正確，測量結果較準確。

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