基于動力總成液阻懸置的參數識別

曾少波，曾發林

(江蘇大學 a.汽車工程研究院； b.汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

基于動力總成液阻懸置的參數識別

曾少波a，曾發林b

(江蘇大學 a.汽車工程研究院； b.汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

針對直接節流盤式液阻懸置件，通過材料實驗確定了液阻懸置中橡膠材料的本構模型，并建立了液阻懸置的結構模型和液體模型。利用液固耦合有限元分析方法對集總參數模型的相關參數進行識別，在闡明了液阻懸置件減振機理的同時，也獲得了液阻懸置件的性能參數。此方法對分析液阻懸置件結構參數與等效參數之間的關系十分有效，為液阻懸置件精準的設計開發與結構優化奠定了基礎。

懸置件；本構模型；液固耦合；結構參數；等效參數

懸置系統具有控制動力總成與車架相對運動的作用。為使車架與動力總成相互獨立且不發生接觸，懸置件的選取尤為重要。在通常情況下，懸置件既要把動力總成工作產生的高頻小振動加以隔離，防止其傳遞到車架上毀壞車架，又要把由于地面不平引起的低頻大激勵迅速衰減，防止此振動傳遞到動力總成上引起更大的振動[1]。因此，懸置件要在高頻時段時體現出較小的剛度與阻尼，在低頻時段時體現出較大的剛度與阻尼[2]。此外，懸置系統還應能使動力總成在怠速和熄火過程中具有良好的穩定性，這就要求其具有雙向隔振功能[3]。優良的橡膠懸置在一定程度上起到了隔振的效果，但隨著汽車速度的提升，因其本身具有剛度大、阻尼不足和高頻動態硬化的缺點，難以滿足消費者的需求，這就推動了研究人員對更為復雜的液阻懸置進行深入的研究。液阻懸置件是利用了懸置內部液體在液室內流動的復雜的阻尼特性以及金屬材料和橡膠材料的剛度特性，解決了普通橡膠懸置剛度大、阻尼不足和高頻動態硬化的問題，且能較好地滿足懸置系統要求的頻變與幅變特性[4]。但是，由于液阻懸置件的結構比較復雜，且內部液體流動特性很難確定，且液阻懸置件的材料參數選取和結構的相關設計對液阻懸置減振性能的影響尤為突出，因此怎樣進行參數選取和結構優化以達到更好的減振性能一直是液阻懸置研究的重點和難點。

筆者以直接節流盤式液阻懸置為研究對象，通過有限元軟件ANSYS仿真分析，發現液阻懸置結構參數與等效參數存在一定的規律性。建立液阻懸置動態特性有限元模型和集總參數模型，對其進行流固耦合分析，繪制參數識別曲線，以期對結構參數與等效性能參數的關系研究有一定指導作用，從而為下一步優化設計奠定基礎。

1 橡膠本構關系及基本理論

橡膠材料在一定應力范圍內具有應力與應變之間一一對應關系的特性，因此若研究區域在此范圍內，可將橡膠材料近似認為是彈性材料[5]。應變能密度函數用W表示。該材料本構關系可用應變能密度函數進行表示，稱為超彈性材料[6]。由于橡膠材料具有上述特性，所以把橡膠材料當作超彈性材料來研究。一般認為橡膠材料是各向同性且不可壓縮的超彈性體，可通過應變能密度函數進行表達，其柯西應力張量σ[7]可用式(1)表達。

(1)

其中：I表示單位張量；B表示左Cauchy-Green形變量；p表示不可壓縮下的靜水壓力；Ii表示B的不變量。

2 液阻懸置幾何模型

節流盤式液阻懸置的結構剖面如圖1所示。液阻懸置主要是由七大部件組成：螺栓、橡膠主簧、限位盤、解耦盤、底膜、節流盤和液壓油。懸置件液室可分為3個主要部分：節流盤液室、上液室和下液室。

圖1 液阻懸置結構

3 液阻懸置集總參數模型

節流盤式液阻懸置件的集總參數模型如圖2所示，液室很明顯被分成了3份，用Ci、C1和C2分別表示節流盤，上、下液室的體積柔度；kr表示橡膠主簧的動剛度；br表示橡膠主簧阻尼系數；Ap表示主簧等效面積；Ii、Ri分別表示流經慣性通道液體的慣性系數和流量阻力系數；It、Rt分別表示流經節流盤液體的慣性系數和流量阻力系數[8]。

圖2 液阻懸置集總參數

動力總成在X(t)的激勵下，根據直接節流盤式集總參數模型，可以得到節流盤式液阻懸置的動態方程：

(Am-At)P1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在圖2所示的集總參數模型中,下液室的體積柔度C2主要由橡膠底膜的尺寸決定。一般液阻懸置的橡膠底膜在2 mm左右，且底膜直接與大氣接觸，所以C2遠遠大于C1，一般取C2=C1×103或者K2=0[9]。慣性通道的形狀規則,可以直接得到慣性通道的橫截面積。設計參數kr、br、Ap、Ri、Rt、Ii、It一般由試驗得到或者由近似解析公式計算得到。本文利用非線性有限元分析方法確定這些參數，并確定其與結構參數之間的關系。

4 液阻懸置的有限元模型

由于各個軟件存在精度問題，為了減少計算量，把繪制好的三維模型導入ANSYS軟件后重新對各個部件的裝配進行定義，且運用軟件自帶的布爾計算得到懸置件內部液體模型，如圖3所示。然后再進行網格劃分。網格整體選用四面體網格，網格大小適中，液體模型與固體模型的接觸面網格大小相近，盡量減少網格扭曲現象，實現計算的快速收斂。此懸置件的結構模型單元數為5 005，液體模型單元數為3 126，如圖3所示。固體模型中橡膠主簧和底模的內表面、慣性通道內表面、解耦盤內表面和節流盤表面是液固耦合面；液室內螺栓表面定義為滑移面；液體模型中、上液室和下液室的外表面為液固耦合面。根據實際情況，對每個部件進行材料的賦予，其中節流盤是由自然橡膠與鐵塊硫化而成。在整個有限元仿真中，鐵塊認作為剛體。對整個結構模型除橡膠主簧部分表面和底膜下表面以外的表面都進行固定約束。

圖3 液阻懸置結構與流體模型

4.1 橡膠主簧的剛度

橡膠主簧的靜剛度ks與動剛度kr關系：

kr=f·ks

(7)

其中f為相關系數，取值為1.2～1.6。因此，只要獲得橡膠主簧的靜態剛度就能估算出橡膠主簧的動態剛度[10]。

運用INSTRON單通道伺服系統對懸置件進行靜剛度與動剛度測量，裝置如圖4所示，靜剛度曲線如圖5所示。由圖5可知：靜態剛度幾乎為恒定值，且為195.6 N/mm。

4.2 橡膠主簧等效面積

橡膠主簧的等效面積為與橡膠主簧發生同樣的位移x并排開同樣的液體體積Q的面積Ap[11]，即

Apx=Q

(8)

橡膠主簧在動力總成因自身重力受到一定的載荷作用，一般不同的預載荷會產生不同的等效面積[12]。橡膠主簧一般由橡膠材料與骨架硫化得到，這樣可提高橡膠的剛度，且變形可控制。橡膠材料的超彈性本構模型有多種表達式，表達式中的未知參數一般由材料“應力-應變”試驗數據擬合得到。如圖6所示，試驗類型包括單軸試驗、等雙軸試驗、平面剪切試驗和體積試驗。將試驗數據輸入有限元軟件中，軟件會用最小二乘法進行擬合[13]。對懸置件上的橡膠材料進行相應的試驗，得到相應擬合的“應力-應變”曲線，如圖7所示。

圖4 INSTRON單通道伺服系統試驗裝置

圖5 液阻懸置靜剛度曲線

圖6 橡膠材料拉伸實驗

圖7 橡膠材料擬合的應力-應變曲線

圖8為對橡膠主簧等效面積非線性有限元計算的模型及邊界條件。橡膠主簧內骨架、橡膠材料區、上液室液體分別被賦予不同的材料屬性。橡膠主簧的內腔與液體相接觸的表面定義為液固耦合面，與螺栓接觸的液體表面定義為moving wall。橡膠主簧下端與汽車底盤連接，因而設定橡膠主簧下端的邊界條件自由度為0，液體下表面定義為 Outlet。在螺栓頭上端面施加一沿Z軸方向的位移邊界載荷，可得不同位移載荷作用下流經上液室下端面的液體流量，利用式(8)可得出橡膠主簧等效面積與Z軸方向上的位移關系，如圖9所示。

圖9 橡膠主簧等效面積曲線

由圖9可知：橡膠主簧在預載荷1 200 N的情況下，Z軸方向位移的變化在0.5～3 mm范圍內，Ap隨位移的增加而增加；在大于3 mm時，等效面積保持穩定在2 500 mm2左右。

4.3慣性通道質量慣性系數和阻力系數

液體流經慣性通道的動量方程為

(9)

傅里葉轉換到頻域得

(10)

由式(10)可知：在獲得懸置件慣性通道兩端壓力差和在液體流經慣性通道時在頻率段所表現出的特性，就可以得到流體流經慣性通道時的慣性系數和阻力系數。

慣性通道中液體外表面和通道內壁相接觸，定義為液固耦合面，其結構模型與液體模型如圖10、11所示。慣性通道入口端為壓力載荷的加載面。對模型進行液固耦合求解分析時，在入口端施加正弦壓力載荷，記錄出口端流量變化。由式(10)可得液體流經慣性通道時的慣性系數和阻力系數，如圖12、圖13所示。

圖10 慣性通道結構模型

圖11 慣性通道液體模型

圖12 慣性通道的慣性系數曲線

圖13 慣性通道流量阻力系數曲線

當慣性通道兩端壓力差的變化頻率較低時，液體流經慣性通道時的慣性系數和阻力系數幾乎保持不變；當慣性通道兩端口壓力之差的變化頻率大于38 Hz時，流經慣性通道的液體的質量慣性系數與流量的阻力系數都隨著頻率的增加而迅速增加，說明高頻時慣性通道內的液體慣性大，且受到十分大的阻力，液體幾乎不能流動。此時懸置件的阻尼特性主要是液體流經3個液室提供的。在高頻時，液體在節流盤上、下液室之間流動關系分析見本文4.4節。在低頻時，液體流經慣性通道的慣性系數和流量的阻力系數變化不大。由圖12、13可得：在低頻、大振幅時，液體流經慣性通道的慣性系數和阻力系數分別為3.154×106kg/m4和 6.366×107N·s/m5。

4.4 節流盤液室體積柔度

節流盤液室體積柔度Ct等于節流盤液室內平均壓力與節流盤液室體積變化之比，即

(11)

由式(11)可知：只要知道節流盤液室內平均壓力變化和體積變化就可以得到該液室的體積柔度，而這2個參量在液固耦合有限元軟件中很容易獲得。所以，本文采用有限元法獲得了該參數。固體部分有限元模型如圖14所示，即橡膠主簧的有限元模型。液體模型如圖15所示。之后進行液體-橡膠2種不同材料結構耦合的有限元計算。

圖14 節流盤液室結構模型

圖15 節流盤液室流體模型

獲得的節流盤液室的柔度如圖16所示。在0～10 Hz內，節流盤液室柔度極大，即節流盤液室剛度極小，說明在此期間懸置件所承擔的載荷幾乎都是橡膠主簧所支撐的。在10～15 Hz頻段時，節流盤液室柔度迅速減小，體積剛度迅速增大，此時液室產生一定阻尼，并分擔一部分載荷；在頻率大于15 Hz時，節流盤液室柔度保持不變，值大約在1.47×105mm4/N(即體積剛度為6.8×10-5N/mm4)，即在15 Hz以后，節流盤液室內部壓力與體積變化為線性。

圖17為節流盤液室內的液體阻力系數。由圖17可知：節流盤液室內的液體阻力系數隨著頻率的變化而變化，在0～10 Hz頻段內，節流盤液室內液體阻力系數由無窮大迅速降低，在10 Hz時，阻力系數仍然很大。由此可知：在10 Hz以內，節流盤液室里面液體流量很小，幾乎為0，從另一方面說明了10 Hz內，懸置所承受的載荷幾乎由橡膠主簧來承擔，在頻率大于10 Hz以后，節流盤液室內部液體的阻力系數迅速降低，最后趨于穩定值，數值大約為1.75×10-5N·s/mm5，說明節流盤液室承擔一部分載荷。

圖16 節流盤液室柔度曲線

圖17 節流盤液室內的阻力系數曲線

4.5 節流盤的慣性系數和阻力系數

節流盤兩端壓力方程如下：

(12)

同樣只要給定節流盤兩端液體的壓力差ΔP，并確定流過節流盤液體的流量Qi，就可得到節流盤慣性系數、阻力系數。

圖18為計算液體流經節流盤的質量慣性系數和流量的阻力系數的結構模型，圖19為節流盤的實體模型。由本文4.4節可知，節流盤液室結構模型由橡膠主簧、限位盤以及節流盤上表面橡膠組成，液室的液體模型由流經節流盤上表面與橡膠主簧之間的液體組成。液室內液體與液室內壁的接觸面均定義為液-固耦合面。在節流盤上端面上同樣壓力載荷，記錄流經節流盤下端的液體流量。采用式(12)計算可得上液室內液體的慣性系數和阻力系數，如圖20、21所示。

圖18 節流盤結構模型

圖19 節流盤實體模型

圖20 節流盤慣性系數曲線

圖21 節流盤流量阻力系數曲線

由圖20、21可以看出：當節流盤兩端壓力差的變化頻率較低時，液體流經慣性通道時的阻尼系數和阻力系數非常大，即頻率低時，液體幾乎不流經節流盤液室；當節流盤兩端壓力差變化頻率大于50 Hz 時，液體流經節流盤時的慣性系數和阻力系數幾乎保持不變；在頻率大于120 Hz時，慣性系數和阻力系數同樣保持不變。這就是說明，在高頻工況下，節流盤阻擋了液體的流動，消除了高頻時出現的硬化現象。因而，在高頻、小剛度、小阻尼時，可得液體流經節流盤的慣性系數和阻力系數分別為 3.154×106kg/m4和 6.366×107N·s/m5。

5 結束語

本文主要采用有限元仿真分析方法，對某轎車的直接節流盤式液阻懸置件進行試驗測試獲得其材料屬性。在不同頻率、不同振幅下，進行多次施加正弦載荷的非線性有限元仿真分析，從而得到液阻懸置結構參數與等效參數之間的關系。仿真結果也清楚地解釋了液阻懸置的實現機理。此外，對節流盤及液室的仿真分析還詳細闡述了液阻懸置是怎樣解決高頻出現的“硬化現象”的?；谝汗恬詈嫌邢拊抡娣治龅囊鹤钁抑脜的Ｐ蛣犹匦苑治龇椒梢栽诋a品的設計開發階段更準確地預測其動態性能，并進行優化設計、降低開發成本。

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(責任編輯劉 舸)

Parameter-RecognitionBasedonHydraulicEngineMountsofPowertrain

ZENG Shaoboa, ZENG Falinb

(a.Automotive Engineering Research Institute; b.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Through the study of material testing to determine constitutive model of rubber material included by the hydraulic engine mount, the solid and liquid models on hydraulic engine mount were imported into finite element analysis software to establish a liquid-solid coupling model. It not only clearly explains the relevant mechanisms of reducing vibration, but gets the character of mount. It is effective to study the relationship between structural parameters and equivalent parameters by using this method, which contributes to the precise design development and structural optimizing of hydraulic engine mount.

mount; constitutive model; liquid-solid coupling; structural parameters; equivalent parameters

2016-03-15

江蘇省高校自然科學研究項目(11KJA580001)

曾少波(1988—)，男，碩士研究生，主要從事振動與噪聲研究, E-mail：764143365@qq.com；曾發林(1965—)，男，江蘇鎮江人，副教授，主要從事振動與噪聲研究。

曾少波，曾發林.基于動力總成液阻懸置的參數識別[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(10):20-27.

formatZENG Shaobo, ZENG Falin.Parameter-Recognition Based on Hydraulic Engine Mounts of Powertrain[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):20-27.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.004

U463

A

1674-8425(2017)10-0020-08