史文庫，毛陽，姜雪，陳志勇，馬利紅，潘斌

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，130022，長(zhǎng)春；2.建新趙氏集團(tuán)，315609，浙江寧波）

發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛的主要振動(dòng)、噪聲源之一，對(duì)其進(jìn)行有效的振動(dòng)隔離是提高車輛乘坐舒適性的一個(gè)重要手段［1-2］。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置作為發(fā)動(dòng)機(jī)的隔振元件，已經(jīng)經(jīng)歷了橡膠懸置、被動(dòng)式液壓懸置和半主動(dòng)／主動(dòng)液壓懸置的發(fā)展歷程［3］。半主動(dòng)液壓懸置不僅需要有效的控制策略，而且要求良好的動(dòng)態(tài)特性［4-6］。現(xiàn)有的液壓懸置動(dòng)態(tài)特性的理論研究方法包括數(shù)學(xué)模型、集總參數(shù)模型、鍵合圖和有限元等［7-12］，各種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文采用一種新的理論研究方法，即基于AMESim多領(lǐng)域仿真平臺(tái)對(duì)半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究，通過建立半主動(dòng)液壓懸置模型來模擬上下液室、解耦膜、慣性通道、空氣通道等結(jié)構(gòu)的工作情況，模型考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)載對(duì)液壓懸置腔體內(nèi)液體初始?jí)毫徒怦钅の恢玫挠绊憽?duì)半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。此外，利用所建立的模型分析了半主動(dòng)液壓懸置的一些重要參數(shù)對(duì)懸置特性的影響，以期為半主動(dòng)液壓懸置的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 半主動(dòng)液壓懸置的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示為某款發(fā)動(dòng)機(jī)的半主動(dòng)液壓懸置。懸置的A、B孔通過螺栓分別與發(fā)動(dòng)機(jī)和車架相連；橡膠主簧2和慣性通道體5、6圍成上液室V1，慣性通道體和橡膠底膜7圍成下液室V2，液體可通過慣性通道在上、下液室之間相互流通；解耦膜3與慣性通道下體6形成空氣腔V3，其下端有一圓孔狀空氣通道4，空氣通道的開閉由電磁閥8控制。

圖1 半主動(dòng)液壓懸置

半主動(dòng)液壓懸置的工作原理如圖2所示。根據(jù)傳感器采集到的車輛行駛工況，由控制單元向半主動(dòng)液壓懸置電磁閥發(fā)出ON或OFF的指令。收到指令后的電磁閥控制其頂桿運(yùn)動(dòng)，使空氣通道處于打開或關(guān)閉的狀態(tài)，從而控制空氣腔是否與大氣相通。當(dāng)空氣腔與大氣隔絕時(shí)，空氣腔體積剛度增大導(dǎo)致上液室體積剛度增大，使懸置表現(xiàn)出大剛度、大阻尼特性；當(dāng)空氣腔與大氣相通時(shí)，空氣腔體積剛度減小導(dǎo)致上液室體積剛度減小，使懸置表現(xiàn)出小剛度、小阻尼特性。

圖2 半主動(dòng)液壓懸置的工作原理

2 半主動(dòng)液壓懸置模型

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)半主動(dòng)液壓懸置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，建立基于AMESim多領(lǐng)域仿真平臺(tái)的半主動(dòng)液壓懸置模型，如圖3所示。

圖3 半主動(dòng)液壓懸置模型

模型中各個(gè)元件的名稱、模擬的對(duì)象及具體參數(shù)如表1所示。從表中可以看出，該模型充分利用了AMESim多領(lǐng)域仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，集合了機(jī)械庫、液壓庫、液阻庫、氣動(dòng)庫及信號(hào)控制庫中的多個(gè)元件，是一個(gè)融合了機(jī)械、流體和控制等多學(xué)科領(lǐng)域的高精度仿真模型。模型較好地模擬了半主動(dòng)液壓懸置上下液室、解耦膜、慣性通道及空氣通道等結(jié)構(gòu)的工作情況，并實(shí)現(xiàn)了懸置在ON和OFF兩種狀態(tài)之間的切換，體現(xiàn)了懸置半主動(dòng)控制的特性。

表1 模型中的元件及其模擬對(duì)象和具體參數(shù)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)載的施加

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在實(shí)際裝車時(shí)需要承載發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，即懸置在初始狀態(tài)時(shí)要承受一定預(yù)載的作用，這會(huì)使液壓懸置腔體內(nèi)的液體壓強(qiáng)及解耦膜的位移發(fā)生改變，最終對(duì)動(dòng)剛度和阻尼角特性產(chǎn)生一定的影響。在AMESim模擬時(shí)，通過元件17來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)靜止時(shí)作用在懸置上的預(yù)載力，如圖4所示。

對(duì)半主動(dòng)液壓懸置模型進(jìn)行施加預(yù)載仿真時(shí)，需將CONS0元件設(shè)置成OFF狀態(tài)，即打開空氣通道使空氣腔與大氣相通，保持與實(shí)車狀態(tài)一致。仿真獲得的腔體內(nèi)液體壓強(qiáng)和解耦膜位置隨時(shí)間的變化曲線如圖5、圖6所示。由圖中可以看出，對(duì)半主動(dòng)液壓懸置模型施加預(yù)載后，腔體內(nèi)的液體壓強(qiáng)和解耦膜位置經(jīng)歷一段時(shí)間的波動(dòng)后趨于一定值，且該值大于原始值。實(shí)際仿真時(shí)先按圖4的模型對(duì)懸置施加預(yù)載，并通過軟件中的設(shè)定終值（set final values）功能來記錄施加預(yù)載后懸置內(nèi)的液體壓強(qiáng)和解耦膜位置，再將模型改成圖3形式，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)施加預(yù)載后的半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析。

2.3 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 施加發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)載

圖5 腔體內(nèi)液體壓強(qiáng)的變化

圖6 解耦膜位置的變化

進(jìn)行模型仿真時(shí)，首先對(duì)懸置施加1kN的預(yù)載，進(jìn)而通過信號(hào)輸入端Ⅰ加載諧波位移激勵(lì)，激勵(lì)頻率范圍為1～40Hz，頻率間隔為1Hz，幅值為0.5mm；通過信號(hào)控制端Ⅲ來控制懸置的ON和OFF狀態(tài)；通過力響應(yīng)端Ⅱ提取力信號(hào)。由此，可獲得半主動(dòng)液壓懸置在ON和OFF狀態(tài)時(shí)的動(dòng)剛度和阻尼角曲線。

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)中懸置的ON和OFF狀態(tài)由直流穩(wěn)壓電源手動(dòng)進(jìn)行控制。

將仿真獲得的動(dòng)剛度和阻尼角曲線與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，仿真與試驗(yàn)曲線在峰值頻率處和30Hz以后有稍許差異。峰值頻率處的差異主要是由于對(duì)慣性通道內(nèi)流體紊流狀態(tài)模擬不夠精確造成的，而30Hz以后的差異則是由解耦膜的非線性引起的。從整體上看，仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此可以驗(yàn)證本文所建立的半主動(dòng)液壓模型的準(zhǔn)確性?；谠撃Ｐ?，可對(duì)半主動(dòng)液壓懸置的一些重要參數(shù)進(jìn)行參數(shù)影響分析，探索其對(duì)動(dòng)剛度和阻尼角的影響。

圖7 動(dòng)剛度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果

圖8 阻尼角的仿真與試驗(yàn)結(jié)果

3 液壓懸置參數(shù)影響分析

3.1 等效泵壓面積

橡膠主簧的等效泵壓面積是指橡膠主簧向下運(yùn)動(dòng)單位位移所排擠出的液體的體積，是衡量橡膠主簧特性的一個(gè)重要參數(shù)，其值可以通過試驗(yàn)或有限元方法獲得。分別對(duì)等效泵壓面積所對(duì)應(yīng)的主簧直徑為65、70和75mm的半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行仿真，獲得在ON和OFF狀態(tài)時(shí)的動(dòng)剛度和阻尼角曲線，見圖9、圖10。

從仿真曲線可以看出：半主動(dòng)液壓懸置在OFF狀態(tài)時(shí)，隨著等效泵壓面積增大，動(dòng)剛度曲線整體向上平移，阻尼角在峰值頻率和大于10Hz處有增大趨勢(shì)；在ON狀態(tài)時(shí)，隨著等效泵壓面積增大，動(dòng)剛度曲線整體向上平移，阻尼角只在峰值頻率處有所增大，這有利于懸置對(duì)低頻激勵(lì)進(jìn)行隔振。

圖9 不同主簧直徑時(shí)的動(dòng)剛度仿真曲線

圖10 不同主簧直徑時(shí)的阻尼角仿真曲線

3.2 橡膠主簧體積剛度

橡膠主簧體積剛度是指懸置工作腔內(nèi)單位體積變化所引起的壓力變化量。橡膠主簧體積剛度與解耦膜剛度共同決定上液室的體積剛度，其大小對(duì)液壓懸置慣性通道內(nèi)液柱的共振頻率和液路阻尼都有一定的影響。分別取橡膠主簧體積剛度為15、18和21GPa／m3進(jìn)行仿真，獲得的半主動(dòng)液壓懸置在ON和OFF狀態(tài)時(shí)的動(dòng)剛度和阻尼角曲線如圖11、圖12所示。

從仿真曲線可以看出：半主動(dòng)液壓懸置在OFF狀態(tài)時(shí)，隨著橡膠主簧體積剛度增大，動(dòng)剛度和阻尼角曲線都變化不大；在ON狀態(tài)時(shí)，隨著橡膠主簧體積剛度增大，動(dòng)剛度和阻尼角的峰值和峰值頻率都有所增大，不利于低頻隔振，因此橡膠主簧體積剛度不宜太大。

圖11 不同主簧體積剛度時(shí)的動(dòng)剛度仿真曲線

圖12 不同主簧體積剛度時(shí)的阻尼角仿真曲線

3.3 解耦膜直徑

解耦膜是液壓懸置中隔離高頻振動(dòng)的關(guān)鍵部件，其剛度的大小直接關(guān)系到液壓懸置能否較好地避免高頻動(dòng)態(tài)硬化問題。分別對(duì)解耦膜直徑為40、50和60mm的半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行仿真，獲得在ON和OFF狀態(tài)時(shí)的動(dòng)剛度和阻尼角曲線，如圖13、圖14所示。

圖13 不同解耦膜直徑時(shí)的動(dòng)剛度仿真曲線

圖14 不同解耦膜直徑時(shí)的阻尼角仿真曲線

從仿真曲線可以看出，半主動(dòng)液壓懸置在OFF和ON狀態(tài)時(shí)，隨著解耦膜直徑增大，動(dòng)剛度和阻尼角曲線的峰值和峰值頻率都有所減小，動(dòng)剛度在高頻處也有減小的趨勢(shì)，這將有利于高頻振動(dòng)的隔離。

3.4 慣性通道長(zhǎng)度

慣性通道長(zhǎng)度是指慣性通道從入口到出口的距離，它直接影響慣性通道的沿程能量損失和液柱的共振頻率。分別對(duì)慣性通道長(zhǎng)度為0.11、0.21和0.31m的半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行仿真，獲得在ON和OFF狀態(tài)時(shí)的動(dòng)剛度和阻尼角曲線，如圖15、圖16所示。

圖15 不同慣性通道長(zhǎng)度時(shí)的動(dòng)剛度仿真曲線

圖16 不同慣性通道長(zhǎng)度時(shí)的阻尼角仿真曲線

從仿真曲線可以看出，半主動(dòng)液壓懸置在OFF和ON狀態(tài)時(shí)，隨著慣性通道長(zhǎng)度增加，動(dòng)剛度和阻尼角曲線的峰值增大、峰值頻率減小，遠(yuǎn)離峰值頻率處幾乎無變化，這將有利于對(duì)低頻振動(dòng)的隔離。

4 結(jié) 論

（1）基于AMESim建立了集機(jī)械組件、流體和控制為一體的半主動(dòng)液壓懸置模型，該模型能較好地模擬懸置內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，并且考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)載對(duì)懸置內(nèi)部產(chǎn)生的影響。

（2）對(duì)半主動(dòng)液壓懸置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，通過將模擬獲得的動(dòng)剛度和阻尼角曲線與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

（3）基于所建立的模型，分析了半主動(dòng)液壓懸置的一些重要參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，結(jié)果表明：適當(dāng)增大等效泵壓面積、減小橡膠主簧體積剛度和增大慣性通道長(zhǎng)度皆有利于懸置的低頻隔振；適當(dāng)增大解耦膜直徑有利于對(duì)懸置的高頻隔振。

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