摘 要：考慮包含了液阻懸置的懸置系統(tǒng)與傳統(tǒng)橡膠懸置系統(tǒng)的不同，建立了某型汽車動(dòng)力總成13自由度分析模型?？紤]液阻懸置動(dòng)態(tài)特性隨頻率變化的特點(diǎn)，應(yīng)用五參數(shù)模型描述液阻懸置的動(dòng)剛度和滯后角。以某型汽車過減速帶時(shí)動(dòng)力總成垂向最大位移為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以液阻懸置五參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化后的動(dòng)力總成垂向最大位移滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成懸置系統(tǒng) 液阻懸置 五參數(shù)模型 13自由度整車模型

1 緒論

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車NVH成為影響車輛駕乘舒適性和平順性的關(guān)鍵問題。隨著消費(fèi)者對(duì)汽車NVH性能要求的不斷提高，液阻懸置作為傳統(tǒng)橡膠懸置的升級(jí)產(chǎn)品越來越多地被應(yīng)用在中高級(jí)汽車上。

液阻懸置是一種由橡膠和流體耦合的復(fù)合阻尼減振元件，其動(dòng)態(tài)特性隨頻率變化。上官文斌等[1-2]應(yīng)用集總參數(shù)模型對(duì)液阻懸置的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算并識(shí)別了其關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用相同方法對(duì)多慣性通道的液阻懸置動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。曹正林[3]應(yīng)用流固耦合模型對(duì)液阻懸置動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。由于上述方法計(jì)算量大，仿真過程繁雜，近年來五參數(shù)模型越來越多地被應(yīng)用到描述液阻懸置動(dòng)態(tài)特性。El Hafidi[4]提出了表征液阻懸置動(dòng)態(tài)特性與頻率相關(guān)性的五參數(shù)模型，大大簡化了對(duì)液阻懸置動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算。

對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，大多采用6自由度模型。El Hafidi[4]應(yīng)用6自由度模型對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。而包括動(dòng)力總成6自由度；車身3個(gè)自由度和非簧載質(zhì)量4個(gè)自由度的13自由度整車分析模型具有計(jì)算參數(shù)更多樣，計(jì)算結(jié)果更精確的優(yōu)勢(shì)。劉曉昂[5-6]提出了整車13自由度模型，推導(dǎo)了整車模型的運(yùn)動(dòng)微分方程，并應(yīng)用整車13自由度模型對(duì)懸置動(dòng)剛度和阻尼進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。吳行[7]基于整車13自由度模型對(duì)懸置剛度進(jìn)行了優(yōu)化。Wen-bin Shangguan[8]對(duì)比了13自由度模型和6、7、9自由度模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。

本文應(yīng)某汽車廠商的要求，以某型汽車通過減速帶時(shí)動(dòng)力總成垂向最大位移為設(shè)計(jì)目標(biāo)。應(yīng)用五參數(shù)模型表征液阻懸置的動(dòng)態(tài)特性，以五參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，建立了包含液阻懸置的整車13自由度分析模型，用于分析整車在通過減速帶時(shí)動(dòng)力總成的振動(dòng)位移。設(shè)計(jì)后的動(dòng)力總成垂向位移滿足設(shè)計(jì)要求。

2 含液阻懸置的懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 整車13自由度分析模型的建立

考慮了懸置，懸架，車輪的動(dòng)剛度和阻尼建立的整車13自由度分析模型如圖１所示。此模型包含以下部分：6自由度的動(dòng)力總成模型；3自由度的車身模型（垂向，側(cè)傾及俯仰）及4自由度的非簧載質(zhì)量模型（本文只考慮垂向自由度）。

在系統(tǒng)處于靜平衡狀態(tài)時(shí)，于動(dòng)力總成質(zhì)心，車身質(zhì)心，非簧載質(zhì)量質(zhì)心分別建立坐標(biāo)系Op-XpYpZp，Ob-XbYbZb，Ouj-XujYujZuj（j=1，2，3，4，其中1，2，3，4分別代表左前輪、右前輪、左后輪、右后輪，下同）。Xp指向汽車后方，Zp垂直向上，Yp由右手定則確定；坐標(biāo)系Ob-XbYbZb、Ouj-XujYujZuj均與坐標(biāo)系Op-XpYpZp平行。

2.2 整車13自由度模型振動(dòng)方程推導(dǎo)

定義路面不平引起的車輪的位移激勵(lì)為qg，動(dòng)力總成質(zhì)心位移為qp，車身質(zhì)心位移為qb，非簧載質(zhì)量位移為qu。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的推導(dǎo)方法，聯(lián)立動(dòng)力總成、車身和非簧載質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)微分，可得整車13自由度模型的振動(dòng)方程，如下所示：

（1）

式中，，，，，。上述表達(dá)式及各參數(shù)的物理意義見文獻(xiàn)[5]，本文不再贅述。

2.3 液體阻懸置的動(dòng)態(tài)特性

本文采用五參數(shù)模型來描述液阻懸置動(dòng)態(tài)特性。液阻懸置的復(fù)剛度可表達(dá)為[9]：

（2）

式中，、分別為存儲(chǔ)剛度和損失剛度，動(dòng)剛度和滯后角的定義為：

（3）

上式中的五個(gè)參數(shù)分別為，，，和。其中為靜態(tài)彈性模量，與高頻動(dòng)剛度有關(guān)，控制損失因子在低頻段的增長斜率，控制損失因子關(guān)于峰值的非對(duì)稱性，而1/近似為滯后角隨頻率變化圖形的峰值所對(duì)應(yīng)的頻率值。

2.4 路面激勵(lì)分析

某型汽車通過的路面減速帶模型如圖2所示。

該減速帶寬為160mm，高為50mm。根據(jù)某公司的要求，該整車模型以30km/h的車速通過上述減速帶，該工況下有200N*m扭矩作用在動(dòng)力總成RY方向。將上述工況簡化為作用在車輪上的垂向脈沖激勵(lì)，作用位移為50mm，作用時(shí)間為0.02s。其時(shí)域下激勵(lì)信號(hào)如圖３所示。

將該時(shí)域信號(hào)通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化到頻域下，取采樣頻率為550Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為29。通過Matlab編寫程序，其頻域下的位移激勵(lì)圖形如圖4所示。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 輸入?yún)?shù)

某型汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)懸置，變速箱懸置和防扭拉桿。其中發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和變速箱懸置為液阻懸置。其動(dòng)力總成、車身及非簧載質(zhì)量在其質(zhì)心坐標(biāo)系下的質(zhì)量和慣性參數(shù)如表1所示。動(dòng)力總成質(zhì)心、車身質(zhì)心以及各懸置安裝點(diǎn)在汽車坐標(biāo)系下的坐標(biāo)如表2示，各懸置彈性中心坐標(biāo)系與動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)系平行。各懸置靜剛度值見表3，橡膠懸置的動(dòng)靜比為1.5，滯后角取15°。各懸架在汽車坐標(biāo)系下的安裝位置，剛度和阻尼如表4所示。各車輪剛度均取200 N/mm。

根據(jù)某公司的要求，該型汽車在上文路面激勵(lì)下動(dòng)力總成垂向最大位移不能超過3mm。

3.2 動(dòng)力總成固有頻率及能量分布計(jì)算

根據(jù)上述輸入?yún)?shù)，計(jì)算得整車固有頻率和各方向能量分布如表5所示。

從表5可以看出，動(dòng)力總成固有頻率各方向分布合理。除Z方向外各方向解耦率均在80%以上。由于在整車13自由度模型下計(jì)算時(shí)動(dòng)力總成Z方向與車身Z方向耦合嚴(yán)重，而單獨(dú)計(jì)算動(dòng)力總成模態(tài)時(shí)其Z方向解耦率達(dá)到了83.56%，故可認(rèn)為其動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)包括五參數(shù)模型中Z方向靜態(tài)彈性模量合理。

3.3 液阻懸置動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)

通過Matlab建立上述整車模型的數(shù)學(xué)分析模型?？紤]液阻懸置動(dòng)態(tài)特性隨頻率變化，將路面激勵(lì)通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域上的位移并將其作為輸入條件輸入整車系統(tǒng)中。由于本文只考慮動(dòng)力總成Z方向位移，故只考慮液阻懸置w方向的動(dòng)態(tài)特性。通過調(diào)整五參數(shù)模型中的五個(gè)參數(shù)，改變兩液阻懸置的動(dòng)態(tài)特性（動(dòng)剛度和滯后角）控制該工況下動(dòng)力總成Z方向位移。經(jīng)設(shè)計(jì)的五參數(shù)模型參數(shù)值如表6所示。

五參數(shù)模型的動(dòng)剛度和滯后角隨頻率變化如圖5、6所示。

經(jīng)設(shè)計(jì)，此工況下動(dòng)力總成Z向位移被控制在3mm內(nèi)。動(dòng)力總成Z向位移在頻域和時(shí)域如圖7、8所示。

4 結(jié)論

本文以某型汽車為研究對(duì)象，建立了包含液阻懸置的整車13自由度分析模型。應(yīng)用五參數(shù)模型表征液阻懸置的動(dòng)態(tài)特性。應(yīng)某汽車企業(yè)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)過減速帶時(shí)產(chǎn)生位移激勵(lì)進(jìn)行分析，輸入到13自由度整車模型中計(jì)算動(dòng)力總成質(zhì)心位移，調(diào)整表征液阻懸置動(dòng)態(tài)特性的五參數(shù)模型，使得設(shè)計(jì)后的動(dòng)力總成垂向位移滿足設(shè)計(jì)要求。

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