动力总成悬置设计浅议

北京汽车工程学会2006汽车动力总成悬置设计浅议清华大学汽车安全与节能国家重点实验室侯之超2个人情况简历ƒ1995.3毕业于清华大学工程力学系,工学博士ƒ1995.3-1999.8清华大学工程力学系，讲师、副教授(97)ƒ1999.9-2001.8多伦多大学机械与工业工程系，博士后ƒ2001.9-清华大学汽车工程系，副教授ƒ2004.3-8韩国高等工程研究院,访问教授ƒ2005.10-12德国亚琛工业大学，访问学者联系方式清华大学汽车工程系邮编：100084电话：[phone]传真：[phone]研究工作概要学术方向ƒ振动分析与控制ƒ汽车动力学与优化ƒ轻量化设计近期研究兴趣ƒ发动机悬置隔振性能评估与设计优化ƒ前端附件皮带传动振动分析与设计ƒ乘员－座椅耦合振动与隔振设计ƒ传动系扭振分析与减振设计汽车NVH与乘坐舒适性4内容提要动力总成悬置功能及其沿革1设计实例42基本概念与基础理论3设计开发中的若干问题5引言纵置发动机动力总成及其悬置动力总成：发动机＋离合器＋变速箱动力总成悬置：将动力总成与车体连接起来的一组零部件61动力总成悬置功能及其沿革™承受发动机、变速箱重量™承受各种激振（发动机扭矩，路面激励）™约束发动机的运动位移™保证可靠性目标™………™隔离发动机振动向车架和驾驶室的传递™衰减发动机加弹性支撑以后的振动幅值™降噪1.1功能71动力总成悬置功能及其沿革•刚性连接（19世纪末，汽车发展之初）•柔性连接•皮革等（20世纪初）•橡胶悬置（1920年代）•改进橡胶布置（1950年代）悬置沿革1.2悬置沿革81动力总成悬置功能及其沿革•液阻悬置（1960年代）悬置沿革1.2悬置沿革91动力总成悬置功能及其沿革•半/主动悬置悬置沿革1.2悬置沿革101动力总成悬置功能及其沿革悬置沿革1.3主要布置形式111动力总成悬置功能及其沿革悬置沿革1.3主要布置形式121动力总成悬置功能及其沿革悬置沿革1.4问题与思路悬置设计vs.振动噪声、其它特性新的挑战：轻量化、大动率具体车型要求不同的悬置参数隔振设计的主要措施：•调谐：使固有频率避开共振频率•抑制振动响应：变阻尼、主动控制132基本概念与基础理论ƒ悬置设计相关的若干概念•坐标系•弹性轴、弹性中心；主惯性轴与扭矩轴•打击中心ƒ单自由度系统强迫振动响应与传递率•两类激励下系统的强迫振动响应•动态放大因子－传递率•阻尼的影响ƒ6自由度线性振动模型与运动解耦•6自由度系统模型•运动耦合及三种解耦方法•能量解耦方法及其实现ƒ设计实例简介•单自由度模型•6自由度模型142基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念坐标系⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−−−−=zzzyzxyzyyyxxzxyxxJJJJJJJJJJ轴平动形式转动形式•xAdvanceRollingfor&aft•ySievingPitchinglateral/transverse•zReboundYawingbouncing152基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念坐标系xxxyxzyxyyyzzxzyzzIIIIIIIIII⎡⎤−−⎢⎥=−−⎢⎥⎢⎥−−⎣⎦minmidmax000000IIII⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦162基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念弹性轴与弹性中心172基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念扭矩轴当一个扰动力（力矩）作用于动力总成的主惯性轴时，则动力总成沿此主惯性轴平动（转动）。通常情况下，作用于发动机总成上的外力矩为绕曲轴的扭矩。设为滚摆轴线与主惯性轴的夹角，ψ为主惯性轴与曲轴之间的夹角γγψ=OOXYItgtgI182基本概念与基础理论2.1悬置设计相关的若干概念打击中心abACGB/yabIm⋅=zx动力总成-刚体前后悬置中心互为打击中心abFVRVKaKb=前后悬置垂向刚度的一种选择192基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率202基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率222sin2,,ωωω⇒++====nenxnxxhtFdknhmmm⎩⎨⎧=++=++thxxnxxxnxnnωωωsin20222221211)()()(21txtxtx+=sinω++=emxdxkxFt212基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率小阻尼情况下：c1和c2依据初使条件确定。⎩⎨⎧+−=−=θωωθcossin12010BnccxBcxd)(1211122tttnnnececex⋅−−⋅−−+=ζωζωζω2sin(),/ωθςω=−=nxBtn222基本概念与基础理论2200012()sin()sin()sin()ζωζωζωωϕωωθωϕ−−+=+++−++nntnddtdxxxextBtBeft2.2单自由度强迫振动响应与传递率瞬态响应稳态响应过渡响应22sincossin()θωθθω−=+dnf232基本概念与基础理论⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−=+−=222222224)(ωωωθωωωnnnnhBtg22224)1(1λζλβ+−=2.2单自由度强迫振动响应与传递率稳态响应02enFhBkω==nωωλ=0BB=β)12(2λζλθ−=arctg242基本概念与基础理论22224)1(1λζλβ+−=2.2单自由度强迫振动响应与传递率0=ζ→125.0→15.025.02.0707.05.012阻尼的影响？211βλ≈−252基本概念与基础理论22r222214(1)4eFFζλλλζλ+==−+2.2单自由度强迫振动响应与传递率力传递率λβ2与基础激励下的动态放大因子表达式一致阻尼的影响？262基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率()()0reremxdxxkxx+−+−=22cossin()sin()rrrmxdxkxdatkatakdtωωωωωα++=+=++(/)(2)arctgdkarctgαωζλ==()sin()rxtBtωθ∴=−基础激励sinexatω=272基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率基础激励2222224)1(41λζλλζ+−+=aB()()223212ζλλζλθ+−=arctg2222224)1(41/λζλλζβ+−+==aB282基本概念与基础理论2.2单自由度强迫振动响应与传递率基础激励λβ22222224)1(41/λζλλζβ+−+==aB阻尼的影响？292基本概念与基础理论2.36自由度系统模型与运动解耦xOpwtyz302基本概念与基础理论2.36自由度系统模型与运动解耦()()0MqtKqt+=[]Tqxyzαβγ=00θ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦wMMM()11TnngigiiTiTTiigiiigiiKKBKKKBBKB==⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎣⎦∑∑000000wmMmm⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦xxxyxzxyyyyzxzyzzzIIIMIIIIIIθ⎡⎤−−⎢⎥=−−⎢⎥⎢⎥−−⎣⎦,xxixyixziTgigsisisixyiyyiyzixziyzizzikkkKRKRkkkkkk⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦000ziyiizixiyixiaaBaaaa⎡⎤−⎢⎥=−⎢⎥⎢⎥−⎣⎦000000sisiuivikKkk⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦312基本概念与基础理论xxxyxzxyyyyzxzyzzzIIIMIIIIIIθ⎡⎤−−⎢⎥=−−⎢⎥⎢⎥−−⎣⎦()11TnngigiiTiTTiigiiigiiKKBKKKBBKB==⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎣⎦∑∑2.36自由度系统模型与运动解耦运动耦合：若某一个振动模态下（或在某一个广义坐标方向上）的振动输入，导致另一振动模态下（或另一个广义坐标方向上的）响应，则称这两个振动模态是耦合的。振动耦合不利于隔振:两个耦合振动的模态可能产生互相激励，导致振动放大。弹性耦合：惯性耦合：000000wmMmm⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦vs322基本概念与基础理论xxxyxzyxyyyzzxzyzzIIIMIIIIIIθ⎡⎤−−⎢⎥=−−⎢⎥⎢⎥−−⎣⎦2.36自由度系统模型与运动解耦minmidmax000000PIMII⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦解耦：解除运动耦合惯性坐标系下解除弹性耦合：全部解耦332基本概念与基础理论2.36自由度系统模型与运动解耦解耦：解除运动耦合扭矩轴坐标系下解除弹性耦合：考虑力矩波动这一特点部分解耦342基本概念与基础理论2.36自由度系统模型与运动解耦解耦：解除运动耦合曲轴坐标系下的能量解耦：全部或部分解耦[][]()[][]()616611100%====×∑∑∑klPPkjljlkjklPPkjljklmAAEmAA系统以第j阶固有频率振动时第k个广义坐标分配到的能量所占系统总能量的百分比优化计算：使能量分布矩阵的对角元素尽可能接近1显然，当，各主运动解耦。1,0()==≠iiijEEij353设计与开发中的若干问题3.1一般设计流程•整车振动水平评估/目标设定•参数测试（惯性参数、悬置动/静刚度）•悬置布置、位置、类型选择•动力学分析与悬置刚度、阻尼参数确定•参数灵敏度分析与悬置几何参数设计•冲击载荷下变形、动载荷疲劳寿命验证363设计与开发中的若干问题3.1一般设计流程对现有设计隔振性对现有设计隔振性能的评估能的评估设计优化设计优化胶垫拓扑优化胶垫拓扑优化参数辨识：异形刚体之惯性参数台架振动模态试验整车振动测试（实验室、路面）动力学建模与分析优化建模：目标函数、约束条件、设计变量算法开发方案评价与选择结构选型材料与几何参数确定：材料试验、拓扑优化方案评价与选择373设计与开发中的若干问题3.2基本参数的测定惯性参数：质量、质心位置、转动惯量、惯性积几种测定方法：三线摆、直接数字积分、模态参数识别悬置三向静、动刚度383设计与开发中的若干问题3.2基本参数的测定其它测试393设计与开发中的若干问题3.3设计优化™设计变量•几何参数:前后悬置的位置坐标和安装角•机械性能参数：各悬置胶垫的三向刚度系数。™目标函数•频率的合理分布•各主运动之间解耦•低的振动传递率™约束条件•与目标函数互补•适当的最高、最低频率；尽量减少悬置位置的改变量；保证胶垫三向刚度系数满足一定的压剪比。™优化设计方法•顺序二次规划方法•转轴直接搜索可行方向法•遗传算法403设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算LxAmKEH⋅=⋅上海橡胶研究所：m=1+1.5n-2n2+2.5n3（适用于n0.2）日本机械学会：m=1+2.19n2（适用于正方形和矩形）m=1+1.645n2（适用于圆柱形）形状系数m=f（n），n=约束面积AL/自由面积AF。()2LBnLBH⋅=+4DnH=413设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算423设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算433设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算形状/尺寸优化443设计与开发中的若干问题3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算初步的拓扑优化挑战：可加工性、橡胶本构关系453设计与开发中的若干问题2(1)1wvKALtgR,LCKLtgθθ−===+3.4橡胶悬置材料选择与尺寸计算V型布置vs.压剪比wvKLK=2(1)1ALtgRCLtgθθ−==+463设计与开发中的若干问题3.5动力总成/车身柔性动力总成1弯节点vs.悬置点车身一弯节点vs.悬置点前后悬置位于节点上，不会激起第一阶弯曲共振¾当节点在后悬置之后时，可减少动力总成振动对舒适性的不利影响。？¾而且随频率升高，该节点会前移。473设计与开发中的若干问题3.7一般原则¾x、y两个方向的固有频率fx、fy:应不与系统其它固有频率重合，主要从降低整车振动和噪声水平考虑，同时，应保证汽车正常行驶时发动机沿x、y两个方向的窜动量较小;¾Z方向固有频率fz：应避开簧上质量、车架、驾驶室等各子系统固有频率，且一般fz≤f怠速惯性力主谐量/；¾α方