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车辆橡胶悬置系统的研究进展

作者:未知

  摘  要:悬置系统能够有效地隔离和衰减车辆两大主要振源——发动机振动和路面不平度产生的激励,在提升汽车平顺性、降低车内振动和噪声、缓解结构振动疲劳失效等方面有重要的作用。
  关键词:橡胶悬置元件;橡胶悬置系统;技术研究
  Research Progress of Rubber Mounting System for Vehicles    Tian Weicong,Zhang Xing,Zhao Yuanyuan(Technical Center of Great Wall Automobile Co.,Ltd.,Hebei Automobile Engineering Research Center,Baoding 071000)Absrtact:Suspension system can effectively isolate and attenuate the excitation of engine vibration and road roughness,which are the two main vibration sources of vehicles. It plays an important role in improving vehicle ride comfort,reducing vehicle vibration and noise,and alleviating structural vibration fatigue failure.   Key words:rubber mounting element;rubber mounting system;technology research
  随着社会不断发展以及人们生活水平的不断提高,人们在提高汽车经济性和动力性指标的同时,更加注重了对整车平顺性的要求。因此,对车辆振动和噪声控制逐渐成为需要解决的首要问题。
  1橡胶悬置系统优化设计
  一般技术路线橡胶悬置系统优化设计是通过对悬置元件结构参数(数量、结构、位置)以及性能参数(刚度、阻尼)等的优化匹配达到所期望的隔振效果。一般分为动力学建模、隔振分析、参数优化、隔振性能评价四个主要的阶段。动力学建模实质是将物理问题转化为数学问题。主要有两种手段:一是根据系统运动关系编写振动微分方程;二是利用多体动力学分析软件建模,由软件自动编写振动微分方程。相较于人工编写数学模型,运用多体动力学软件建模对复杂系统而言更加简便,却对系统参数要求更严格。
  隔振分析是对系统现有隔振能力进行评价与分析,并找出振动水平过大的原因或者传递路径,为之后的参数优化打下基础。方法是对振动微分方程进行求解,计算系统隔振率、传递率和振动能量分配矩阵等。参数优化是悬置系统性能优化的关键,即根据优化目标对橡胶元件的结构和性能参数进行最优化计算。
  具体有三个问题:一是目标函数,系统各自由度解耦率与固有频率分配、振动传递率和被支承体运动幅值等都可作为目标函数;二是约束条件,包括悬置元件本身的各项性能约束,如橡胶块的压剪比,空间尺寸所决定的刚度等,以及系统固有频率、振动位移等性能约束,并因此减少优化计算量;三是优化手段,常用的方法有试验设计、最优化算法等。隔振性能评价是对优化结果进行评价。评价指标是检验悬置系统优化效果的尺度,合理确定评价指标才能得出准确有理的结论。评价指标可以选择与目标函数相同的指标,也可以选择其他需要评价的项目进行评价。不论是否采用仿真验证,最终的效果仍需要进行试验验证。
  2橡胶悬置结构技术研究
  早在汽车诞生之初,动力总成与车架直接地做刚性连接,由发动机产生的振动和噪声就直接地传到车体,对发动机和支架造成严重的损坏。人们开始使用皮革或布垫等柔性件来连接动力总成和车架。随着人们对汽车的研究以及对舒适性要求的提高,在20世纪20年代年,橡胶元件首次被采用来连接动力总成和车架,利用橡胶件的减振隔振特性来隔离和吸收动力总成的振动,减小动力总成和车体之间的振动传递,提高乘坐的舒适性。橡胶悬置的弹性特性与其结构型式、表面形状、橡胶硬度等参数有关,通过适当选择防振橡胶的形状、尺寸,使垂向、横向、纵向三个方向的刚度系数达到期望数值,利用橡胶元件产生的内摩擦有效地衰减隔除发动机的振动。
  理想的动力总成悬置在低频条件下应具有大阻尼高刚度特性,在高频条件下应具有小阻尼低刚度特性,有助于更好地降低车内噪声,提高操纵稳定性。而传统的动力总成橡胶悬置因其小阻尼高刚度及高频动态硬化的缺点,难以满足动力总成在宽频率范围内对悬置系统的隔振要求。虽然传统的橡胶悬置相比于理想悬置还存在一定差距,但是由于传统的橡胶悬置具有:(1)抗张、拉强度等机械强度的耐久性强;(2)性能可靠、常温下弹性下降小;(3)工艺简单、制造成本低等优点,至今仍然被广泛使用。
  3橡胶悬置系统技术研究的主要特点
  3.1注重综合运用CAE手段
  由上述悬置系统研究综述来看,悬置系统研究手段主要经历了三个阶段:采用扭矩轴解耦法、撞击中心理论等振动分析方法来合理选择悬置元件的刚度与位置;简化振动系统,编写系统振动微分方程,利用数学解析法进行求解进而分析优化;综合运用三维建模、有限元分析、多体动力学仿真等CAE技术进行更加复杂的整车仿真与优化。当前,随着大型商业CAE软件的成熟,综合运用CAE手段进行悬置系统的设计与优化成为了橡胶悬置系统技术研究的主要特点。
  3.2注重整车系统优化设计
  动力总成和驾驶室悬置系统优化是悬置系统研究的主要内容,将动力总成或驾驶室视为置于刚性或弹性基础上的多自由度刚体,进行悬置系统的研究是当前主要的研究方式,并且已经形成了较为成熟的技术路线。此外致力于提升整车NVH性能,基于整车系统优化能够协调各子系统运动,更好地改善整车的振动状况,因此进行整车参数化建模与优化设计已经成为了悬置系统研究的主要趨势,也是橡胶悬置系统研究的一大特点。
  3.3注重稳健性优化设计
  确定性优化设计是悬置系统研究的经典方式,基于所建模型的最优化设计在可行域内寻求系统参数的最优解,理论上能够充分发挥悬置系统的性能。但在实际工程应用过程中,存在众多不确定因素,例如:一般的橡胶悬置元件刚度的制造误差普遍约为15%,利用上述优化结果指导实际生产可能会产生较大的偏差,因此降低系统性能对最优参数及其周围参数的敏感度,即采用稳健性设计来降低参数不确定性带来的系统不稳定是近年来研究的一个热点。
  4车身橡胶悬置系统技术研究
  针对车身悬置系统的研究,通常也是通过编写数学模型或利用多体动力学软件建模进而进行分析与优化,一般采用1/2车辆模型或者整车模型,并且根据研究精度需要来确定自由度的数量。在研究方法上,振动传递路径分析、系统优化算法、有限元分析法等都取得了许多成果。系统的隔振特性与优化依旧是主要研究内容。国内方面,上世纪90年代,有关人员就针对橡胶垫式驾驶室悬置系统,详细阐述了驾驶室悬置系统布置的方式、位置、角度以及刚度的匹配方法;此后大量针对商用运输车辆驾驶室悬置的研究不断涌现,利用计算机进行悬置系统的仿真与参数优化是其研究的主要手段。此外随着整车模型的建立,不仅使研究环境更加真实,而且可以对车身悬置系统与车辆其他子系统之间的关系进行研究或集成优化。
  结束语
  因此,国内研究者和汽车企业未来对于悬置的研究,可以考虑侧重悬置系统优化,考虑悬置的合理布置、参数改善等,通过设计上的优化,提高国产车的隔振降噪水平。
  参考文献
  [1]  吴志平.汽车动力总成典型橡胶悬置结构三向静刚度比的计算与实测[D].华南理工大学,2013.
  [2]  岳光杰.车辆动力总成悬置系统振动分析及优化设计[D].重庆交通大学,2013.
  [3]  张健.轻型客车动力总成悬置系统优化设计与研究[D].武汉科技大学,2013.
  [4]  罗义建.UTV动力总成橡胶悬置系统设计分析[D].重庆大学,2012.
  [5]  韩景峰.某商用车动力总成悬置设计与优化研究[D].吉林大学,2012.
论文来源:《科学导报·学术》 2019年1期
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