汽車動(dòng)力總成液壓懸置參數(shù)試驗(yàn)研究

楊 慰，史文庫，馬利紅，潘 斌，徐 波

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025;2.建新趙氏集團(tuán)寧海建新橡塑有限公司，寧波 315600)

前言

動(dòng)力總成是引起汽車振動(dòng)的重要激勵(lì)源，動(dòng)力總成的懸置結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)特性對(duì)汽車振動(dòng)、噪聲和乘坐舒適性有著極為重要的影響。動(dòng)力總成液壓懸置是一種減振隔振元件，由于在動(dòng)態(tài)性能上相對(duì)橡膠懸置有著明顯的優(yōu)勢(shì)，已在汽車上得到大量應(yīng)用。它利用阻性液體在其內(nèi)部慣性通道中快速地往復(fù)流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的黏滯阻力，很好地克服了橡膠懸置低頻阻尼小、高頻出現(xiàn)動(dòng)態(tài)硬化現(xiàn)象的局限性，在寬泛的頻率段更好地滿足了汽車動(dòng)力總成減振隔振的要求［1-3］。

相對(duì)于橡膠懸置來說，液壓懸置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其整體動(dòng)態(tài)特性受到各組成部件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，因而參數(shù)獲取對(duì)于液壓懸置動(dòng)態(tài)特性曲線的設(shè)計(jì)與修正具有重要意義。

1 液壓懸置建模分析

本文中所研究的液壓懸置內(nèi)部帶有空氣彈簧，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。與普通液壓懸置結(jié)構(gòu)不同的是，解耦膜與隔板之間形成一個(gè)獨(dú)立的空氣腔，由氣孔與大氣相通，此時(shí)解耦膜的剛度較小。氣孔外部的電磁閥在通電后其伸縮頭可堵住氣孔，使空氣腔密閉，腔內(nèi)空氣與彈性解耦膜共同形成一個(gè)空氣彈簧。解耦膜的上表面在液力作用下受迫振動(dòng)時(shí)，其下表面會(huì)受到空氣彈簧的反作用力，表現(xiàn)為解耦膜剛度大增，從而改變上液室的體積剛度，影響液壓懸置的動(dòng)態(tài)特性。

液壓懸置的力學(xué)模型如圖2所示。彈簧和阻尼器代表橡膠主簧的剛度和阻尼，橡膠主簧的垂向振動(dòng)對(duì)于上液室內(nèi)的液體來說相當(dāng)于等效活塞的泵吸運(yùn)動(dòng)。圖中Ap為橡膠主簧泵吸液體的等效活塞面積，Kr、Br分別為橡膠主簧的剛度和阻尼系數(shù)，Qi為慣性通道內(nèi)的液體流速，p1、p2分別為上液室和下液室的液體壓力，C1、C2分別為上液室和下液室的體積柔度(體積變化量與相應(yīng)壓力變化量的比值)，Ii、Ri分別為慣性通道內(nèi)液體質(zhì)量的慣性系數(shù)和阻尼系數(shù)，F(xiàn)(t)為傳遞到液壓懸置固定端的作用力，x(t)為作用力所引起的激勵(lì)位移。

上液室、下液室及慣性通道間的流體連續(xù)方程［4-9］分別為

傳遞到車架固定端的力［10-11］為

液壓懸置的動(dòng)剛度K和阻尼角φ可表示為

式中K*為液壓懸置的復(fù)剛度。

2 模型參數(shù)的獲取

從上面的分析可以看出，影響懸置動(dòng)特性的參數(shù)有橡膠主簧的動(dòng)剛度Kr、阻尼系數(shù)Br及其振動(dòng)時(shí)泵吸液體的有效活塞面積Ap，上、下液室的體積柔度C1和C2，慣性通道內(nèi)液體質(zhì)量的慣性系數(shù)Ii和阻尼系數(shù)Ri。

由于通過試驗(yàn)方法難以測(cè)量，慣性通道內(nèi)液體質(zhì)量的慣性系數(shù)Ii和阻尼系數(shù)Ri由下式計(jì)算:

式中:ρ、μ 分別為液體的密度和動(dòng)力黏度;Ai、Li、di分別為慣性通道的橫截面積、通道長度和通道水力直徑。

采用美國的MTS(mechanical testing＆simulation)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)橡膠主簧進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，可以方便地測(cè)得其動(dòng)剛度Kr、阻尼系數(shù)Br。橡膠主簧的有效活塞面積Ap、上下液室的體積柔度C1和C2均可通過一系列的液壓試驗(yàn)獲取。

2.1 有效活塞面積測(cè)量

液壓懸置工作時(shí)，橡膠主簧在振動(dòng)激勵(lì)下對(duì)上液室內(nèi)的液體產(chǎn)生類似活塞泵吸的作用。由于橡膠主簧的外圍硫化固定于外金屬殼，且內(nèi)表面形狀不規(guī)則，故難以通過幾何公式精確計(jì)算橡膠主簧泵吸液體的有效活塞面積，因而采用圖3所示的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量。

將橡膠主簧與特別制作的液室腔體密封組裝在一起，液室腔內(nèi)灌裝滿液體，固定于MTS試驗(yàn)臺(tái)，打開液壓管上的閥門。控制MTS試驗(yàn)臺(tái)上部作動(dòng)頭迫使橡膠主簧緩慢地作泵壓運(yùn)動(dòng)，將液室內(nèi)的液體緩慢排出，并用量筒計(jì)量此過程中所溢出的液體體積，從而可計(jì)算出橡膠主簧的等效活塞面積S:

式中:ΔV為溢出液體的體積;Δx為主簧下壓行程，即作動(dòng)頭步進(jìn)位移。

2.2 橡膠主簧體積剛度測(cè)量

體積剛度是腔內(nèi)單位體積改變量所引起的液壓變化，它與體積柔度互為倒數(shù)。橡膠主簧在振動(dòng)時(shí)引起液室內(nèi)體積的改變，同時(shí)也受到液體的反作用即液壓。如果關(guān)閉圖3中的閥門使液室密閉，則橡膠主簧下壓位移Δx將引起腔內(nèi)液壓增大Δp(由液壓傳感器測(cè)得)，橡膠主簧的體積剛度Ka可表示為

式中S為前面已測(cè)的橡膠主簧泵吸液體的等效活塞面積。

2.3 解耦膜體積剛度測(cè)量

解耦膜固定于隔板總成上，為方便試驗(yàn)的操作，本試驗(yàn)將隔板總成與液室緊固密封在一起形成內(nèi)腔，以測(cè)量解耦膜的體積剛度。

如圖4所示，將慣性通道完全封堵的隔板總成與液室腔體密封組裝在一起，液室腔內(nèi)灌滿液體。右側(cè)的液壓缸固定于MTS試驗(yàn)臺(tái)?？刂谱鲃?dòng)頭的步進(jìn)位移Δx，緩慢向下壓活塞推桿，液壓迫使解耦膜變形內(nèi)陷。同時(shí)，具有體積剛度的解耦膜反作用于液體，液壓傳感器測(cè)得液室內(nèi)的液壓增大Δp，于是解耦膜的體積剛度可表示為

式中d為液壓缸的內(nèi)徑。

為研究空氣彈簧對(duì)液壓懸置的影響，分別測(cè)量封堵和不封堵空氣腔氣孔時(shí)解耦膜的體積剛度。

2.4 底膜體積剛度測(cè)量

下液室的功能是容納液體，它的體積剛度應(yīng)較小，以盡量減小對(duì)解耦膜和慣性通道發(fā)揮應(yīng)有特性產(chǎn)生的干擾和影響。從液壓懸置的結(jié)構(gòu)可知，下液室的體積剛度等同于橡膠底膜的體積剛度，其測(cè)量方法與解耦膜相同，不再贅述。

3 參數(shù)獲取試驗(yàn)結(jié)果分析

參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖5～圖8所示。

由圖5可見，在橡膠主簧被壓縮的過程中，其泵壓液體的有效活塞面積基本不變，可近似認(rèn)為是固定值，以簡化模型的計(jì)算。

圖6中橡膠主簧的體積剛度隨著液室的壓縮而逐漸增大，且在一定的范圍內(nèi)接近于線性變化。

如圖7所示，解耦膜的體積剛度隨著液室的壓縮而逐漸增大。堵住隔板上的小孔形成空氣彈簧時(shí)，解耦膜的體積剛度比沒有空氣彈簧時(shí)的體積剛度明顯大很多。

上液室的體積剛度由橡膠主簧的體積剛度和解耦膜的體積剛度串聯(lián)得到［12］，即

由圖8可以看出，其體積剛度在有效工作范圍內(nèi)相對(duì)很小，符合其性能要求。在曲線的最后發(fā)生突變激增，這是底膜擴(kuò)張過度，受到金屬底盤的限位保護(hù)所造成的。

在MTS試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)橡膠主簧施加預(yù)載并進(jìn)行動(dòng)特性試驗(yàn)以測(cè)量其動(dòng)剛度和阻尼角，其結(jié)果如圖9和圖10所示?？梢钥闯觯瑒?dòng)剛度和阻尼角在一定的頻率范圍內(nèi)基本維持不變。

利用獲取的參數(shù)在模型中進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，得到液壓懸置的動(dòng)剛度和阻尼角。另外再用臺(tái)架試驗(yàn)的方法測(cè)試液壓懸置的動(dòng)剛度和阻尼角。將仿真與試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)特性曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖11～圖14所示。

從圖中可以看出，仿真與試驗(yàn)的動(dòng)剛度和阻尼角較為吻合?？諝馇幻芊庑纬煽諝鈴椈蓵r(shí)，液壓懸置的動(dòng)剛度和阻尼角分別大于沒有空氣彈簧時(shí)的動(dòng)剛度和阻尼角。

4 結(jié)論

通過一系列試驗(yàn)測(cè)量出液壓懸置的重要物理參數(shù)，并對(duì)所建立的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行液壓懸置動(dòng)態(tài)特性的仿真。仿真的動(dòng)態(tài)特性與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明仿真模型可較精確地表達(dá)液壓懸置的動(dòng)態(tài)特性，并且參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)方法正確，測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確。

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