車輛橡膠懸置系統(tǒng)的研究進展

田偉叢 張興 趙媛媛

摘? 要：懸置系統(tǒng)能夠有效地隔離和衰減車輛兩大主要振源——發(fā)動機振動和路面不平度產(chǎn)生的激勵，在提升汽車平順性、降低車內(nèi)振動和噪聲、緩解結(jié)構(gòu)振動疲勞失效等方面有重要的作用。

關(guān)鍵詞：橡膠懸置元件;橡膠懸置系統(tǒng);技術(shù)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

隨著社會不斷發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們在提高汽車經(jīng)濟性和動力性指標的同時，更加注重了對整車平順性的要求。因此，對車輛振動和噪聲控制逐漸成為需要解決的首要問題。

1橡膠懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

一般技術(shù)路線橡膠懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計是通過對懸置元件結(jié)構(gòu)參數(shù)（數(shù)量、結(jié)構(gòu)、位置）以及性能參數(shù)（剛度、阻尼）等的優(yōu)化匹配達到所期望的隔振效果。一般分為動力學建模、隔振分析、參數(shù)優(yōu)化、隔振性能評價四個主要的階段。動力學建模實質(zhì)是將物理問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題。主要有兩種手段：一是根據(jù)系統(tǒng)運動關(guān)系編寫振動微分方程;二是利用多體動力學分析軟件建模，由軟件自動編寫振動微分方程。相較于人工編寫數(shù)學模型，運用多體動力學軟件建模對復雜系統(tǒng)而言更加簡便，卻對系統(tǒng)參數(shù)要求更嚴格。

隔振分析是對系統(tǒng)現(xiàn)有隔振能力進行評價與分析，并找出振動水平過大的原因或者傳遞路徑，為之后的參數(shù)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。方法是對振動微分方程進行求解，計算系統(tǒng)隔振率、傳遞率和振動能量分配矩陣等。參數(shù)優(yōu)化是懸置系統(tǒng)性能優(yōu)化的關(guān)鍵，即根據(jù)優(yōu)化目標對橡膠元件的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進行最優(yōu)化計算。

具體有三個問題：一是目標函數(shù)，系統(tǒng)各自由度解耦率與固有頻率分配、振動傳遞率和被支承體運動幅值等都可作為目標函數(shù);二是約束條件，包括懸置元件本身的各項性能約束，如橡膠塊的壓剪比，空間尺寸所決定的剛度等，以及系統(tǒng)固有頻率、振動位移等性能約束，并因此減少優(yōu)化計算量;三是優(yōu)化手段，常用的方法有試驗設(shè)計、最優(yōu)化算法等。隔振性能評價是對優(yōu)化結(jié)果進行評價。評價指標是檢驗懸置系統(tǒng)優(yōu)化效果的尺度，合理確定評價指標才能得出準確有理的結(jié)論。評價指標可以選擇與目標函數(shù)相同的指標，也可以選擇其他需要評價的項目進行評價。不論是否采用仿真驗證，最終的效果仍需要進行試驗驗證。

2橡膠懸置結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

早在汽車誕生之初，動力總成與車架直接地做剛性連接，由發(fā)動機產(chǎn)生的振動和噪聲就直接地傳到車體，對發(fā)動機和支架造成嚴重的損壞。人們開始使用皮革或布墊等柔性件來連接動力總成和車架。隨著人們對汽車的研究以及對舒適性要求的提高，在20世紀20年代年，橡膠元件首次被采用來連接動力總成和車架，利用橡膠件的減振隔振特性來隔離和吸收動力總成的振動，減小動力總成和車體之間的振動傳遞，提高乘坐的舒適性。橡膠懸置的彈性特性與其結(jié)構(gòu)型式、表面形狀、橡膠硬度等參數(shù)有關(guān)，通過適當選擇防振橡膠的形狀、尺寸，使垂向、橫向、縱向三個方向的剛度系數(shù)達到期望數(shù)值，利用橡膠元件產(chǎn)生的內(nèi)摩擦有效地衰減隔除發(fā)動機的振動。

理想的動力總成懸置在低頻條件下應具有大阻尼高剛度特性，在高頻條件下應具有小阻尼低剛度特性，有助于更好地降低車內(nèi)噪聲，提高操縱穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的動力總成橡膠懸置因其小阻尼高剛度及高頻動態(tài)硬化的缺點，難以滿足動力總成在寬頻率范圍內(nèi)對懸置系統(tǒng)的隔振要求。雖然傳統(tǒng)的橡膠懸置相比于理想懸置還存在一定差距，但是由于傳統(tǒng)的橡膠懸置具有：（1）抗張、拉強度等機械強度的耐久性強;（2）性能可靠、常溫下彈性下降小;（3）工藝簡單、制造成本低等優(yōu)點，至今仍然被廣泛使用。

3橡膠懸置系統(tǒng)技術(shù)研究的主要特點

3.1注重綜合運用CAE手段

由上述懸置系統(tǒng)研究綜述來看，懸置系統(tǒng)研究手段主要經(jīng)歷了三個階段：采用扭矩軸解耦法、撞擊中心理論等振動分析方法來合理選擇懸置元件的剛度與位置;簡化振動系統(tǒng)，編寫系統(tǒng)振動微分方程，利用數(shù)學解析法進行求解進而分析優(yōu)化;綜合運用三維建模、有限元分析、多體動力學仿真等CAE技術(shù)進行更加復雜的整車仿真與優(yōu)化。當前，隨著大型商業(yè)CAE軟件的成熟，綜合運用CAE手段進行懸置系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化成為了橡膠懸置系統(tǒng)技術(shù)研究的主要特點。

3.2注重整車系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

動力總成和駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化是懸置系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容，將動力總成或駕駛室視為置于剛性或彈性基礎(chǔ)上的多自由度剛體，進行懸置系統(tǒng)的研究是當前主要的研究方式，并且已經(jīng)形成了較為成熟的技術(shù)路線。此外致力于提升整車NVH性能，基于整車系統(tǒng)優(yōu)化能夠協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)運動，更好地改善整車的振動狀況，因此進行整車參數(shù)化建模與優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為了懸置系統(tǒng)研究的主要趨勢，也是橡膠懸置系統(tǒng)研究的一大特點。

3.3注重穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計

確定性優(yōu)化設(shè)計是懸置系統(tǒng)研究的經(jīng)典方式，基于所建模型的最優(yōu)化設(shè)計在可行域內(nèi)尋求系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)解，理論上能夠充分發(fā)揮懸置系統(tǒng)的性能。但在實際工程應用過程中，存在眾多不確定因素，例如：一般的橡膠懸置元件剛度的制造誤差普遍約為15%，利用上述優(yōu)化結(jié)果指導實際生產(chǎn)可能會產(chǎn)生較大的偏差，因此降低系統(tǒng)性能對最優(yōu)參數(shù)及其周圍參數(shù)的敏感度，即采用穩(wěn)健性設(shè)計來降低參數(shù)不確定性帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定是近年來研究的一個熱點。

4車身橡膠懸置系統(tǒng)技術(shù)研究

針對車身懸置系統(tǒng)的研究，通常也是通過編寫數(shù)學模型或利用多體動力學軟件建模進而進行分析與優(yōu)化，一般采用1/2車輛模型或者整車模型，并且根據(jù)研究精度需要來確定自由度的數(shù)量。在研究方法上，振動傳遞路徑分析、系統(tǒng)優(yōu)化算法、有限元分析法等都取得了許多成果。系統(tǒng)的隔振特性與優(yōu)化依舊是主要研究內(nèi)容。國內(nèi)方面，上世紀90年代，有關(guān)人員就針對橡膠墊式駕駛室懸置系統(tǒng)，詳細闡述了駕駛室懸置系統(tǒng)布置的方式、位置、角度以及剛度的匹配方法;此后大量針對商用運輸車輛駕駛室懸置的研究不斷涌現(xiàn)，利用計算機進行懸置系統(tǒng)的仿真與參數(shù)優(yōu)化是其研究的主要手段。此外隨著整車模型的建立，不僅使研究環(huán)境更加真實，而且可以對車身懸置系統(tǒng)與車輛其他子系統(tǒng)之間的關(guān)系進行研究或集成優(yōu)化。

結(jié)束語

因此，國內(nèi)研究者和汽車企業(yè)未來對于懸置的研究，可以考慮側(cè)重懸置系統(tǒng)優(yōu)化，考慮懸置的合理布置、參數(shù)改善等，通過設(shè)計上的優(yōu)化，提高國產(chǎn)車的隔振降噪水平。

參考文獻

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