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      汽車動(dòng)力總成液壓懸置參數(shù)試驗(yàn)研究

      2014-10-11 07:42:04史文庫馬利紅
      汽車工程 2014年7期
      關(guān)鍵詞:阻尼橡膠液體

      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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