杨 慰，史文库，马利红，潘 斌，徐 波

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025;2.建新赵氏集团宁海建新橡塑有限公司，宁波 315600)

前言

动力总成是引起汽车振动的重要激励源，动力总成的悬置结构及其动态特性对汽车振动、噪声和乘坐舒适性有着极为重要的影响。动力总成液压悬置是一种减振隔振元件，由于在动态性能上相对橡胶悬置有着明显的优势，已在汽车上得到大量应用。它利用阻性液体在其内部惯性通道中快速地往复流动时所产生的黏滞阻力，很好地克服了橡胶悬置低频阻尼小、高频出现动态硬化现象的局限性，在宽泛的频率段更好地满足了汽车动力总成减振隔振的要求［1-3］。

相对于橡胶悬置来说，液压悬置的结构较为复杂，其整体动态特性受到各组成部件的动力学参数的影响，因而参数获取对于液压悬置动态特性曲线的设计与修正具有重要意义。

1 液压悬置建模分析

本文中所研究的液压悬置内部带有空气弹簧，其结构如图1所示。与普通液压悬置结构不同的是，解耦膜与隔板之间形成一个独立的空气腔，由气孔与大气相通，此时解耦膜的刚度较小。气孔外部的电磁阀在通电后其伸缩头可堵住气孔，使空气腔密闭，腔内空气与弹性解耦膜共同形成一个空气弹簧。解耦膜的上表面在液力作用下受迫振动时，其下表面会受到空气弹簧的反作用力，表现为解耦膜刚度大增，从而改变上液室的体积刚度，影响液压悬置的动态特性。

液压悬置的力学模型如图2所示。弹簧和阻尼器代表橡胶主簧的刚度和阻尼，橡胶主簧的垂向振动对于上液室内的液体来说相当于等效活塞的泵吸运动。图中Ap为橡胶主簧泵吸液体的等效活塞面积，Kr、Br分别为橡胶主簧的刚度和阻尼系数，Qi为惯性通道内的液体流速，p1、p2分别为上液室和下液室的液体压力，C1、C2分别为上液室和下液室的体积柔度(体积变化量与相应压力变化量的比值)，Ii、Ri分别为惯性通道内液体质量的惯性系数和阻尼系数，F(t)为传递到液压悬置固定端的作用力，x(t)为作用力所引起的激励位移。

上液室、下液室及惯性通道间的流体连续方程［4-9］分别为

传递到车架固定端的力［10-11］为

液压悬置的动刚度K和阻尼角φ可表示为

式中K*为液压悬置的复刚度。

2 模型参数的获取

从上面的分析可以看出，影响悬置动特性的参数有橡胶主簧的动刚度Kr、阻尼系数Br及其振动时泵吸液体的有效活塞面积Ap，上、下液室的体积柔度C1和C2，惯性通道内液体质量的惯性系数Ii和阻尼系数Ri。

由于通过试验方法难以测量，惯性通道内液体质量的惯性系数Ii和阻尼系数Ri由下式计算:

式中:ρ、μ 分别为液体的密度和动力黏度;Ai、Li、di分别为惯性通道的横截面积、通道长度和通道水力直径。

采用美国的MTS(mechanical testing＆simulation)试验台对橡胶主簧进行动态特性试验，可以方便地测得其动刚度Kr、阻尼系数Br。橡胶主簧的有效活塞面积Ap、上下液室的体积柔度C1和C2均可通过一系列的液压试验获取。

2.1 有效活塞面积测量

液压悬置工作时，橡胶主簧在振动激励下对上液室内的液体产生类似活塞泵吸的作用。由于橡胶主簧的外围硫化固定于外金属壳，且内表面形状不规则，故难以通过几何公式精确计算橡胶主簧泵吸液体的有效活塞面积，因而采用图3所示的试验方法进行测量。

将橡胶主簧与特别制作的液室腔体密封组装在一起，液室腔内灌装满液体，固定于MTS试验台，打开液压管上的阀门。控制MTS试验台上部作动头迫使橡胶主簧缓慢地作泵压运动，将液室内的液体缓慢排出，并用量筒计量此过程中所溢出的液体体积，从而可计算出橡胶主簧的等效活塞面积S:

式中:ΔV为溢出液体的体积;Δx为主簧下压行程，即作动头步进位移。

2.2 橡胶主簧体积刚度测量

体积刚度是腔内单位体积改变量所引起的液压变化，它与体积柔度互为倒数。橡胶主簧在振动时引起液室内体积的改变，同时也受到液体的反作用即液压。如果关闭图3中的阀门使液室密闭，则橡胶主簧下压位移Δx将引起腔内液压增大Δp(由液压传感器测得)，橡胶主簧的体积刚度Ka可表示为

式中S为前面已测的橡胶主簧泵吸液体的等效活塞面积。

2.3 解耦膜体积刚度测量

解耦膜固定于隔板总成上，为方便试验的操作，本试验将隔板总成与液室紧固密封在一起形成内腔，以测量解耦膜的体积刚度。

如图4所示，将惯性通道完全封堵的隔板总成与液室腔体密封组装在一起，液室腔内灌满液体。右侧的液压缸固定于MTS试验台。控制作动头的步进位移Δx，缓慢向下压活塞推杆，液压迫使解耦膜变形内陷。同时，具有体积刚度的解耦膜反作用于液体，液压传感器测得液室内的液压增大Δp，于是解耦膜的体积刚度可表示为

式中d为液压缸的内径。

为研究空气弹簧对液压悬置的影响，分别测量封堵和不封堵空气腔气孔时解耦膜的体积刚度。

2.4 底膜体积刚度测量

下液室的功能是容纳液体，它的体积刚度应较小，以尽量减小对解耦膜和惯性通道发挥应有特性产生的干扰和影响。从液压悬置的结构可知，下液室的体积刚度等同于橡胶底膜的体积刚度，其测量方法与解耦膜相同，不再赘述。

3 参数获取试验结果分析

参数测量结果如图5～图8所示。

由图5可见，在橡胶主簧被压缩的过程中，其泵压液体的有效活塞面积基本不变，可近似认为是固定值，以简化模型的计算。

图6中橡胶主簧的体积刚度随着液室的压缩而逐渐增大，且在一定的范围内接近于线性变化。

如图7所示，解耦膜的体积刚度随着液室的压缩而逐渐增大。堵住隔板上的小孔形成空气弹簧时，解耦膜的体积刚度比没有空气弹簧时的体积刚度明显大很多。

上液室的体积刚度由橡胶主簧的体积刚度和解耦膜的体积刚度串联得到［12］，即

由图8可以看出，其体积刚度在有效工作范围内相对很小，符合其性能要求。在曲线的最后发生突变激增，这是底膜扩张过度，受到金属底盘的限位保护所造成的。

在MTS试验台上对橡胶主簧施加预载并进行动特性试验以测量其动刚度和阻尼角，其结果如图9和图10所示。可以看出，动刚度和阻尼角在一定的频率范围内基本维持不变。

利用获取的参数在模型中进行动态仿真，得到液压悬置的动刚度和阻尼角。另外再用台架试验的方法测试液压悬置的动刚度和阻尼角。将仿真与试验的动态特性曲线进行对比，如图11～图14所示。

从图中可以看出，仿真与试验的动刚度和阻尼角较为吻合。空气腔密封形成空气弹簧时，液压悬置的动刚度和阻尼角分别大于没有空气弹簧时的动刚度和阻尼角。

4 结论

通过一系列试验测量出液压悬置的重要物理参数，并对所建立的动态模型进行液压悬置动态特性的仿真。仿真的动态特性与试验结果吻合较好，表明仿真模型可较精确地表达液压悬置的动态特性，并且参数测量试验方法正确，测量结果较准确。

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