CN110210074A - 一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆行驶平顺性技术领域，涉及一种利用液阻悬置的整车平顺性优化系统及方法。包括以下步骤：1、建立包含液阻悬置的整车平顺性优化力学模型；2、在力学模型基础上，计算悬架振动固有频率，结合悬置参数化特性方程，推导整车平顺性优化目标方程；3、通过仿真及实际样件验证本方法的可行性，调整液阻悬置的关键结构参数，实现满足目标方程的最优解。本发明通过将包含液阻悬置的动力总成悬置系统作为有阻尼吸振器使用，实现了液阻悬置与车辆悬架的联合设计；建立了包含液阻悬置与车身的数学模型，实现以车身振动加速度为优化目标的液阻悬置的结构参数化设计；在相同的外部输入下降低了车身峰值加速度，改善了整车乘坐舒适性。

Description

一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法

技术领域

本发明属于车辆行驶平顺性技术领域，涉及一种利用液阻悬置的整车平顺性优化系统及方法。

背景技术

以液阻悬置为核心的动力总成悬置系统是现代汽车振动舒适性的最主要系统。长期以来，汽车悬置系统的设计匹配都以系统级设计，即考虑动力总成与悬置的相互作用，而将汽车其他部件设定为固定不动。这种悬置匹配设计方法固然可以得到比较理想的对动力总成振动的隔离与衰减效果，但由于设计时将车身设为不动，这种匹配方式并不能考虑车身实际上存在的由路面激励并经悬架传来的振动，从而无法将动力总成悬置系统与底盘的振动同时考虑，并同时设计匹配。

发明内容

本发明为解决汽车动力总成悬置系统设计时仅停留在系统层面，而不考虑整车级响应而产生。通过建立包含液阻悬置、动力总成、车身、悬架与轮胎的整车1/4模型，并进行相关推导，提出了通过利用动力总成液阻悬置吸收路面对车身激励的方法，从而实现了对动力总成液阻悬置与整车底盘的联合匹配，本发明与此前的方法相比，利用悬置在悬架同向轮跳模态频率下提供的大阻尼，改善了汽车行驶平顺性，尤其是改善了车辆驶过颠簸路面的振动舒适性。

一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法，包括以下步骤：

步骤一：建立包含液阻悬置的整车平顺性优化力学模型；

步骤二：在力学模型基础上，计算悬架振动固有频率，结合悬置参数化特性方程，推导整车平顺性优化目标方程；

步骤三：通过仿真及实际样件验证本方法的可行性，调整液阻悬置的关键结构参数，实现满足目标方程的最优解。

步骤一中所述力学模型包括动力总成质量M₃、液阻悬置惯性阻尼液柱质量m、液阻悬置流道截面积a、液阻悬置等效活塞面积A、车身质量M₂、悬架非簧载质量M₁、液阻悬置液室橡胶刚度k_s、橡胶阻尼d、减振器阻尼D、液阻悬置复刚度k_dyn、悬架刚度k₂、轮胎刚度k₁、路面激励位移Z₁、车身位移Z₂、液阻悬置惯性质量位移z；

所述液阻悬置惯性阻尼液柱质量m、液阻悬置流道截面积a与液阻悬置等效活塞面积A按等效杠杆联合组成液阻悬置惯性阻尼；

所述液阻悬置惯性阻尼与液阻悬置液室橡胶刚度k_s，橡胶阻尼d按杠杆关系组成液阻悬置等效模型，液阻悬置等效模型连接动力总成质量M₃与车身质量M₂，车身质量M₂与非簧载质量M₁之间由悬架刚度k₂及减振器阻尼D相连；非簧载质量M₁与路面通过轮胎刚度k₁相连；路面激励位移为Z₁，车身位移为Z₂，液阻悬置惯性质量位移为z；

步骤二中所述在力学模型基础上，计算悬架振动固有频率，结合悬置参数化特性方程，推导整车平顺性优化目标方程；具体包括以下步骤：

步骤1：获得路面激励对车身产生振动的敏感频率，即悬架同向轮跳模态频率fs，为悬架振动固有频率；

步骤2：考虑动力总成悬置系统，获得运动位移比方程：

其中：s为拉式变换的辅助变量，k为悬置液阻刚度；

s＝jω，其中ω为路面激励圆频率，j为虚数单位。

步骤3：根据振动理论，得到液阻悬置的振动方程：

其中：F是隔振力；

k_s是液阻悬置液室橡胶刚度，计算时认为k_s是常值，后面记为k_s0；

d是橡胶主簧阻尼；

x是激励位移；

为激励速度；

ΔP是上下液室压强差；

A为液阻悬置等效活塞面积；

步骤4：根据流体连续性，得到体积变化方程：

xA＝x_ca+κΔP…………………………………………………(4)

其中：x_c是液柱在流道中的位移；

a为液阻悬置流道截面积；

步骤5：以液柱质量建立振动方程：

其中：是液柱在流道中加速度；

步骤6：联立(4)(5)并作拉氏变换，得到位移比

其中：s＝jω，κ为液阻悬置液室体积柔量；

步骤7：复刚度通过(3)振动方程，并结合(6)，获得液阻悬置复刚度表达式，此为悬置参数化特性方程：

其中：ω_c是流道液柱固有圆频率；

ζ_c流道阻尼比；

k_hy是流道液柱刚度；

步骤8：推导流道阻尼比ζ_c表达式：

其中：

δ为流量系数；

l_c为流道长度；

步骤9：根据式(7)获得液阻悬置复刚度实部和虚部

k_s是液阻悬置液室橡胶刚度，计算时认为k_s是常值，后面记为k_s0

步骤10：得到液阻悬置动刚度

步骤11：得到液阻悬置损失角

步骤12：推导出橡胶主簧的损失角

其中：是橡胶悬置初始损失角，一般为3-8°。

步骤13：获得整个悬置损失角

步骤14：通过调节液阻悬置关键结构参数，液阻悬置关键结构参数包括液阻悬置惯性阻尼液柱质量m、液阻悬置流道截面积a、液阻悬置等效活塞面积A、液阻悬置液室橡胶刚度k_s、橡胶阻尼d、减振器阻尼D、液阻悬置复刚度k_dyn，流道长度l_c，使得的极大值满足下式

其中：ω_s＝2πf_s，式(15)即为整车平顺性优化目标方程。

步骤三中所述通过仿真及实际样件验证本方法的可行性，调整液阻悬置的关键结构参数，实现满足目标方程的最优解：是指经过优化设计的液阻悬置有效降低了通过不平路面的车身垂向加速度，实现了整车平顺性的优化；

将悬置安装在实车上，或在整车动力学模型中修改悬置参数，试验时在车轮接地点使用垂直方向0.1-25Hz正弦等幅值位移扫频激励，同时考查在车身处的垂向车身加速度，垂向加速度频响曲线幅值减小，说明悬置对整车平顺性优化起作用。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、通过将包含液阻悬置的动力总成悬置系统作为有阻尼吸振器使用，实现了液阻悬置与车辆悬架的联合设计；

2、建立了包含液阻悬置与车身的数学模型，实现以车身振动加速度为优化目标的液阻悬置的结构参数化设计；

3、经过优化设计的液阻悬置在相同的外部输入下降低了车身峰值加速度，这改善了整车乘坐舒适性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述利用液阻悬置的整车平顺性优化方法中的用于分析的整车1/4力学模型；

图2是本发明所述利用液阻悬置的整车平顺性优化方法中实施例优化前后的车身加速度对比图；

图3是本发明所述利用液阻悬置的整车平顺性优化方法实施流程图；

具体实施方式

本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

本发明提出利用液阻悬置的整车平顺性优化方法及系统原理可以使用任何编程语言实现，并使用路试试验或是多体动力学软件仿真做结果验证。

一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法，包括以下步骤：

a、建立用于分析的整车1/4力学模型：模型包括动力总成质量M₃，液阻悬置惯性阻尼液柱质量m，液阻悬置流道截面积a，液阻悬置等效活塞面积A，车身质量M₂，悬架非簧载质量M₁，液阻悬置液室橡胶刚度k_s，橡胶阻尼为d，减振器阻尼为D。液阻悬置复刚度k_dvn，悬架刚度k₂，轮胎刚度k₁，路面激励位移为Z₁，车身位移为Z₂，液阻悬置惯性质量位移为z。由于是前轴单轮模型，故模型所有质量均为前轴质量的1/2，具体力学模型如图1所示；

图1中，液阻悬置惯性阻尼液柱质量m、液阻悬置流道截面积a与液阻悬置等效活塞面积A按等效杠杆联合组成液阻悬置惯性阻尼；

该液阻悬置惯性阻尼与液阻悬置液室橡胶刚度k_s，橡胶阻尼d按图中杠杆关系组成液阻悬置等效模型，该液阻悬置等效模型连接动力总成质量M₃与车身质量M₂，车身质量M₂与非簧载质量M₁之间由悬架刚度k₂及减振器阻尼D相连。非簧载质量M₁与路面通过轮胎刚度k₁相连。路面激励位移为Z₁，车身位移为Z₂，液阻悬置惯性质量位移为z。

b、在力学模型基础上，推导在路面激励下，运用动力总成液阻悬置吸收由路面激励引起的车身振动的相关公式，该部分为本发明的核心内容，对该原理的实现使用了编程方法。现详述原理如下。

通过计算，获得路面激励对车身产生振动的敏感频率，即悬架同向轮跳模态频率fs。

该频率为非簧载质量的共振频率，在该频率下的路面激励经悬架传递会在车身一侧产生大的加速度，影响汽车平顺性并使乘员感到不适。

为降低车身侧加速度，需要动力总成悬置系统的最大阻尼调至该频率点，即作为吸振器，考虑动力总成悬置系统，获得运动位移比方程：

其中s为拉式变换的辅助变量，k为悬置液阻刚度。在本模型中s＝jω，其中ω为路面激励圆频率，j为虚数单位。在此基础上推导液阻悬置复刚度；

根据振动理论，得到液阻悬置的振动方程：

其中F是隔振力；k_s是液阻悬置液室橡胶刚度，计算时认为k_s是常值，后面记为k_s0，d是橡胶主簧阻尼。x是激励位移，为激励速度。ΔP是上下液室压强差，A为液阻悬置等效活塞面积。

根据流体连续性，得到体积变化方程：

xA＝x_ca+κΔP…………………………………………………(4)

其中，x_c是液柱在流道中的位移，a为液阻悬置流道截面积。

以液柱质量建立振动方程：

其中是液柱在流道中加速度。

联立(4)(5)并作拉氏变换，得到位移比

其中：s＝jω，κ为液阻悬置液室体积柔量。

复刚度通过(3)振动方程，并结合(6)，获得液阻悬置复刚度表达式

其中：ω_c是流道液柱固有圆频率，ζ_c流道阻尼比，k_hy是流道液柱刚度。

动刚度是由复刚度导出的，复刚度表达式k_dyn(ω)，动刚度表达式|k_dyn(λ)|

注意到流道阻尼比ζ_c为随频率变化的变量，且其大小与激励振幅，流道口形式，流道的过流面积和液压油粘度有关。结合(6)推导其表达式

其中：δ为流量系数，l_c为流道长度。

根据式(7)获得液阻悬置复刚度实部和虚部

如前所述：k_s是液阻悬置液室橡胶刚度，计算时认为k_s是常值，后面记为k_s0

可知液阻悬置动刚度

液阻悬置损失角

同时推导出橡胶主簧的损失角

其中是橡胶悬置初始损失角，一般为3-8°。

二者刚度是串联关系，获得整个悬置损失角

基于以上原理公式，使用现有技术，如matlab或vb将其程序化，建立附图1所示修改的1/4车辆模型。，通过调节液阻悬置参数，使得的极大值满足下式

其中ω_s＝2πf_s。

由于液阻悬置阻尼设计变量多于条件约束，因此满足上式条件，即为实现给定悬架与车身的平顺性优化的液阻悬置参数有无数组合，在实现该频率最大阻尼时应使用综合最优的参数组合，这里最优并无严格定义，在不同参数组合下，为平顺性优化过的液阻悬置耐久、成本及开发周期都不同，本发明后续的实例验证只选用了其中一种参数组合做验证。

车身加速度是反映整车平顺性的参数，使用满足以上公式15的液阻悬置设计参数后，将悬置安装在实车上(或在整车动力学模型中修改悬置参数)，试验时在车轮接地点使用垂直方向正弦等幅值位移扫频激励(0.1-25Hz)，同时考查在车身处的垂向车身加速度，垂向加速度频响曲线幅值减小(图2)，说明悬置对整车平顺性优化起作用。

C、通过仿真及实际样件验证本方法的可行性。

下面将结合附图通过实例，对本发明作进一步详细说明，但下述实例仅仅是本发明的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法，包括以下步骤：

1、建立包含液阻悬置的整车平顺性优化力学模型，模型中包包含液阻悬置参数及整车参数，整车参数包括动力总成，车身，悬架及轮胎参数；同时建立包含液阻悬置的整车平顺性优化力学模型，即附图1中的1/4整车模型。

2、计算悬架振动固有频率，结合悬置参数化特性方程，即液阻悬置复刚度阻尼表达式，即公式(7)；推导整车平顺性优化目标方程，即公式(15)；

3、调整液阻悬置的关键结构参数，即步骤二中步骤14所述参数，结合已知整车参数，调整悬置动态特性，即液阻悬置复刚度以满足平顺性优化目标；

4、通过整车仿真和试制样件验证该优化系统的有效性，即经过优化设计的液阻悬置有效降低了通过不平路面的车身垂向加速度。这实现了整车平顺性的优化，优化结果见附图2。

仿真验证使用以下液阻悬置设计优化后参数：

m为30g；静刚度k_s为175N/mm，损失角φ₀为5°，等效活塞面积A为2400mm²，流道过流面积a为95mm²，流道长度l_c为300mm。其余液阻悬置参数未优化。

给定的某车底盘、车身与发动机质量参数(单侧)如下：

非簧载质量M₁为50kg；车身质量M₂为350kg；发动机质量M₃为100kg；轮胎刚度k₁为220N/mm；悬架刚度k₂为32N/mm。

优化前后的液阻悬置对整车平顺性的影响见图2所示，图2中曲线的获取是通过将结构优化后的悬置安装在实车上(或在整车动力学模型中修改悬置参数)并进行轮胎接地点激励试验获得的。试验时，在车轮接地点使用垂直方向正弦等幅值位移扫频激励(0.1-25Hz)，同时考查在车身处的垂向车身加速度，图2中实线是优化前的车身垂向加速度频响函数曲线，虚线是优化后的垂向加速度频响曲线，优化后车身加速度幅值明显降低，整车平顺性变好。

Claims (4)

1.一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立包含液阻悬置的整车平顺性优化力学模型；

步骤二：在力学模型基础上，计算悬架振动固有频率，结合悬置参数化特性方程，推导整车平顺性优化目标方程；

步骤三：通过仿真及实际样件验证本方法的可行性，调整液阻悬置的关键结构参数，实现满足目标方程的最优解。

2.根据权利要求1所述的一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法，其特征在于：

步骤一中所述力学模型包括动力总成质量M₃、液阻悬置惯性阻尼液柱质量m、液阻悬置流道截面积a、液阻悬置等效活塞面积A、车身质量M₂、悬架非簧载质量M₁、液阻悬置液室橡胶刚度k_s、橡胶阻尼d、减振器阻尼D、液阻悬置复刚度k_dyn、悬架刚度k₂、轮胎刚度k₁、路面激励位移Z₁、车身位移Z₂、液阻悬置惯性质量位移z；

所述液阻悬置惯性阻尼液柱质量m、液阻悬置流道截面积a与液阻悬置等效活塞面积A按等效杠杆联合组成液阻悬置惯性阻尼；

所述液阻悬置惯性阻尼与液阻悬置液室橡胶刚度k_s，橡胶阻尼d按杠杆关系组成液阻悬置等效模型，液阻悬置等效模型连接动力总成质量M₃与车身质量M₂，车身质量M₂与非簧载质量M₁之间由悬架刚度k₂及减振器阻尼D相连；非簧载质量M₁与路面通过轮胎刚度k₁相连；路面激励位移为Z₁，车身位移为Z₂，液阻悬置惯性质量位移为z。

3.根据权利要求1所述的一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法，其特征在于：

步骤二中所述在力学模型基础上，计算悬架振动固有频率，结合悬置参数化特性方程，推导整车平顺性优化目标方程；具体包括以下步骤：

步骤1：获得路面激励对车身产生振动的敏感频率，即悬架同向轮跳模态频率fs，为悬架振动固有频率；

步骤2：考虑动力总成悬置系统，获得运动位移比方程：

其中：s为拉式变换的辅助变量，k为悬置液阻刚度；

s＝jω，其中ω为路面激励圆频率，j为虚数单位。

步骤3：根据振动理论，得到液阻悬置的振动方程：

其中：F是隔振力；

k_s是液阻悬置液室橡胶刚度，计算时认为k_s是常值，后面记为k_s0；

d是橡胶主簧阻尼；

x是激励位移；

为激励速度；

ΔP是上下液室压强差；

A为液阻悬置等效活塞面积；

步骤4：根据流体连续性，得到体积变化方程：

xA＝x_ca+κΔP…………………………………………………(4)

其中：x_c是液柱在流道中的位移；

a为液阻悬置流道截面积；

步骤5：以液柱质量建立振动方程：

其中：是液柱在流道中加速度；

步骤6：联立(4)(5)并作拉氏变换，得到位移比

其中：s＝jω，κ为液阻悬置液室体积柔量；

步骤7：复刚度通过(3)振动方程，并结合(6)，获得液阻悬置复刚度表达式，此为悬置参数化特性方程：

其中：ω_c是流道液柱固有圆频率；

ζ_c流道阻尼比；

k_hy是流道液柱刚度；

步骤8：推导流道阻尼比ζ_c表达式：

其中：

δ为流量系数；

l_c为流道长度；

步骤9：根据式(7)获得液阻悬置复刚度实部和虚部

k_s是液阻悬置液室橡胶刚度，计算时认为k_s是常值，后面记为k_s0

步骤10：得到液阻悬置动刚度

步骤11：得到液阻悬置损失角

步骤12：推导出橡胶主簧的损失角

其中：是橡胶悬置初始损失角，一般为3-8°。

步骤13：获得整个悬置损失角

步骤14：通过调节液阻悬置关键结构参数，液阻悬置关键结构参数包括液阻悬置惯性阻尼液柱质量m、液阻悬置流道截面积a、液阻悬置等效活塞面积A、液阻悬置液室橡胶刚度k_s、橡胶阻尼d、减振器阻尼D、液阻悬置复刚度k_dyn，流道长度l_c，使得的极大值满足下式

其中：ω_s＝2πf_s，式(15)即为整车平顺性优化目标方程。

4.根据权利要求1所述的一种利用液阻悬置的整车平顺性优化方法，其特征在于：

步骤三中所述通过仿真及实际样件验证本方法的可行性，调整液阻悬置的关键结构参数，实现满足目标方程的最优解：是指经过优化设计的液阻悬置有效降低了通过不平路面的车身垂向加速度，实现了整车平顺性的优化；

将悬置安装在实车上，或在整车动力学模型中修改悬置参数，试验时在车轮接地点使用垂直方向0.1-25Hz正弦等幅值位移扫频激励，同时考查在车身处的垂向车身加速度，垂向加速度频响曲线幅值减小，说明悬置对整车平顺性优化起作用。