發動機半主動液壓懸置的動態特性及參數影響分析

史文庫，毛陽，姜雪，陳志勇，馬利紅，潘斌

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，130022，長春；2.建新趙氏集團，315609，浙江寧波）

發動機是車輛的主要振動、噪聲源之一，對其進行有效的振動隔離是提高車輛乘坐舒適性的一個重要手段［1-2］。發動機懸置作為發動機的隔振元件，已經經歷了橡膠懸置、被動式液壓懸置和半主動／主動液壓懸置的發展歷程［3］。半主動液壓懸置不僅需要有效的控制策略，而且要求良好的動態特性［4-6］。現有的液壓懸置動態特性的理論研究方法包括數學模型、集總參數模型、鍵合圖和有限元等［7-12］，各種方法都有各自的優缺點。

本文采用一種新的理論研究方法，即基于AMESim多領域仿真平臺對半主動液壓懸置進行動態特性研究，通過建立半主動液壓懸置模型來模擬上下液室、解耦膜、慣性通道、空氣通道等結構的工作情況，模型考慮了發動機預載對液壓懸置腔體內液體初始壓力和解耦膜位置的影響。對半主動液壓懸置進行了動態特性試驗并與試驗結果進行了對比，驗證了模型的正確性。此外，利用所建立的模型分析了半主動液壓懸置的一些重要參數對懸置特性的影響，以期為半主動液壓懸置的優化設計奠定基礎。

1 半主動液壓懸置的結構及工作原理

圖1所示為某款發動機的半主動液壓懸置。懸置的A、B孔通過螺栓分別與發動機和車架相連；橡膠主簧2和慣性通道體5、6圍成上液室V1，慣性通道體和橡膠底膜7圍成下液室V2，液體可通過慣性通道在上、下液室之間相互流通；解耦膜3與慣性通道下體6形成空氣腔V3，其下端有一圓孔狀空氣通道4，空氣通道的開閉由電磁閥8控制。

圖1 半主動液壓懸置

半主動液壓懸置的工作原理如圖2所示。根據傳感器采集到的車輛行駛工況，由控制單元向半主動液壓懸置電磁閥發出ON或OFF的指令。收到指令后的電磁閥控制其頂桿運動，使空氣通道處于打開或關閉的狀態，從而控制空氣腔是否與大氣相通。當空氣腔與大氣隔絕時，空氣腔體積剛度增大導致上液室體積剛度增大，使懸置表現出大剛度、大阻尼特性；當空氣腔與大氣相通時，空氣腔體積剛度減小導致上液室體積剛度減小，使懸置表現出小剛度、小阻尼特性。

圖2 半主動液壓懸置的工作原理

2 半主動液壓懸置模型

2.1 仿真模型的建立

根據半主動液壓懸置的基本結構和工作原理，建立基于AMESim多領域仿真平臺的半主動液壓懸置模型，如圖3所示。

圖3 半主動液壓懸置模型

模型中各個元件的名稱、模擬的對象及具體參數如表1所示。從表中可以看出，該模型充分利用了AMESim多領域仿真平臺的優勢，集合了機械庫、液壓庫、液阻庫、氣動庫及信號控制庫中的多個元件，是一個融合了機械、流體和控制等多學科領域的高精度仿真模型。模型較好地模擬了半主動液壓懸置上下液室、解耦膜、慣性通道及空氣通道等結構的工作情況，并實現了懸置在ON和OFF兩種狀態之間的切換，體現了懸置半主動控制的特性。

表1 模型中的元件及其模擬對象和具體參數

2.2 發動機預載的施加

發動機懸置在實際裝車時需要承載發動機的重量，即懸置在初始狀態時要承受一定預載的作用，這會使液壓懸置腔體內的液體壓強及解耦膜的位移發生改變，最終對動剛度和阻尼角特性產生一定的影響。在AMESim模擬時，通過元件17來模擬發動機靜止時作用在懸置上的預載力，如圖4所示。

對半主動液壓懸置模型進行施加預載仿真時，需將CONS0元件設置成OFF狀態，即打開空氣通道使空氣腔與大氣相通，保持與實車狀態一致。仿真獲得的腔體內液體壓強和解耦膜位置隨時間的變化曲線如圖5、圖6所示。由圖中可以看出，對半主動液壓懸置模型施加預載后，腔體內的液體壓強和解耦膜位置經歷一段時間的波動后趨于一定值，且該值大于原始值。實際仿真時先按圖4的模型對懸置施加預載，并通過軟件中的設定終值（set final values）功能來記錄施加預載后懸置內的液體壓強和解耦膜位置，再將模型改成圖3形式，即可實現對施加預載后的半主動液壓懸置進行動態特性仿真分析。

2.3 仿真分析及試驗驗證

圖4 施加發動機預載

圖5 腔體內液體壓強的變化

圖6 解耦膜位置的變化

進行模型仿真時，首先對懸置施加1kN的預載，進而通過信號輸入端Ⅰ加載諧波位移激勵，激勵頻率范圍為1～40Hz，頻率間隔為1Hz，幅值為0.5mm；通過信號控制端Ⅲ來控制懸置的ON和OFF狀態；通過力響應端Ⅱ提取力信號。由此，可獲得半主動液壓懸置在ON和OFF狀態時的動剛度和阻尼角曲線。

為驗證模型的準確性，對半主動液壓懸置進行動態特性試驗，試驗中懸置的ON和OFF狀態由直流穩壓電源手動進行控制。

將仿真獲得的動剛度和阻尼角曲線與試驗結果進行對比，如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，仿真與試驗曲線在峰值頻率處和30Hz以后有稍許差異。峰值頻率處的差異主要是由于對慣性通道內流體紊流狀態模擬不夠精確造成的，而30Hz以后的差異則是由解耦膜的非線性引起的。從整體上看，仿真與試驗結果吻合得較好，誤差在可接受的范圍內，因此可以驗證本文所建立的半主動液壓模型的準確性。基于該模型，可對半主動液壓懸置的一些重要參數進行參數影響分析，探索其對動剛度和阻尼角的影響。

圖7 動剛度的仿真與試驗結果

圖8 阻尼角的仿真與試驗結果

3 液壓懸置參數影響分析

3.1 等效泵壓面積

橡膠主簧的等效泵壓面積是指橡膠主簧向下運動單位位移所排擠出的液體的體積，是衡量橡膠主簧特性的一個重要參數，其值可以通過試驗或有限元方法獲得。分別對等效泵壓面積所對應的主簧直徑為65、70和75mm的半主動液壓懸置進行仿真，獲得在ON和OFF狀態時的動剛度和阻尼角曲線，見圖9、圖10。

從仿真曲線可以看出：半主動液壓懸置在OFF狀態時，隨著等效泵壓面積增大，動剛度曲線整體向上平移，阻尼角在峰值頻率和大于10Hz處有增大趨勢；在ON狀態時，隨著等效泵壓面積增大，動剛度曲線整體向上平移，阻尼角只在峰值頻率處有所增大，這有利于懸置對低頻激勵進行隔振。

圖9 不同主簧直徑時的動剛度仿真曲線

圖10 不同主簧直徑時的阻尼角仿真曲線

3.2 橡膠主簧體積剛度

橡膠主簧體積剛度是指懸置工作腔內單位體積變化所引起的壓力變化量。橡膠主簧體積剛度與解耦膜剛度共同決定上液室的體積剛度，其大小對液壓懸置慣性通道內液柱的共振頻率和液路阻尼都有一定的影響。分別取橡膠主簧體積剛度為15、18和21GPa／m3進行仿真，獲得的半主動液壓懸置在ON和OFF狀態時的動剛度和阻尼角曲線如圖11、圖12所示。

從仿真曲線可以看出：半主動液壓懸置在OFF狀態時，隨著橡膠主簧體積剛度增大，動剛度和阻尼角曲線都變化不大；在ON狀態時，隨著橡膠主簧體積剛度增大，動剛度和阻尼角的峰值和峰值頻率都有所增大，不利于低頻隔振，因此橡膠主簧體積剛度不宜太大。

圖11 不同主簧體積剛度時的動剛度仿真曲線

圖12 不同主簧體積剛度時的阻尼角仿真曲線

3.3 解耦膜直徑

解耦膜是液壓懸置中隔離高頻振動的關鍵部件，其剛度的大小直接關系到液壓懸置能否較好地避免高頻動態硬化問題。分別對解耦膜直徑為40、50和60mm的半主動液壓懸置進行仿真，獲得在ON和OFF狀態時的動剛度和阻尼角曲線，如圖13、圖14所示。

圖13 不同解耦膜直徑時的動剛度仿真曲線

圖14 不同解耦膜直徑時的阻尼角仿真曲線

從仿真曲線可以看出，半主動液壓懸置在OFF和ON狀態時，隨著解耦膜直徑增大，動剛度和阻尼角曲線的峰值和峰值頻率都有所減小，動剛度在高頻處也有減小的趨勢，這將有利于高頻振動的隔離。

3.4 慣性通道長度

慣性通道長度是指慣性通道從入口到出口的距離，它直接影響慣性通道的沿程能量損失和液柱的共振頻率。分別對慣性通道長度為0.11、0.21和0.31m的半主動液壓懸置進行仿真，獲得在ON和OFF狀態時的動剛度和阻尼角曲線，如圖15、圖16所示。

圖15 不同慣性通道長度時的動剛度仿真曲線

圖16 不同慣性通道長度時的阻尼角仿真曲線

從仿真曲線可以看出，半主動液壓懸置在OFF和ON狀態時，隨著慣性通道長度增加，動剛度和阻尼角曲線的峰值增大、峰值頻率減小，遠離峰值頻率處幾乎無變化，這將有利于對低頻振動的隔離。

4 結 論

（1）基于AMESim建立了集機械組件、流體和控制為一體的半主動液壓懸置模型，該模型能較好地模擬懸置內部各結構的運動情況，并且考慮了發動機預載對懸置內部產生的影響。

（2）對半主動液壓懸置進行了動態特性試驗，通過將模擬獲得的動剛度和阻尼角曲線與試驗結果進行對比，驗證了仿真模型的準確性。

（3）基于所建立的模型，分析了半主動液壓懸置的一些重要參數對其動態特性的影響，結果表明：適當增大等效泵壓面積、減小橡膠主簧體積剛度和增大慣性通道長度皆有利于懸置的低頻隔振；適當增大解耦膜直徑有利于對懸置的高頻隔振。

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