汽车动力总成磁流变悬置结构分析与优化.docx
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汽车动力总成磁流变悬置结构分析与优化
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
汽车动力总成磁流变悬置结构分析与优化
学生：
叉叉
学号：
2010××××
指导教师：
×××教授
助理指导教师：
××××
专业：
机械设计制造及其自动化
重庆大学机械工程学院
二零一四年六月
GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity
Undergraduate:
Yangfei
Supervisor:
Prof.Lijun
AssistantSupervisor:
MasterWangzhe
Major:
Mechanicaldesignmanufacturingandautomation
SchoolofMechanicalEngineering
ChongqingUniversity
June2014
摘要
发动机悬置系统对车辆乘坐舒适性的影响近年来受到各界研究者的格外关注，悬置系统的性能直接影响用户对车辆舒适性的评价。
磁流变悬置是以磁流变液为载体构成的动力总成振动半主动性控制装置，在磁场的作用下液体流变特性发生变化，从而达到在交款范围内可以控制悬置阻尼力。
较传统的橡胶悬置和被动悬置系统，磁流变悬置系统的隔振效果更佳。
该论文中针对磁流变悬置主要进行了一下探讨分析：
1.首先阐述磁流变悬置系统的工作原理，以某国产汽车发动机为隔振研究对象，设计了一种磁流变悬置结构，并对整体结构进行了分析，考虑到悬置系统的隔振要求，对橡胶主簧进行了有限元分析。
2.为保证悬置系统的可靠性，以阻尼通道处的磁感应强度为优化目标建立了悬置系统的优化模型，采用ANSYSAPDL参数化分析，对磁流变悬置整体进行了优化，并与初始设计结构进行对比分析。
3.利用有限元分析手段，对悬置个别元件进行了受载分析，优化了结构参数，并对优化后的结构检验。
关键词：
磁流变悬置，有限元，优化设计，仿真
ABSTRACT
Enginemountinginfluenceonvehiclecomfort,theresearcherspayattentionsonitinrecentyears,thesuspensionvibrationisolationperformancewilldirectlyaffecttheuserevaluationofvehiclecomfort.MagnetorheologicalsuspensionusingMRFcharacteristicsforitscontinuous,rapidandeasilycontrol,thereforethesuspensionwillhaveadjustabledampingforce,andhasbettervibrationisolationeffect.
Thispapermainlyinviewofthemagnetorheologicalsuspensionresearchonthefollowingaspects:
1.Expoundsthefunctionofthesuspensionsystem,thedesignrequirementsandidealperformanceindex,accordingtothevibrationcharacteristicsofengine,analysestheworkingprincipleandworkingmodeofmagnetorheologicalsuspension,designsasqueezemodemagnetorheologicalsuspension.
2.Accordingtoelectromagneticfieldtheory,designmagnetorheologicalsuspensionmagneticcircuit,establishedthefiniteelementmodelofelectromagneticfieldofmagneticcircuit.Accordingtosqueezemodemagnetorheologicalsuspension,optimizationmodelisestablished.UsingANSYSAPDLparametricdesignlanguageandgeneticalgorithm,makeastructureoptimizationforthemount.
3.Usingbondgraphtheory,establishedabondgraphmodelofmagnetorheologicalsuspension,deduceitsmathematicalmodel.Thevariousmainparametersisdetermined.UsingANSYSsoftware,makeasimulationaboutthesuspensiondynamiccharacteristic.
Keywords：
Magnetorheologicalsuspension,Finiteelement,Optimizationdesign,simulation
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录III
1绪论1
1.1课题研究的意义及背景1
1.2国内、外悬置研究进展及状况2
1.2.1目前国外悬置研究成果2
1.2.2目前国内研究成果4
1.3本文研究内容和目的6
1.4本章小结6
2.悬置系统隔振降噪原理7
2.1复杂激励力挖掘分析7
2.1.1引起发动机振动的震源的逐个剖析7
2.1.2普通单缸发动机激励剖析[1][2]8
2.1.3直列四缸发动机激励力分析[9]10
2.2隔振理论11
2.2.1单自由度无阻尼系统的自由振动12
2.2.2单自由度的隔振12
2.2.3动力总成系统隔振频率范围的确定14
2.3本章小结15
3液压悬置的结构和工作原理16
3.1液压悬置的结构特点16
3.1.1液压悬置的结构分析17
3.2液压悬置的工作原理19
3.2.1静止状态19
3.2.2低频隔振19
3.2.3高频振动20
3.3液压悬置动特性的定义20
3.3.1原点动刚度[12]20
3.3.2跨点动刚度21
3.3.3力传递率21
3.4本章小结21
4磁流变悬置结构的初步设计22
4.1动力总成悬置系统的功能作用22
4.1.1悬置系统的功能[1]22
4.1.2动力总成悬置设计的小准则[7]23
4.2动力总成悬置系统的总体结构设计23
4.2.1磁流变液的工作模式23
4.2.2挤压模式输出力的计算24
4.2.3磁流变悬置结构的设计27
4.3橡胶主簧分析设计28
4.3.1材料的选定28
4.3.2橡胶主要参数28
4.3.3橡胶主簧有限元分析29
4.4本章小结31
5悬置结构的优化分析和设计32
5.1主簧参数确定及优化参数32
5.2优化结果36
5.3本章小结37
6总结和期望38
6.1总结38
6.2期望38
参考文献40
1绪论
1.1课题研究的意义及背景
汽车动力总成液压悬置系统已经成为汽车的重要组成部分，现代的汽车动力总成几乎采用新型悬置系统来安装在汽车设计的固定部位[23]。
汽车动力总成悬置主要就是人们用来支撑动力总成重量的关键元素，它的主要作用是通过悬置本身优良的特性来隔离车体和总成之间振动的双向传递，同时圈定总成，避免动力总成过度晃动而导致其他的零部件失灵。
一部完整的汽车，发动机是其动力核心，汽车发动机总成由悬置系统作为载体和车体或者车架相连。
通常，发动机由于档位多，导致其振动频带宽、振源多，这使得发动机的振动不仅使得车身晃荡不舒适，还可能对车内零部件造成损坏或者影响其正常运转。
因此，对悬置系统的本身特性要求苛刻，同时还要求其满足发动机的宽频隔振目的[5]。
目前，市面上的汽车悬置系统主要是有两种，一种传统悬置，一个新型悬置。
橡胶悬置有致命缺陷，即是阻尼特性不好，但是其便宜、简练故而得以存留。
而且橡胶在汽车频率高的时候发生驻波，造成系统过度的动刚度，隔振功能大打折扣，因而无法适应现代汽车宽频隔振的隔振要求。
然而新型系统却恰恰以其独到优势合理随动性能克服了这一问题，能够恰到好处的满足现代减震需求和现时代降噪需求。
故而，现代汽车几乎采用非传统现代气息的设计。
但是并不是普通的液压悬置就够的，因其在高频振动时，通常会引起动态硬化现象，继而出现力和位移的刚性传递。
为解决这一问题，学术和工程界的研究人员夜以继日研究卓越性能的新悬置液，该液体能满足一项要求：
能使得车子平稳，车内平静[7]。
汽车磁流变悬置系统以其超好变阻特性，实现了易于掌握节奏、听党指挥、不工作不消耗。
和传统被动悬置相比，它更加能够满足现代汽车发动机的隔振需求，故是现代汽车技术研究的热点。
它是一种新型的智能可控半主动悬置，通过改变外加磁场，以达到对整个系统的总体把握，实现智能控制。
它较传统液压悬置的优势在于：
克服了老悬置的几乎所有缺陷，近乎完美；与主动悬置相比：
能耗低、结构简单。
正是因为具备如此多的优点，故而已经成为专门的一个研究学科。
由于磁流变悬置具有这些优点，故而其能够在花费较低成本，却能够实现理想的有效宽频隔振[6]。
本文由本人在指导老师悉心指导下，沿用指导老师李俊多年研究成果，结合自身想法设计出一款磁流变悬置，在该悬置基础上进行ANSYS有限元分析，对元件进行优化，该课题研究具有一定的理论意义和工程实践意义。
1.2国内、外悬置研究进展及状况
随着汽车技术向着轻量化设计和大功率方向发展，发动机引起的振动在汽车震动中已经处于最主要地位。
发动机振动传进车体，严重影响了人们的驾驶体验。
因此，人们急切的要想办法改变这一窘境，重新体验舒适之旅，故而悬置研究显得重要。
汽车悬置主要是支撑总成和限制其位移，再者隔绝通过行驶从地面传来的振动。
自悬置系统诞生以来，人们便一直致力于该项工作，付出许多心血和汗水，总算换来今天的大好局面，悬置研究一片火热[6]。
1.2.1目前国外悬置研究成果
从汽车行驶于地面初期，人们便开始研发动力总成悬置，起初由于没有悬置的概念，动力总成刚性连接于车架，具有高破坏性的振动堂而皇之的传进车体，严重破坏车内环境，破坏驾驶体验。
人们不满足刚性件振动过激，转而开始采用很软的东西（皮革等）作为连接，但是依旧效果差，无功而返。
1920年橡胶悬置面世，橡胶悬置的出现意义非凡，这一新生代宠儿优越性明显，令人振奋，吸引无数学者工程人员开始投怀送抱研究起来。
1939年，通过十几年的研究积累学者提出一些设计原则，悬置设计开始慢慢规范。
至20世纪50年代，Horison和Horovitz通过一系列研究，领先完成了一些具有跨时代意义的研究计算，成为个中翘楚，这项成果成为早起算法基准，为后来的工作打下基础，立下标准，意义重大。
近20年来，计算机技术发展迅猛，制造行业计算机的应用为悬置研究提供了许多成熟的震动分析方法，悬置的研究和开发达到空前迅速，不断的有各种悬置理论成果出炉，有如下具有代表性的成果：
1979年，Johnson首次提出新生代新理论更好的设计，实现了悬置系统的的打打进步，在业界取得不错成果，名声大噪[7]。
1982年，R.Racca通过限制悬置一些基本条件，对传统悬置FR式悬置进行全面总结，实现悬置规范设计[7]。
1987年，H.Hata和H.Tanaka研究了奇怪的怠速工况下的悬置，得出重大理论，开创新一代研究[7][24][25]。
国外悬置系统的研究起源早，研究成果多，同时国外悬置生产商也不遗余力追求悬置系统的最优良特性，促使研究进展迅速。
通过多年的研究，学者们得出一个优良悬置应具备的特性：
能随环境变动而变动，很好的满足了人们期望水准。
下图图1-1.所示为这些年总结出的一些新旧系统性质曲线比对对比。
橡胶悬置赖以存活：
价格低廉、样式简陋；新的则性能比较好，耐用，实在[7]。
20世纪40年代，Harding和Stracbousky提出新旧悬置糅合创新思想，悬置系统得到大力发展[26]，1962年，通用公司的R.ERasmussan领先全球，率先拿下第一个悬置专利[27]。
1979年，有一个欧洲汽车公司，为快速占领高端汽车市场，率先在其旗下某款高档车型安装液阻悬置。
随之而来，日本汽车公司对悬置研究去的巨大进展，开发出许多优良悬置系统。
其后,欧美各国均对悬置系统做了大量研究，取得硕大成果。
液阻悬置是橡胶和液力阻尼的结合体悬置系统，，无论在汽车低速还是告诉行驶过程中，其均有很理想的隔振降噪功能，其优良的隔振降噪性能，为汽车的驾驶提供了稳定良好的环境，同时也提高了汽车乘坐的舒适性，整体提升了汽车性能，是汽车发展史上重要的一笔，为汽车普及作出了巨大贡献，推动了汽车市场的发展，为汽车开发迎来了新的机遇，由于新型磁流变液阻悬置的成功研发，中高端汽车新型液阻悬置应用的普及，带来的巨大利润，这反过来又带动了整个液阻研究的进程，使得液阻研究工作得到空前的发展，加速的液阻悬置的开发研究，不断有新型的液阻悬置被研发出来，并投产应用于新型汽车之上，提升了汽车品质，带来了前所未有的汽车体验。
在新时代，悬置的迅猛研究开发中，产生了许多性能优良的悬置系统。
譬如2009年，德尔福公司公布了德尔福公司成功研发一款突破性的应用于高端跑车的优质系统，据该公司产品负责人介绍：
“该悬置系统采用新型研制的特种液体，其具有悬置需求的各项优质性能，在整个相关频率范围内保持对悬置系统上的可靠控制，稳定性能，实时应变，灵活敏锐[28]，还能够提高车辆性能及克服道路突变问题引起的乘坐不舒适问题。
”由于其优异的性能，其率先被应用于该公司新款的高档轿车，成为高端市场的奢侈商品，与同行业高端车强势竞争，从这点可以看出，液压悬置的研究具有相当巨大的前景和市场。
德尔福磁流变悬置系统产品经理TimothySchlangen先生表示：
“该技术在业
内也是相当出类拔萃，处于科技前沿，它具有实在太多的优越性能，且这些性能正式人们锁期望的，这一点十分关键。
”该技术首次应用于全新保时捷2010款GT3，将帮助提高该车的整体优异性能，带来前所未有驾驶体验，提高市场竞争力。
悬置模型如下图1-2：
图1-2.德尔福公司09年新推磁流变悬置模型
蓝色（光与暗）——孔板总成；红色——隔板；紫色——安装支架；
灰色——橡胶模塑总成，内含支承板；黄色——悬置系统内插入件；
橙色——车辆连接螺栓；栗色——线圈
1.2.2目前国内研究成果
国内对悬置的研究起步比较晚，但是从开始研究以来，国内的研究一直非常活跃，也取得了许多具有代表性的研究成果。
从90年代初期，国内展开了汽车悬置的研究，由于有国外的许多成果的支撑，国内学者起初便是对新兴的悬置元件
的优化工作做起：
83年徐安石研究悬置动反力优化，取得良好成效；85年潘旭锋等人在国内对某中客车进行试验研究，改善了该车平稳性，提高了乘坐舒适体验，具有重大的意义；92年，上官文斌等人进行了悬置优化研究，他们的研究效果不错，成就颇多，对后世研究有意义；94年，王立公等人率先在国内开始分析国际形势，国外发展状况，通过对当前形式的把握，阐明了未来发展趋势；2001年，王利荣等人也很应景的对国外当前发展形式做了分析，提供国人研究参考；99年，裘新等人通过实验手段证实了液压悬置诸多的优势，强烈的体现出该项研究的重大意义；2002年，吕振华等人对国内一款汽车的隔振效果进行分析，采用软件模拟分析和实验结合对比，取得了很好的成效，他们的这种研究方式和切入角度时机把握到位，思想非常优秀，意义非凡[7]。
一些近代成功的液压悬置结构图展示于下图1-3.[29]。
因为具有解耦功能的液阻悬置具有非常多的优异性能，故而被人们广泛应用和不断开发研究，典型的该种系统具有如下这些特点[7]：
图1-3.悬置结构展示
带有解耦盘的液压悬置结构
简单液压悬置结构
1.3本文研究内容和目的
本文是在指导老师李俊老师对汽车磁流变悬置进行了大量的研究过后提出该课题供我们讨论研究，本人结合指导老师的研究成果，并结合自己思维，设计出了一款汽车磁流变悬置，并对其进行了大量分析计算，并充分运用ANSYS分析软件进行结合有限元分析方法进行优化，最终取得了不错的结构圆整效果。
本文采用solidworks建立三维实体模型，并结合ANSYS分析软件对其进行分析，并对其中起重要作用的元件-橡胶主簧进行了有限元分析，在对个别元件优化过后再次进行了受载形状变化测试，并对其系统整体结构进行分析，并对其进行系统优化，优化后的系统再做合理性检测，检查合理性[30]。
本文研究内容如下：
1.通过对悬置发展历程的理解，掌握了悬置的一些基本知识，并在指导老师帮助下对磁流变液阻悬置进行了深入了解，在对此有了一定的认识和理解之后，结合已有资源设计了一款磁流变悬置，并利用计算机仿真技术，有限元分析技术对悬置零部件受载形变等进行了测试，并对形状优化；
2.分析动力总成产生激振的原因，分析激振来源，结合文献分析了磁流变液压悬置的隔振机理，并进行了必要计算；
3.由1和2中进行的工作，搭建好模型，并通过对分析软件的学习，逐步搭建磁流变抽样推导出个中参数关系，并解方程，确定各个主要参数，分析出悬置动特性；
4.通过了一系列的优化操作过后，完成了悬置部分优化设计，为将来进行的下一阶段工作奠定了基础，具有一定的研究意义。
1.4本章小结
本章中阐述了该课题的研究背景及研究意义，分析呈现了国内、外悬置研究进程，并结合最新磁流变成果分析了磁流变研制的巨大市场，展示了磁流变悬置研究的巨大前景，并陈列了一些磁流变悬置结构，为本文的后续继续的分析、建立模型等后续操作的工作奠定了基础。
2.悬置系统隔振降噪原理
由于动力总成所受的激振力情况复杂，本章节需要展开对其激振力的详细分析叙述；然而本文研究的系统由于具有多方向位移的可能，为简单明了说明该系统的工作原理，本章优先分析只能朝一个方向位移的隔振机理，再以点带面分析多自由度由此充分展现出悬置系统的隔振原理，为后文展开做好铺垫。
2.1复杂激励力挖掘分析
2.1.1引起发动机振动的震源的逐个剖析
最近几年以来，汽车技术发展迅猛，发动机要求不断提高，新型发动机普遍效率高油耗低，汽车设计技术已经达到相当的高度，汽车车体质量逐步降低，这样一步一步发展至今，发动机质量在整车比重越来越大，其对汽车的影响也就越来越明显。
虽然引起汽车振动因素很多，振动起来形式也多样，但是其中最主要的振动形式还是来自发动机工作产生的冲击，外加车运动中车内很多存在相对自由度的零件也会跳动引发一些振动。
正是由于以上这些因素，造成了发动机的不稳定，不安分，不守纪。
发动机的振动来源[8]：
由上面陈列的各种来源可以看出，汽车振动不论从哪个角度来看都是很复杂多样的，故在分析汽车的振动的时候我们需要抓住关键，把握重点，简化模型，使得其简明易懂，这样一来分析就会轻快明了。
汽车的振动虽复杂，但是主要取决于以上陈列这些激振源中前三项的强度，故而只要把我好以上振动前三个强度，汽车震动不难分析，发动机转速较低的时候不平衡简谐扭矩所占比例较大，而高速时不平衡惯性力和力矩为主要成分。
2.1.2普通单缸发动机激励剖析[1][2]
单缸发动机振动，主要就是前一节中的前面三个因素带来的，本节主要任务即是把握关键，抓住重点，很多问题便是迎刃而解。
r
m2
β
0
l
Y
T
m1
S
Fx
α
Fn
Z
m1
m2
l
1离心惯性力
质量为m1的做匀速绕行，由高中知识知道受力计算公式：
Fr=-m1rω2（2-1）
式（2-1）中，r为曲柄半径、ω为曲柄转速。
由于r和ω固定，由式（2-1）可以看出m1的受力情况是不会发生改变的。
该力不会影响总成部位，但是可能导致某轴跳动。
②往复的运动影响（矩）
质量m2的部分，由于其会有一个上下的来回运动，该渠道是：
z=OC+CA=r（cosα+）cos（2-2）
式中，=为曲柄旋转角度；为曲柄与连杆长度的比值。
将式（2-2）2次求导之后，可以求得需要的一个量a，再和质量m2的乘积就能得到一个由于惯性而生出的力。
m2的这个力的计算方式如下，其公式为：
=-m2=+++……（2-3）
式中，为一阶往复惯性力，为二阶往复惯性力，为三阶往复惯性力……，由高数知识我们是知道一个道理的，那就是阶次高了，其值便小了，几乎可以无视的程度，故而在该算式中，我们舍去3阶及以上的部分。
于是得到：
=+=m2rω2+rω2λ（2-4）
式（2-4）中，该部分也同样有大小之分，前面远大于后面。
以上计算了惯性产生的力，接下来呢，我们要计算它能产生的力矩Mxm，该计算过程中会有其他的量，计算如下，有公式：
S=Fz/cosβ=Fz/
（2-5）
Fn=Fztanβ=Fzλsinα/
把其中的前一个再次分解成两个方向的量，再由以往累计知识查得公式计算如下，力矩计算得到式（2-6）：
Mxm=Tr=Ssin（α+β）=Fzsin（α+β）/cosβ（2-6）
由tanβ≈sinβ=λsinα，式（2-6）变换为：
Mxm=Fzr（sinα+sin2α）（2-7）
代入Fz得：
Mxm=Fzr（sinα+sin2α）=-m2r2ω2（sinωt+sin2ωt）（cosωt+λcos2ωt（2-8）
3）气体压力产生激励力
汽缸工作时，缸内燃气燃烧引起很多冲击和能量波动，该波动作用在活塞面积A的上做功，该功为压强和面积的乘积。
该力还会产生燃烧扭矩，该扭矩不难得到，其值是有公式可以计算的，由以往积累知识知道扭矩的计算公式：
Mxg=PzAr（sinα+sin2α）（2-9）
经历了很多数学算法的复杂转换，最后我们可以得到一个适合本文需要的计算公式，该公式符合发动机做功来回不断重复的原理，其整理后得到的完整公式如下所示：
Mxg=xg+（2-10）
式中，xg为有效力矩；，发动机为二冲程时v=1，2，3，…，而发动机为四冲程时v=0.5，1，1.5，…，。
本节中，对发动机运转中产生的各种运动和产生的冲击方面做了详尽分析，并适当取舍，最终得到了本文希望得到的计算公式，对本文的后续推到具有重要意义，是本文比较关键性的一个章节。
该节中生成的公式对后续章节公式的产生具有指导意义，奠定了本文计算基础。
2.1.3直列四缸发动机激励力分析[9]
前面已经分析了单缸发动机运转过程中产生的简单运动和冲击，然而现代汽车动力强劲，都是多缸，其运动和冲击的情况比起单缸要圆圆复杂很多，而本文主要研究的是四缸四冲程发动机，该发
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