一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法

1.本发明涉及动力总成悬置元件技术领域，尤其涉及一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法。


背景技术：

2.随着生活水平的提高，人们越来越关注汽车的乘坐舒适性。nvh(noise、vibration、harshness，噪声、振动与声振粗糙度)是衡量汽车乘坐舒适性的一个重要指标。汽车行驶过程中，振动的主要来源为动力总成工作时产生的振动和路面激励引起的振动。动力总成悬置元件是动力总成减振系统的重要部件。性能良好的动力总成悬置元件不仅可以减小动力总成向车架传递的振动，提高乘坐舒适性，还可以更好地保护动力总成。
3.动力总成悬置元件主要有橡胶悬置、液压悬置、半主动悬置和主动悬置。橡胶悬置和液压悬置结构简单，成本较低，但是无法满足多工况下的隔振需求。电磁式半主动悬置和主动悬置可以通过电磁执行机构调节其性能，从而满足多工况下的隔振需求，但是结构复杂，装配精度要求高，成本较高。机械式双惯性通道半主动悬置结构简单，成本较低，且可以满足多工况下的隔振需求。机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性包括动刚度和滞后角，是评价其隔振性能的重要参数。合理的设计不同频段下悬置的动刚度和滞后角，可以有效改善悬置的隔振性能。但是，现有的技术主要是对常规的单惯性通道-解耦膜式液压悬置进行研究，如中国公开专利申请“一种液压悬置的建模方法”。目前，还没有一种方法可用于分析机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，可以预测机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度和滞后角，有助于对悬置的结构参数进行设计。
5.为了实现前述发明目的，本发明提供的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，包括以下步骤：
6.步骤1：建立机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型；
7.步骤2：根据所述机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型，建立状态方程组；
8.步骤3：利用有限元分析方法或试验法对所述机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型中的主要集总参数进行参数识别，分别获得参数值；
9.步骤4：将识别得到的集总参数代入所述状态方程组，输入正弦位移激励，通过微分方程数值解法得到相应状态变量的时域变化结果；
10.步骤5：根据公式计算得到支反力的时域响应结果f(t)，其中kr为橡胶主簧的动刚度，br为橡胶主簧的阻尼系数，a
p
为橡胶主簧的等效活塞面积；
11.步骤6：根据公式得到机械式双惯性通道半主动悬置的复刚度k(ω0)，其中表示傅里叶变换，ω0为正弦位移激励的角频率，ω表示角频率；
12.步骤7：根据公式得到机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度kd(ω0)，根据公式计算得到机械式双惯性通道半主动悬置的滞后角其中k'(ω0)为所述复刚度k(ω0)的实部，k”(ω0)为所述复刚度k(ω0)的虚部；
13.步骤8：输入不同振幅和频率的正弦位移激励，重复步骤4～步骤7，得到不同振幅和频率的正弦位移激励下机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度和滞后角。
14.进一步地，所述步骤1中的非线性集总参数模型包括的集总参数如下：
[0015][0016]
[0017]
进一步地，所述限流柱与隔板接触时的液阻系数是一个描述机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱与隔板接触时产生的附加液阻系数，其大小与限流柱的长度和隔板的间距有关，其描述公式如下：
[0018][0019]
式中，yc是机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱的位移。y0是机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱可自由移动的范围。r0是一个常数，用于将r
2add
的大小控制在一个合适的范围内。q0是一个常数，用于产生一个清晰的开关响应。
[0020]
进一步地，所述y0的大小与限流柱的长度和隔板的间距有关，其描述公式如下：
[0021]
y0＝l-l
[0022]
式中，l是限流柱的长度，l是隔板的间距。
[0023]
进一步地，所述步骤2中的状态方程组如下：
[0024][0025]
式中，表示上液室压强p1(t)对时间的一阶导数，表示下液室压强p2(t)对时间的一阶导数，表示惯性通道ⅰ的液体体积流量q1(t)对时间的一阶导数，表示惯性通道ⅱ的液体体积流量q2(t)对时间的一阶导数，表示限流柱的位移yc(t)对时间的一阶导数，表示位移激励x(t)对时间的一阶导数，c1为上液室体积柔度，c2为下液室体积柔度，r
11
为惯性通道ⅰ线性液阻系数，r
12
为惯性通道ⅰ非线性液阻系数，i1为惯性通道ⅰ液体惯性系数，r
21
为惯性通道ⅱ线性液阻系数，r
22
为惯性通道ⅱ非线性液阻系数，r
2add
为限流柱与隔板接触时的液阻系数，i2为惯性通道ⅱ液体惯性系数，ai表示惯性通道ⅱ的横截面积。
[0026]
进一步地，所述步骤3中需要进行参数识别的参数包括：橡胶主簧的动刚度、橡胶主簧的阻尼系数、橡胶主簧的等效活塞面积、上液室体积柔度、下液室体积柔度、惯性通道ⅰ液体惯性系数、惯性通道ⅰ线性液阻系数、惯性通道ⅰ非线性液阻系数、惯性通道ⅱ液体惯性系数、惯性通道ⅱ线性液阻系数以及惯性通道ⅱ非线性液阻系数。
[0027]
进一步地，对于所述橡胶主簧的动刚度和所述橡胶主簧的阻尼系数，参数识别时识别得到橡胶主簧静刚度和橡胶主簧阻尼角的参数值，然后根据以下公式即可得到所述橡胶主簧的动刚度和所述橡胶主簧的阻尼系数：
[0028]
kr＝λks[0029][0030]
式中，kr为橡胶主簧动刚度，λ表示不同激励工况下动刚度与静刚度的比值，ks为橡胶主簧静刚度，br为橡胶主簧阻尼系数，为橡胶主簧阻尼角。
[0031]
进一步地，λ的取值范围为1.2～1.8。
[0032]
进一步地，步骤4中所述正弦位移激励的描述公式如下：
[0033]
x(t)＝asinω0t
[0034]
式中，a为正弦位移激励的振幅，ω0为正弦位移激励的角频率。
[0035]
进一步地，所述步骤4中得到的状态变量时域变化结果包括上液室压强p1(t)、下液室压强p2(t)、惯性通道ⅰ液体体积流量q1(t)、惯性通道ⅱ液体体积流量q2(t)、限流柱的位移yc(t)。
[0036]
进一步地，所述步骤4中需要考虑上液室的真空效应。
[0037]
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
[0038]
通过本发明提供的方法可预测机械式双惯性通道半主动悬置中相关状态变量的时域变化结果，可以预测不同激励幅值和激励频率下，机械式双惯性通道半主动悬置动刚度和滞后角。
附图说明
[0039]
图1为本发明一种机械式双惯性通道半主动悬置动态特性分析方法的流程图。
[0040]
图2为本发明实施例提供的非线性集总参数模型示意图。
[0041]
图3为本发明实施例在频率f＝20hz，幅值a＝0.2mm的位移激励下，上液室压强和下液室压强的时域变化计算结果示意图。
[0042]
图4为本发明实施例在频率f＝20hz，幅值a＝0.2mm的位移激励下，惯性通道ⅰ的液体体积流量的时域变化计算结果示意图。
[0043]
图5为本发明实施例在频率f＝20hz，幅值a＝0.2mm的位移激励下，惯性通道ⅱ的液体体积流量与限流柱位移的时域变化计算结果示意图。
[0044]
图6为本发明实施例在幅值a＝0.05mm的位移激励下，机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度计算结果示意图。
[0045]
图7为本发明实施例在幅值a＝0.05mm的位移激励下，机械式双惯性通道半主动悬置的滞后角计算结果示意图。
[0046]
图8为本发明实施例在幅值a＝1mm的位移激励下，机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度计算结果示意图。
[0047]
图9为本发明实施例在幅值a＝1mm的位移激励下，机械式双惯性通道半主动悬置的滞后角计算结果示意图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
[0049]
本发明提供的一种机械式双惯性通道半主动悬置动态特性分析方法，包括以下步骤：
[0050]
(1)建立机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型。
[0051]
在本发明的其中一些实施例中，建立的机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型如图2所示。该模型中包括的集总参数如表1所示。
[0052]
表1集总参数的含义及单位
[0053][0054][0055]
所述r
2add
是一个描述机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱与隔板接触时产生的附加液阻系数，其大小与限流柱的长度和隔板的间距有关，其描述公式如下：
[0056][0057]
式中，yc是机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱的位移。y0是机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱可自由移动的范围，q0是一个常数，用于产生一个清晰的开关响应，r0、q0的大小与隔板-限流柱的材料和表面粗糙度有关。q2表示惯性通道ⅱ的液体体积流量；r0是一个常数，用于将r
2add
的大小控制在一个合适的范围内，保证r
2add
的大小与实际的液阻大小接近。在机械式半主动悬置工作过程中，内部的限流柱与隔板接触时，会产生一个很大的液体阻力，阻碍液体的流动。r
2add
是描述这种阻碍液体流动的能力的一个参数，但是难以从物理意义上去直接进行定量参数识别，只能从阻碍液体流动的效果(即惯性通道流量的大
小)上去定性评测，r0的大小能控制r
2add
实现接近实际的控制液体流量的效果则是“合适的范围”，这样才能反映实际的工作效果。
[0058]
本实施例中，取r0＝1
×
10-9
kg/(s
·
m4)，q0＝1
×
10-9
m3/s。在其他实施例中，可以视情况取其他的数值。
[0059]
所述y0的大小与限流柱的长度和隔板的间距有关，其描述公式如下：
[0060]
y0＝l-l
[0061]
式中，l是限流柱的长度，l是隔板的间距。本实施例中，y0＝8mm。
[0062]
(2)根据所述机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型，建立其状态方程组。
[0063]
在本发明的其中一些实施例中，所述状态方程组如下：
[0064][0065]
式中表示上液室压强p1(t)对时间的一阶导数，表示下液室压强p2(t)对时间的一阶导数，表示惯性通道ⅰ的液体体积流量q1(t)对时间的一阶导数，表示惯性通道ⅱ的液体体积流量q2(t)对时间的一阶导数，表示限流柱的位移yc(t)对时间的一阶导数，表示位移激励x(t)对时间的一阶导数，ai表示惯性通道ⅱ的横截面积。
[0066]
(3)利用有限元分析方法或试验法(如采用a.g eisberger等在《non-linear modelling of hydraulic mounts theory and experiment.journal of sound and vibration(2002)249(2),371}397》的第6～9小节中的试验法)对所述机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型中的主要集总参数进行参数识别。
[0067]
在本发明的其中一些实施例中，所述主要集总参数以及相应参数识别的结果如表2所示。其他的参数，如p1(t)、p2(t)、q1(t)、q2(t)、yc(t)、x(t)可以通过状态方程求解，ai可以直接在三维模型或实物上测量。
[0068]
表2主要集总参数以及相应参数识别的结果
[0069]
[0070][0071]
根据公式kr＝λks，计算橡胶主簧动刚度和橡胶主簧阻尼系数，其中，λ表示不同激励工况下动刚度与静刚度的比值，一般在1.2～1.8之间，可根据试验获得，ω表示角频率。
[0072]
(4)将识别得到的集总参数代入所述状态方程组，输入正弦位移激励，通过微分方程数值解法得到相应状态变量的时域变化结果。
[0073]
在本发明的其中一些实施例中，所述正弦位移激励的描述公式如下：
[0074]
x(t)＝a sinω0t
[0075]
式中，a为正弦位移激励的振幅，ω0为正弦位移激励的角频率。
[0076]
在本发明的其中一些实施例中，将参数识别结果代入状态方程组中，进行正弦位移激励，然后应用微分方程的数值解法，可求解在某一频率和振幅的位移激励下，状态变量的时域变化结果。如图3～图5所示为本实施例在频率f＝20hz，幅值a＝0.2mm的位移激励下，状态变量的时域变化计算结果。状态变量包括上液室压强p1(t)、下液室压强p2(t)、惯性通道ⅰ液体体积流量q1(t)、惯性通道ⅱ液体体积流量q2(t)、限流柱的位移yc(t)。
[0077]
在本发明的其中一些实施例中，步骤4中需要考虑上液室真空效应。在机械式双惯性通道半主动悬置的实际工作过程中，当上液室压强越接近真空时，上液室体积柔度就越大，这称为上液室真空效应。故在求解状态方程的过程中，上液室体积柔度c1会随上液室压强p1(t)的变化而变化，相应的计算公式如下：
[0078][0079]
式中c1'为不考虑上液室真空效应时通过参数识别方法得到的上液室体积柔度，p1(t)是指上液室压强，a和n为两个控制参数，在本实施例中，取a＝7
×
10-45
，n＝7，在其他实施例中，可以视情况取其他的数值。(关于上液室真空效应和计算公式的介绍，可参考h adiguna等在《transient response of a hydraulic engine mount[j].journal of sound&vibration,2003,268(2):217-248.》的第2.6小节和h song等在《discontinuous compliance nonlinearities in the hydraulic engine mount[j].journal of sound&vibration,2007,307(3-5):545-563.》的第3.3小节)。
[0080]
(5)根据公式计算得到支反力的时域响应结果f(t)，其中kr为橡胶主簧的动刚度，br为橡胶主簧的阻尼系数，a
p
为橡胶主簧的等效活塞面积。
[0081]
(6)根据公式计算得到机械式双惯性通道半主动悬置的复刚度k(ω0)，其中表示傅里叶变换，ω0为正弦位移激励的角频率，ω表示角频率。
[0082]
(7)根据公式计算得到机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度kd(ω0)，根据公式计算得到机械式双惯性通道半主动悬置的滞后角其中k'(ω0)为所述复刚度k(ω0)的实部，k”(ω0)为所述复刚度k(ω0)的虚部。
[0083]
(8)输入不同振幅和频率的正弦位移激励，重复步骤(4)～步骤(7)，计算不同振幅和频率的正弦位移激励下机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度和滞后角。
[0084]
通过以上步骤和机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性试验，可以得到如图6-图9的机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性计算结果和测试结果。从对比结果可以发现，计算结果与实测结果之间仍然存在差异，这是由于在建立机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型的过程中，对其结构进行了简化，以及参数识别的误差导致。但是本方法计算结果与实测结果之间的差异很小，可以较为准确的预测出机械式双惯性通道半主动悬置动态特性的幅变和频变趋势，以及状态变量的变化情况，有助于对悬置的结构参数进行设计。
[0085]
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同系数的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型；步骤2：根据所述机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型，建立状态方程组；步骤3：利用有限元分析方法或试验法对所述机械式双惯性通道半主动悬置的非线性集总参数模型中的主要集总参数进行参数识别，分别获得参数值；步骤4：将识别得到的集总参数代入所述状态方程组，输入正弦位移激励，通过微分方程数值解法得到相应状态变量的时域变化结果；步骤5：根据公式计算得到支反力的时域响应结果f(t)，其中k
r
为橡胶主簧的动刚度，b
r
为橡胶主簧的阻尼系数，a
p
为橡胶主簧的等效活塞面积；步骤6：根据公式得到机械式双惯性通道半主动悬置的复刚度k(ω0)，其中表示傅里叶变换，ω0为正弦位移激励的角频率，ω表示角频率；步骤7：根据公式得到机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度k
d
(ω0)，根据公式得到机械式双惯性通道半主动悬置的滞后角其中k'(ω0)为所述复刚度k(ω0)的实部，k”(ω0)为所述复刚度k(ω0)的虚部；步骤8：输入不同振幅和频率的正弦位移激励，重复步骤4～步骤7，得到不同振幅和频率的正弦位移激励下机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度和滞后角。2.根据权利要求1所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，步骤1中所述非线性集总参数模型的集总参数包括橡胶主簧动刚度、橡胶主簧阻尼系数、橡胶主簧等效活塞面积、液室体积柔度、惯性通道液体惯性系数、惯性通道线性液阻系数、惯性通道非线性液阻系数、惯性通道液体体积流量、位移激励、被动端支反力、液室压强以及限流柱与隔板接触时的液阻系数。3.根据权利要求2所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，所述限流柱与隔板接触时的液阻系数是一个描述机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱与隔板接触时产生的附加液阻系数，其大小与限流柱的长度和隔板的间距有关，其描述公式如下：式中，y
c
是机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱的位移，y0是机械式双惯性通道半主动悬置内限流柱可自由移动的范围，r0是一个常数，q2是惯性通道ⅱ液体体积流量，q0是一个常数，用于产生一个开关响应。4.根据权利要求3所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，所述y0的大小与限流柱的长度和隔板的间距有关，其描述公式如下：y0＝l-l式中，l是限流柱的长度，l是隔板的间距。
5.根据权利要求1所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，所述步骤2中的状态方程组如下：式中，表示上液室压强p1(t)对时间的一阶导数，表示下液室压强p2(t)对时间的一阶导数，表示惯性通道ⅰ的液体体积流量q1(t)对时间的一阶导数，表示惯性通道ⅱ的液体体积流量q2(t)对时间的一阶导数，表示限流柱的位移y
c
(t)对时间的一阶导数，表示位移激励x(t)对时间的一阶导数，c1为上液室体积柔度，c2为下液室体积柔度，r
11
为惯性通道ⅰ线性液阻系数，r
12
为惯性通道ⅰ非线性液阻系数，i1为惯性通道ⅰ液体惯性系数，r
21
为惯性通道ⅱ线性液阻系数，r
22
为惯性通道ⅱ非线性液阻系数，r
2add
为限流柱与隔板接触时的液阻系数，i2为惯性通道ⅱ液体惯性系数，a
i
表示惯性通道ⅱ的横截面积。6.根据权利要求1所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，所述步骤3中需要进行参数识别的参数包括：橡胶主簧的动刚度、橡胶主簧的阻尼系数、橡胶主簧的等效活塞面积、上液室体积柔度、下液室体积柔度、惯性通道ⅰ液体惯性系数、惯性通道ⅰ线性液阻系数、惯性通道ⅰ非线性液阻系数、惯性通道ⅱ液体惯性系数、惯性通道ⅱ线性液阻系数以及惯性通道ⅱ非线性液阻系数。7.根据权利要求6所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，对于所述橡胶主簧的动刚度和所述橡胶主簧的阻尼系数，参数识别时识别得到橡胶主簧静刚度和橡胶主簧阻尼角的参数值，然后根据以下公式即可得到所述橡胶主簧的动刚度和所述橡胶主簧的阻尼系数：k
r
＝λk
s
式中，k
r
为橡胶主簧动刚度，λ表示不同激励工况下动刚度与静刚度的比值，k
s
为橡胶主簧静刚度，b
r
为橡胶主簧阻尼系数，为橡胶主簧阻尼角。8.根据权利要求1所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，所述步骤4中需要考虑上液室真空效应。9.根据权利要求1所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，步骤4中所述正弦位移激励的描述公式如下：x(t)＝a sinω0t式中，a为正弦位移激励的振幅，ω0为正弦位移激励的角频率。10.根据权利要求1-9任一所述的一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，其特征在于，所述步骤4中得到的状态变量时域变化结果包括上液室压强p1(t)、下液室压强p2(t)、惯性通道ⅰ液体体积流量q1(t)、惯性通道ⅱ液体体积流量q2(t)、限流柱的位
移y
c
(t)。

技术总结
本发明公开一种机械式双惯性通道半主动悬置的动态特性分析方法，实现了对机械式双惯性通道半主动悬置非线性集总参数模型的建立和动态特性的计算，其包括：建立机械式双惯性通道半主动选择的非线性集总参数模型；通过有限元法或试验法对集总参数进行参数识别；计算非线性集总参数模型中状态变量的时域变化结果；根据公式计算机械式双惯性通道半主动悬置的动刚度和滞后角。本发明具有以下有益效果：可预测机械式双惯性通道半主动悬置中相关状态变量的时域变化结果。状态变量包括上、下液室的压强、惯性通道的液体体积流量，限流柱的位移；可以预测不同激励幅值和激励频率下，机械式双惯性通道半主动悬置动刚度和滞后角。械式双惯性通道半主动悬置动刚度和滞后角。械式双惯性通道半主动悬置动刚度和滞后角。


技术研发人员：伍精华 上官文斌
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/3/8