动力总成悬置系统防扭拉杆等效刚度的计算与应用.doc

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1、动力总成悬置系统防扭拉杆等效刚度的计算与应用张伟 1黄振磊 2胡培龙 1上官文斌 1（1.华南理工大学；2.宁波拓普集团股份有限公司）【摘要】建立了防扭拉杆在动力总成悬置系统固有频率计算中的模型 ，推导了其等效刚度的计算公式 。该 防 扭 拉杆静刚度的公式计算值 、有限元计算值和实测值的对比验证了所推导计算公式的正确性 。 以一具有防扭拉杆的汽车 动力总成悬置系统为例 ，利 用 ADAMS 软件和所计算出的防扭拉杆等效刚度对其固有频率 进 行 了 计 算 。 计 算 结 果 和与试验结果的对比验证了本文防扭拉杆模型的正确性 。主题词：动力总成悬置系统防扭拉杆等效刚度计算中图分类号：U464文献

2、标识码：A文章编号：10003703（2012）12004003Equivalent Stiffness Determination for Torque Strut of PowertrainMounting System and Its ApplicationZhang Wei1, Huang Zhenlei2, Hu Peilong1, Shangguan Wenbin1（1.South China University of Technology; 2.Ningbo Tuopu Co.,Ltd）【Abstract】A model for calculating natural freq

3、uency of torque strut in powertrain mounting system, the formula for determining equivalent stiffness of torque strut is derived. The comparison between calculated values with the above formula, FE calculated value and measures value of this torque strut static stiffness proves validity of the deriv

4、ed formula. This paper takes vehicle powertrain mounting system equipped with torque strut as example and uses ADAMS software and the calculated torque strut equivalent stiffness to calculate its natural frequency. The comparison between the calculated results and test results proves validity of the

5、 torque strut presented in the paper.Key words：Powertrain mounting system,stiffnessTorque strut, Determination of equivalent到。本文建立了防扭拉杆在动力总成悬置系统固有含防扭拉杆的动力总成悬置系统概述1频率计算中的模型，推导了等效刚度的计算方法，对某防扭拉杆的等效刚度和某动力总成悬置系统固有 频率进行了计算。在汽车动力总成悬置系统的计算分析中 ， 悬置的安装点和悬置在其局部坐标系中的 3 向刚度是必要的输入参数16。通常将悬置与动力总成相连接的x点视为悬置的安装点（可动点

6、），而悬置与车架、副车yA变 速 器悬 置架或车身相连接的点视为接地点（不动点）。对于一防 扭 拉 杆般结构的悬置元件，很容易找出悬置在其局部坐标BA系中的 3 向刚度。 随着发动机横置、前驱动型式的广泛应用， 防扭拉杆在动力总成隔振中得到了广泛应 用。 图 1a 为发动机横置、前驱动型式的动力总成悬置系统中 3 个悬置布置的示意图（x 指向汽车后方，yB发 动 机 悬 置为汽车的横向方向，z 向符合右手定则，本文公式推（a）悬 置 系 统（b）防 扭 拉 杆图 1动力总成悬置系统及防扭拉杆 导统一于此坐标系）。 防扭拉杆的 A 端与动力总成的发动机相连 ，B 端连接到车身上 ，A、B 两端中

7、心连 线 平行于 x 向。 由于 A、B 两端均有弹性元件，如何将两个弹性元件的刚度等效到动力总成悬置系统固有频防扭拉杆等效模型及等效刚度公式推导2防扭拉杆是两端都具有弹性衬套、中间由铝（或钢等） 支架连接而成的弹性元件。在进行悬置系统率计算中的刚度，在目前公开发表的文献中尚未见设计计算研究的固有频率计算时， 将防扭拉杆与动力总成相连的点视为悬置的安装点，在图 2 中，大衬套侧连接车身法，计算得到防扭拉杆在 y 向的等效刚度为：ky=kbyksy（kb+ks）/kbyksyL2+（kby-ksy）（kb+ks）（6）（或副车架）， 小衬套侧连接动力总成。防扭拉杆等式 中 ，kby、ksy 分

8、别 为 大 小 衬 套 的 y 向 线 刚 度 ；kb、ks分别为大小衬套绕 z 轴的扭转刚度。防扭拉杆 在 x 向 的 等 效 刚 度 kx 视 为 大 、小 衬 套 在 x 向线刚度的串联，其等效刚度为：效刚度的计算，是要将该防扭拉杆两端衬套的弹性刚度等效为在支承点（大衬套的中心点）上的刚度。FszMsyMbykx=kbxksx/（kbx+ksx）式中，kbx、ksx 分别为大小衬套在 x 向的线刚度。（7）S z y防扭拉杆中心距的确定3xLFbz如图 3 所 示 ，在实际的测量中 ，当 防 扭 拉 杆 在 z向 跳 动 z 时 ，导 致 衬 套 在 x 方 向 产 生 位 移 Lsin

9、， 引 起 x 方 向 的 力 kxLsin， 这 个 x 方向的力在实际 的测量中是附加在 z 方 向 上 的 ，如 式 （8），因 此 会 引 起 z 方向刚度增加 kz。（a）z 向 跳 动 FsyMszMbzSy z ykxLsin=kzz展开式（8）有kx（L/cos-L）sin=kzLtan（8）xLFby（b）y 向 摆 动图 2防 扭 拉 杆k =k （1-cos）（9）zx如图 2a 所示，作用在大小衬套两端的扭矩分别为 Mby、Msy，大小衬套绕 Y 轴的扭转刚度分 别 为 Kb、Ks，大小衬套中心距为 L。Lzyz以防扭拉杆为研究对象，衡方程有：由平面任意力系的平xL图

10、3 x 向 刚 度 对 z 向等效刚度的影响 防 扭 拉 杆 z 方 向 刚 度 的 增 加 kz 可 以 由 式 （9）求出。 由于防扭拉杆的转角一般小于 5，1-cos50，因此防扭拉杆在 z 向跳动时，x 方向的刚度对 z 向 刚度的贡献可以忽略。由图 3 有 L=z/tan，由 于 动 力 总 成 z 向 跳 动 一 般 限 制 在 10 mm， 而 防 扭 拉 杆的转角一般小于 5，FszL-Msy-Mby=0其中，Fsz 为作用在小衬套上的力，由式（1）得：FszL=（kb+ks）=（kb+ks）Sz/L（1）（2）式 （2）中 ，Sz 为 在 Fsz 力的作用下小衬套沿 z 向

11、的 位移，由式（2）有：Fsz/Sz=（kb+ks）/L2（3）所以要求大小衬套的中心距 L114.3 mm。程设计中心距一般大于 120 mm。实 际 工式 中 ，Fsz/Sz 为扭转引起的防扭拉杆 小 端 在 z 向 的 等效刚度。由于防扭拉杆的两端大、小衬套皆为弹性体，受 拉压时会产生弹性变形 ， 防扭拉杆在 z 向的等效刚度为kz：Kz=Fsz/（Sbz+Ssz+Sz）防扭拉杆的等效刚度计算及结果对比44.1防扭拉杆的等效刚度公式计算某防扭拉杆大、 小衬套刚度试验数据见表 1 所列，大、小衬套的中心距 L=182 mm。 将大衬套侧铝芯固定，分别在小衬套侧 x、y 和 z 3 方向施加

12、载荷（模拟实 际状态），测得防扭拉杆的 3 向刚度（等效刚度）。表 1 大 、小衬套刚度数据 （4）=Fsz/（Fbz/kbz+Fsz/ksz+Fsz/kz）式 中 ，Fbz 和 Fsz 分 别 为 作 用在大小衬套两端沿 z 方向的力；kbz、ksz 分别为大小衬套 z 向的线刚度。 由力的平衡关系得：Fsz+Fbz=0 将式（3）代入式（4），有：kz=kbzksz（kb+ks）/kbzkszL2+（kbz-ksz）（kb+ks）（5）线 刚 度/kNm对 图 2b 所 示 的 y 向 摆 动 ，2012 年 第 12 期应 用 上 述 相 同 的 方 41 刚 度-1扭 转 刚 度/Nm

13、rad-1xyz大3472671859216.2458102.7818小2468.52322468.538.803688.2292设计计算研究防扭拉杆的有限元分析整个防扭拉杆的有限元模型如图 4 所示。装及试验系统的误差等因素影响，存在着一定的偏差。导致 3 者数值上4.2小衬套与小端接触部分和大衬套与大端接触部分分别定动力总成悬置系统固有特性的计算与测试5义接触属性。由于橡胶体的变形远远大于金属件的变形，因此把金属拉杆部分和大、小衬套的金属骨架部分约束成刚体。 约束大衬套加载点处 6 个自由度 的位移为零，在小衬套加载点上施加相应的载荷，计 算防扭拉杆相对于大衬套中心的 3 向静刚度值。图

14、6 所示的汽车动力总成悬置系统具有 3 点悬置 支 承 ，其 中 Torque 为 防 扭 拉 杆 。 采 用 ADAMS 软 件和根据上述表 2 计 算得到的防扭拉杆等效刚度 ，对该悬置系统的固有频率进行了计算 。 在台架上对该动力总成进行激振测试， 得到该动力总成的 6 阶 固有频率。 固有频率计算值和试验值 的 对 比 见 表 3所列。由表 3 可见，动力总成固有频率的计算值和试验值是接近的，证明了该等效计算方法的正确性。yx变 速 器 悬 置发 动 机 悬 置z图 4防扭拉杆的有限元模型 通 过 对 该模型有限元计算结果的分析处理 ，可以得到悬置在整车坐标系 3 个方向的静特性曲 线

15、， 如 图 5 所 示 。静 刚 度 值 。160012008004000经 过 拟 合 计 算 7 ， 可 得 出 3 向 的防 扭 拉 杆30图 6 动力总成悬置系统固有频率计算 ADAMS 模 型表 3系统模态计算值和台架试验值 Hz20100012位 移/mm34012位 移/mm34（a）X 向403020100（b）Y 向012位 移/mm34结束语6（c）Z 向图 5 某 防 扭 拉 杆 3 向静刚度有限元计算曲线 防扭拉杆的试验测试及结果对比表 2 对 比 了 该防扭拉杆的等效刚度公式计算 对防扭拉杆的刚度简化提出了等效方法 ， 推导了计算公式，然后利用有限元法和试验测试验证了

16、4.3计算公式的正确性 ， 最后利用 ADAMS 软 件 对 某 动力总成悬置系统固有 频率进行了计算 。 结 果 表 明 ， 计算与台架试验值具有较好的一致性 ， 证明了本文 所提出的防扭拉杆的简化模型是可行 、正确的。参 考 文 献值、有限元计算值和试验测试值。表 2防扭拉杆静刚度的公式计算值 、有 限 元 计 算 值和 试 验 测 试 值kN/m徐 石 安 ，等. 发 动 机 悬置设计计算的研究 自 由 振 动 部 分 .二 汽 科 技 ，1980，6.徐 石 安 ，肖 德 炳 ，等. 发动机悬置的设计及其优化. 汽 车 工 程 ，1988（4）.上 官 文 斌 ， 蒋 学 峰. 发动机

17、悬置系统的优化设计. 汽 车 工 程,1992，14（2）：103110.阎 红 玉 ，徐 石 安.发 动 机悬置系统的能量法解耦 及 优 化 设1y2从表 2 可看出，3 种计算结果基 本 符 合 ，从 而 证3明了公式计算的可靠性，为测试防扭拉杆的 3 向静4刚度值提供了方便。 由于试验设备的精度、 试验工 42 汽 车 技 术力/N力/N力/N刚 度公 式 计 算 值有 限 元 计 算 值试 验 测 试 值kx304.2308.5305.7k5.776.156.38kz7.6758.3710.18固 有 频 率计 算 值试 验 值1 阶 （横 向 摆 动 ）6.58037.22 阶 （纵

18、 向 跳 动 ）8.28088.73 阶 （前 后 串 动 ）10.262611.24 阶 （绕 y 转 动 ）11.709012.15 阶 （绕 x 转 动 ）15.130615.76 阶 （绕 z 转 动 ）15.557416.2设计计算研究汽车状态参数估计策略适用性评价 *魏建伟 1，2 赵万忠 2，3 尚伟燕 1（1.宁波工程学院；2.南京航空航天大学；3.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室 ）【摘要】介绍了汽车侧向稳定性控制系统的基本原理以及现有状态参数的估计策略 。 分析了估计策略输 入 信 号能否反映不同侧向稳定性控制 系统作用时所引起的状态参数变化问题 ， 并从估计输入信号

19、实时采集的角度判断估 计策略的可靠性 。 提出了估计策略的评价指标 ，并对不同估计策略进行适用性评价 。 结 果 表 明 ，采用直接表征汽车状 态的部分参数作为估计输入的估计策略具有更好的适用性 。主题词：汽车状态参数估计策略适用性评价中图分类号：U461.6文献标识码：A文章编号：10003703（2012）12004304Applicability Evaluation on Estimation Strategies for VehicleState ParametersWei Jianwei1，2, Zhao Wanzhong2，3, Shang Weiyan1（1. Ningbo U

20、niversity of Technology; 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics;3. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy of Tsinghua University）【Abstract】Basic principle of vehicle lateral stability control systems and existing estimation strategies for state parameters are introduced

21、in this paper. The issue of whether inputs of estimation strategies can reflect changes in vehicle state parameters under different lateral stability control systems is analyzed. Meanwhile, the reliability of estimation strategies is judged in view of real-time collection of estimation inputs. Then

22、applicability evaluation indexes of estimation strategies are proposed, and applicability evaluation on estimation strategies is carried out. Results indicate that the estimation strategy, which takes some vehicle state parameters with direct characterization as estimation input, is more applicable.

23、Key words：Vehicle, State parameters, Estimation strategies, Applicability evaluation文结合电子控制系统的基本原理，即对汽车所施加前言1的控制量及其对汽车的影响 2 方面进行总结，然后汽车行驶状态参数主要包括横摆角速度、质心侧偏角和侧向加速度， 其在一定程度上决定了侧向稳定依据现有汽车状态参数估计策略决策所需的传感器信号进行综述。 在此基础上，提出估计策略的评价指 标，并对不同估计策略进行适用性评价。性控制系统的控制有效性。现有汽车状态参数估计的研究只是针对估计策略和估计算法进行综述1， 而 关于状态参数估计策略

24、的适用性并未进行阐述 ， 这就 造成了对现有估计策略的认识存在一定盲区 。为更全面、深入和准确地了解现有估计策略，本侧向稳定性控制系统及原理2目前，提高汽车侧向稳定性的电子控制系统主要包括前轮主动转向 （Active Front Steering，AFS）系觹 基 金 项 目 ： 国家自然科学基金 （51005115） 资 助 ； 汽车安全与节能国家重点实验室开放基金 （KF11201） 资 助 ； 浙江省教育厅项目 （Y201120198）。计.汽 车 工 程 ，1993，15（6）:321328.5 徐 石 安 .汽车发动机弹性支承隔振的解耦方法 .汽 车 工 程 ,1995，17（4）:198204.6 孙 蓓 蓓 ，张 启 军 ，等. 汽车发动机悬置系统解耦方法研究 .振 动 工 程 学 报 ，1994，7（3）：240245.7 杨 晓 翔 . 非线性橡胶的有限单元法 . 北 京: 石 油 工 业 出 版社 ，1999.（责 任 编 辑 学 林）修改稿收到日期为 2011 年 6 月 25 日 。 43 2012 年 第 12 期