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轻型车驾驶室液压悬置性能匹配研究

陈志勇  
【摘要】:随着国内外法规的日益严格,以及消费者对汽车驾驶舒适性要求的提高,如何降低驾驶室内的振动与噪声成为热点研究问题。引起驾驶室内振动的主要原因一般分为两个:路面随机激励和发动机工作激励。驾驶室悬置是驾驶室的主要隔振系统。驾驶室悬置隔振系统及隔振元件的研究对于降低驾驶室振动,提高乘坐舒适性具有重要的意义。驾驶室液压悬置相对传统橡胶悬置具有更好的动态弹性特性,能够起到更好的减振降噪作用。但是在对发动机液压悬置如火如荼的研究背景下,鲜有对于驾驶室液压悬置的研究。本文利用非线性有限元方法以及弹性体多体动力学技术对驾驶室液压悬置进行了较深入的研究。有限元技术是近年来随着计算机技术的发展而发展起来的,它能够更直观的研究驾驶室悬置,并对设计与制造提供直接的指导,能够显著缩短开发周期,降低开发成本。本文根据所提出的驾驶室液压悬置开发流程逐步进行了研究,其中涉及液固耦合有限元技术、弹性体多体动力学技术、驾驶室有限元模态分析与试验技术以及声固耦合有限元分析技术。 本文利用计算分析与试验手段相结合的方法,围绕驾驶室液压悬置的开发与匹配展开研究,主要内容包括六个部分。 第一部分主要对国内外驾驶室悬置匹配研究及基于有限元方法的液压悬置研究现状进行了总结和介绍,通过对驾驶室悬置类型的介绍,说明了驾驶室液压悬置的优点,液压悬置的隔振原理及技术要求,以及利用有限元技术分析驾驶室悬置的优点,最后提出了本文研究的主要内容及意义。 第二部分在详细介绍液固耦合非线性有限元理论与方法的基础上,分别建立了驾驶室液压悬置主簧部分和液体部分。建立橡胶主簧部分时,详细分析了橡胶材料的超弹性本构模型,基于试验手段,结合橡胶材料本构模型稳定性及最小均方差的考虑,拟合并研究了本文所研究悬置的橡胶材料本构模型。建立液体部分时,考虑液压悬置高频工作时液体流动状态以及悬置结构的复杂性,在动态分析时液体流动模型选用了K-Epsilon RNG紊流模型。把橡胶主簧模型和液体模型导入有限元软件,施加适当的边界条件,建立了液固耦合模型并进行了悬置静、动特性的计算分析。试验研究了液压悬置样件的静、动刚度和相位角,计算分析与试验结果的对比分析证明:所建立的驾驶室液压悬置液固耦合有限元模型是正确的。 第三部分基于已建立的驾驶室液压悬置液固耦合有限元模型,研究了橡胶主簧静态刚度、橡胶主簧等效活塞面积、橡胶主簧下液室体积刚度、惯性通道参数、惯性通道小孔尺寸、上液室橡胶膜厚度、工作液体粘度以及节流盘结构对悬置动特性的影响,并总结了上述参数对悬置动特性的影响规律及灵敏度。作者根据所做的研究,提出了基于整体驾驶室的液压悬置匹配设计方法。对液压悬置元件各主要组成部分的设计要求进行了探讨与研究。 第四部分作者根据驾驶室的三维CAD模型,经过几何清理等前处理工作,参考国内外文献所述的建模方法与连接模拟方法,利用有限元软件建立了驾驶室白车身的有限元模型,运用Lanczos方法计算分析了频率0~100Hz范围的振动模态。利用LMS数据采集系统、MB激振器以及加速度传感器等试验设备测试了白车身结构0~100Hz频率模态。模态试验中的测点是基于有限元分析结果布置的,这样能够有针对性的布置测点,提高试验准确率,降低试验成本。模态计算结果与试验结果对比分析证明了白车身有限元模型是正确的。基于白车身模型,添加车门与车窗玻璃,及用来模拟内饰件的集中质量,建立了驾驶室整体模型,有限元模型质量与实车驾驶室质量比较接近。 第五部分把所建立的驾驶室有限元模型,以模态中性文件MNF形式导入多体动力学分析软件中,在悬置点处添加液压悬置模块,以驾驶员座椅导轨处振动加速度均方根值最小为目标,以悬置动刚度和相位角为设计变量,进行了驾驶室液压悬置的优化研究。根据优化结果,结合液压悬置结构参数对其动特性影响的研究,改进和设计了符合要求的液压悬置结构。根据驾驶室内部空间结构,建立了考虑座椅的驾驶室内声腔有限元模型并进行了声学有限元模态分析。结合所建立的驾驶室结构模型,建立了声固耦合有限元模型。根据整车道路试验所得载荷谱,计算分析了悬置改进前后的驾驶员左耳旁节点处的声压响应,并把声压值单位转化为分贝。计算结果表明,改进后的悬置能够降低驾驶室内噪声。 第六部分为驾驶室液压悬置样件的试制以及对结构改进后的悬置进行整车的试验验证与分析。介绍了样件模具的设计、悬置各组成部件的试制加工以及装配的工艺等。说明了悬置装配过程的难点要点。把试制出的样件进行了装车整车试验,试验过程分为四个工况:驻车发动机定转速、驻车发动机匀加转速、行驶定车速和行驶匀加车速。测量了悬置改进前后的隔振率及驾驶员座椅处振动加速度。结果表明,改进后的悬置能够更好的隔振减振。 本文运用有限元与试验结合的方法对轻型卡车驾驶室液压悬置进行了匹配研究,根据所提出的悬置动特性,结合悬置参数对其动特性影响规律的研究,详细系统地阐述了驾驶室液压悬置的匹配与设计过程,形成了完整的技术流程与研究思路,对提高我国驾驶室液压悬置的自主开发能力,提高相关产品的性能指标具有重要的意义。


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