合理地设计悬架装置的预紧力

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对我国橡胶悬架装置的结构改进具有借鉴和指导意义。一般说来，汽车主要受到两个方面的激振，一是由路面不平度引起的，二是发动机本身工作过程中产生的不平衡力和力矩。随着现代公路水平的提高和各种悬架的优化，动力总成逐渐成为影响汽车振动的主要振源。另一方面，现代汽车正向着小型化、轻量化和高舒适性的目标发展。动力总成的悬架装置对提高汽车的舒适性和降低车内噪声起着重要的作用。国内外学者对各种动力总成悬架装置开展了大量的研究，早在1920年橡胶元件就用来连接动力总成和车架，1930年以后橡胶悬架装置用于隔离发动机传向车架的振动，经过几十年的研究，悬架装置元件已有了很大的发展，产生了液阻型液压悬架装置，半主动控制式和主动控制式悬架装置。目前，由于制造成本、结构尺寸及制造工艺等方面的限制，国外在中、重型载货车上液阻悬架装置几乎还未得到应用，还通常采用传统的橡胶材料作为隔振元件。我国大多客车和货车也都采用橡胶悬架装置。由于传统的橡胶悬架装置具有刚度偏大、阻尼不足及高频动态硬化的缺点，难以满足动力总成的要求。但橡胶悬架装置可为隔振在所有方向上设计合适的刚度特性，它体积小，价格低廉，几乎不用保养维护，粘结在一起的橡胶悬架装置可有更好的性能更长的寿命。因而，应用非线性刚度和阻尼特性来改善被动橡胶悬架装置的性能，应用高内阻尼材料及具有幅值取决于刚度和阻尼的材料非常有价值。由于目前大阻尼橡胶材料性能不稳定，应用还很困难，本文采用天然橡胶制作的橡胶悬架装置为对象，通过较为简单的原理改造，使其具有良好的非线性特征，得到较为理想的动特性。本文建立了改造后的橡胶悬架装置的力学模型，通过理论分析和仿真计算，证明其具有较好的动特性。传统橡胶悬架装置与理想悬架装置的比较汽车动力总成是通过悬架装置系统安装在汽车车架或车身上的，悬架装置系统承受着动力总成的质量，在受各种干扰力，如制动、加速、转弯等情况下，悬架装置系统应能有效地限制动力总成的最大位移，以避免与相邻零部件碰撞。

同时，它应具有良好的隔振作用，尽可能降低动力总成和汽车车架或车身之间的双向振动传递。由振动分析知：要想使动力总成的悬架装置能够在低频大振幅振动时，有效限制发动机动力总成的最大位移，悬架装置应具有较大的动刚度和较大的阻尼。另一方面，为了减小发动机动力总成在高频小振幅振动时向车架或车身的力传递率，要求悬架装置应具有较小的刚度和阻尼。于是，通过研究获得了理想的悬架装置特性图，并把它与传统的橡胶悬架装置进行了对比，如所示。

由可知：传统橡胶悬架装置的阻尼几乎不随频率和幅值的变化而变化，为一常量，而动刚度的特性也与理想的悬架装置背道而驰，低频时刚度较小，高频时刚度较大，而且基本上为线性变化；而大幅值时动刚度小，小幅值时动刚度传统橡胶悬架装置特性与理想的悬架装置特性的对比大。因此，传统的橡胶悬架装置难于同时满足动力总成对悬架装置的高频小振幅和低频大振幅的要求，必须对其进行结构改造才能使其具有非线性特性，更好地满足动力总成对悬架装置系统的要求。传统橡胶悬架装置减振块的结构形式通常为压缩型、剪切型和复合型3种，其结构简图如所示。

传统橡胶悬架装置结构形式对压缩型的橡胶减振块进行了结构改进如所示。橡胶是一种高分子物质，是一种非线性材料，橡胶有弹性滞后现象，即在加载了一定时间以后才会产生最终变形。同样，卸载后，也要经过一些时间才能恢复。所示的改进型橡胶悬架装置各包括5根高低不等的橡胶块，它们之间有金属骨架隔开，彼此几乎互不影响。根据布置方位的不同可把它们分为中高边低型和边高中低型。在不同的工作条件下，它们具有不同的工作状态。当动力总成工作在低频大振幅振动的情况下，两种布置形式的橡胶悬架装置的5根橡胶块同时工作，使得悬架装置的刚度大幅增加，同时阻尼也会相应的增加，从而满足了动力总成在低频大振幅时对悬架装置的大刚度、大阻尼的要求。而当动力总成处于高频小振幅振动情况下，两种形式的橡胶悬架装置的工作情况有所不同。对于a所示的中高边低型橡胶悬架装置，只有最高改进的橡胶悬架装置示意图的一块处在工作状态，因而此时具有的刚度和阻尼也就最小。对于b边高中低型，为最高的2根橡胶块处于工作状态，因而它们此时也具较小的刚度和阻尼。两种形式的橡胶悬架装置都可有效改进传统橡胶悬架装置在高频小振幅时的工作状况，更好地满足动力总成对橡胶悬架装置高频小振幅时小刚度小阻尼的要求。当然，为了使橡胶悬架装置与动力总成匹配，有必要合理设定5根橡胶块的高度差。由于传统的橡胶悬架装置常用a所示的力学模型来进行研究.因此，a的中高边低型橡胶悬架装置可建立如b所示的力学模型。

k悬架装置的刚度c悬架装置的阻尼k1橡胶块1的刚度k2橡胶块2，5的刚度k3橡胶块3，4的刚度c1橡胶块1的阻尼c2橡胶块2，5的阻尼c3橡胶块3，4的阻尼橡胶悬架装置的力学模型由于悬架装置被设计成对称的，因而对左右的橡胶块作了简化认为它们就有相同的刚度和阻尼。由于橡胶的本身质量相对于动力总成的质量小的多，忽略了橡胶块的质量。假定振幅增大的过程中，振幅经过衰减和碰撞消耗，具有与大振幅振动对应的方程。对式进行求解可得出各种幅值下的时间响应历程，进而求得各稳态响应的幅值和相位差。激励力为正弦激励。改进后的橡胶悬架装置的动特性计算分析小幅值振动时的动特性在中建立仿真模型，幅下的频率响应，借助于传递函数编制程序得到小振幅下的频域响应如a所示。图中可以看到，在振幅小于时，系统的主要工作区集中在频率内，特别是在高频区在时，振幅小于，具有非常良好的减振效果，能有效地改善动力总成的高频动特性。中在共振区幅值会增大，当其大于后，会导致位移过大，此时橡胶块及时地发挥作用增大悬架装置的刚度和阻尼，会使得振幅下降。也就是说系统在的振动，中振幅大于的情况几乎不会发生，而会被所代替。由于橡胶块的介入，使得振动系统的固有频率发生瞬时的增大，振幅得以迅速减小，此外，阻尼的增加也使得振幅迅速降低。通过与传统的橡胶悬架装置的幅频特性（如c所示）的对比，可以更清楚地看到其效果。小振幅下的频域响应通过以上的计算分析可知，小振幅振动时，此种改进后的橡胶悬架装置具有较为理想的幅频特性，特别是在高频区。

大振幅振动时的动特性动力总成工作在启动、怠速、加速、减速、刹车及急转弯等工况时，经常会引起发动机的大幅值跳动。因而有必要研究其在大振幅时的动特性。通常在这些工况下，激振频率都较低，所以只研究低频时的工作状况。此时，块橡胶块都处在工作状态，悬架装置系统具有大的刚度和阻尼能够有效地限制动力总成的最大位移，幅频特性如所示。大振幅低频振动时的幅频特性图结论对传统的橡胶悬架装置的特点与理想悬架装置进行了对比，并提出了结构改进方案。针对改进后的悬架装置结构建立了相应的力学模型，并据此得到了系统的数学模型，编制程序对此模型进行了仿真计算，结果表明采用新结构的橡胶悬架装置可得到较为理想的动特性（文中只讨论了幅频特性），对我国橡胶悬架装置的改进具有较好的借鉴和指导意义。但是应该指出本文中提出的改进结构不能彻底解决高频时橡胶悬架装置的动态硬化问题，只能有效降低动态硬化问题。另外合理地设计悬架装置的预紧力，对此种类型的悬架装置动特性也有较大影响。

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