基于不动点的液阻悬置主动控制理论与实现

在汽车轻量化、可变排量发动机大量运用以及整车功率密度不断增大的新形势下，运用性能更为优良的主动半主动悬置以提高整车的动态舒适性，成为当前汽车工业急需解决的工程问题。为此开展了主动半主动液阻悬置的研究。 发动机动力总成的刚体动力学参数是进行悬置研究的基本输入参数。为此首先研究了三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试理论与方法，并进行了三线摆试验台的设计与专用数据处理软件的开发。 分析了可变解耦膜刚度半主动液阻悬置的基本结构，测试了其动特性。基于工程流体力学相关理论，建立了与结构几何相关联的非线性集总参数模型。基于储能动刚度不动点的参数识别方法，对其空气室封闭与接通大气两种状态下的上液室体积刚度和橡胶主簧等效泵液活塞面积进行参数识别，结果表明两种状态因解耦膜刚度不同而显著改变上液室体积刚度。对所建模型进行动特性分析，经与试验结果对比，二者吻合良好，验证了模型的合理性和参数的正确性。在此基础上，建立了单质量-半主动液阻悬置的隔振系统模型，对低频、高频及冲击等典型工况进行隔振性能仿真，基于力传递率探讨了典型工况下系统的隔振性能，提出了可变解耦膜刚度半主动液阻悬置的控制策略。 同时，对可变通道数半主动液阻悬置的动特性进行试验研究。基于工程流体力学相关理论，建立与结构几何相关联的液阻悬置非线性集总参数模型，考虑多组具有不规则形状和尺寸的惯性通道。基于储能动刚度不动点的参数识别方法，对上液室体积刚度和橡胶主簧等效泵液活塞面积进行参数识别。对所建模型进行动特性分析，经与试验结果对比，二者吻合良好，验证了模型的合理性和参数的正确性。在此基础上，建立单质量-可变通道数半主动液阻悬置的隔振系统模型，基于力传递率最小的目标提出可变通道数半主动液阻悬置的控制策略。 开发了汽车动力总成悬置系统设计分析软件，实现了悬置系统动态特性的优化以及基于五段线性、五次多项式的非线性静态分析功能，并嵌入了最新的液阻悬置动特性仿真的研究成果。 以上研究为半主动液阻悬置的工程应用以及下一步主动悬置的研究打下了良好的基础。

不动点是振动系统中偶有存在的奇特现象，其物理意义明确，有直接工程指导意义，并含有丰富系统信息。液阻悬置作为目前最先进的汽车发动机被动隔振元件，已发现存在五个不动点。基于最新发现的液阻悬置系列不动点，从非线性定常与非定常微分方程以及五次代数方程解的理论两个方面寻求不动点的理论解，试验验证其普适性，深化液阻悬置基于不动点的参数识别方法并完善其正向设计技术；在此基础上，研究基于不动点的液阻悬置半主动与主动控制理论与技术，包括基于不动点的新型控制方式研究、基于发动机转速与车速的两参数控制策略优化、基于电控系统的实现以及台架与整车的试验研究。在汽车工业燃油经济性进一步提高、可变排量发动机大量运用以及乘坐舒适性进一步加强的新形势下，该研究不仅有理论指导意义，对于我国汽车工业特别是乘用车的自主创新设计、自主品牌建设还有现实的工程价值。本课题基于申请人关于发动机被动隔振研究的良好基础，可获事半功倍的效果。

某大型挖掘机发动机橡胶悬置如图1所示。挖掘机工作过程中，悬置不仅承受发动机自身的激振力，在挖掘作业中还需承受巨大的冲击载荷，悬置需产生大的变形来吸收冲击，所以悬置的受力状态对其寿命和可靠性非常重要，而悬置的刚度和安装位置又决定了发动机的隔振率和能量解耦率。研究旨在于通过橡胶材料本构方程提供一种能分析橡胶件力学性能的方法。

超弹性模型悬置静刚度分析

（1）超弹性材料模型

橡胶这种超弹性材料的力学分析不能像线弹性那样只靠弹性模量和泊松比，而是需通过橡胶试样实验得到材料应力应变数据，通过拟合实验数据得到材料本构模型的系数。描述超弹性材料特征的有效理论之一是基于应变能密度函数的本构理论。

（2）悬置刚度有限元分析

发动机悬置的安装结构如图2所示，从上到下依次为限位罩、悬置、发动机支腿、悬置、限位罩和转台支架。2个悬置、2个限位罩及下支架通过螺栓拧成一个整体的悬置系统，产生固定悬置的预压紧力，所以悬置的刚度应考虑螺栓对悬置的预压缩。限位罩能使发动机支架在轴向±4mm、径向±2mm内移动。

悬置的有限元分析模型如图3所示，因为悬置的铁芯及圆盘与橡胶硫化在一起，为降低计算量，可直接用刚性边界条件替代；由于橡胶悬置轴对称，故只计算1/2对称模型。材料肖氏硬度为60。

静刚度分析步骤如下：（1）固定悬置的圆盘，将上限位罩下移10mm、铁芯下移2.5mm，到达实际拧紧状态，将悬置的圆盘正、负向分别移动4mm，得到轴向刚度。（2）将上限位罩下移10mm、铁芯下移2.5mm，到达实际拧紧状态，下圆盘径向移动2mm，得到径向刚度。

超弹性模型研究结论

（1）通过建立超弹性模型，分析了橡胶悬置的轴向、径向刚度，与试验结果对比误差较小，能够满足工程应用，为后续悬置优化及应力、应变分析提供依据。

（2）分析了拧紧量与悬置轴向刚度的关系，确定了悬置的最小拧紧量，可为后续改进提高悬置疲劳强度提供依据。 2100433B