悬架弹性元件对悬架振动传递特性的影响Ξ张立军　余卓平(同济大学汽车工程系　上海,200092)摘要　为了分析研究橡胶元件减振隔振的机理,在线性假设的前提下,用复刚度表示悬架弹性元件的刚度,在车身车轮双质量1 4车振动模型的基础上建立了考虑悬架系统中的橡胶弹性支承元件影响的1 4车振动模型,并利用该模型详细论述了橡胶元件对悬架振动传递特性的总体影响,指出其能减小车身部分固有频率附近的传递系数,增大车轮部分固有频率附近的传递系数,明显改善高频段的隔振性能。

关键词　悬架　橡胶支承元件　驻波效应　隔振中图分类号　U 27011　T P 53引　言为了隔离来自路面不平度的冲击,并起到隔声方面的作用,在汽车的悬架系统中采用的橡图1　轿车复合式后悬架总成像胶元件胶弹性元件主要包括:减振器活塞杆与车身之间的上、下轴承环、螺旋弹簧上端的橡胶衬垫、减振器下端吊耳的橡胶件以及缓冲块。

图1所示为某轿车复合式后悬架总成结构及其中使用的橡胶元件。

目前,国外不断有新型的橡胶减振元件问世,说明国外已经掌握了这方面的先进技术,并且实用化。

而在国内,人们对于轿车悬架减振橡胶元件的选型和设计与国外相比尚存在较大的差距。

本文在线性假设的前提下,利用所建立的考虑橡胶元件影响的新型悬架模型,分析研究橡胶元件对悬架振动传递特性的影响机理。

这对于深入了解汽车悬架用橡胶元件减振隔振的机理,逐步实现悬架系统橡胶元件的自主开发设计具有重要的理论意义和实用价值。

第22卷第2期2002年6月 振动、测试与诊断Jou rnal of V ib rati on,M easu rem en t &D iagno sisV o l .22N o.2Jun .2002Ξ1　研究模型橡胶是一种粘弹性材料,具有内部摩擦的阻尼特性。

可利用复刚度表征橡胶在单一方向的弹性特性,即橡胶元件的刚度为K 3=K +j h =K (1+j Γ)(1)其中:K 为橡胶弹性元件的单向位移动刚度(同向动刚度);h 为反映橡胶材料阻尼特性的正交动刚度(即结构阻尼系数);Γ为橡胶元件的损耗因子。

图2　研究用悬架1 4车振动模型如图2所示,在汽车车身和车轮双质量1 4车振动系统(简称振动系统b )的基础上,可建立考虑悬架系统中橡胶弹性元件影响的新型的悬架系统振动模型——橡胶支承双质量1 4车振动模型(以下简称振动系统a )。

新型模型是结合悬架结构中橡胶元件的实际安装位置,在车身车轮双质量振动模型的相应位置引入橡胶元件的模型形成的。

下面利用四端参数的方法对该线性振动系统的振动特性进行分析。

根据四端参数原理[1],可推出上述两种振动系统的振动方程。

对于振动系统a ,有F ssβ=Α11Α12Α21Α22F z zβ(2) 对于振动系统b ,有F ssβ=Α′11Α′12Α′21Α′22F z zβ(3)其中:F s ,sβ为地面输入力和加速度;F z ,z β为车身质量输出力和加速度;Α11=1-m t Ξ2K 32+j Ξm t (j ΞK 31-C Ξ2)(K +K 33)j ΞC (K K 31+K K 33+K 31K 33)+K K 31K 31;Α12=j Ξ(m +m t )-m m t Ξ2j ΞK 32+(j ΞK 31-C Ξ2)(K +K 33)j ΞC (K K 31+K K 33+K 31K 33)+K K 31K 33;Α21=j ΞK t +j ΞC ′+K t +j ΞC ′-m t Ξ2K t +j ΞC ′j ΞK 32+j Ξ′m t (j ΞK 31-C Ξ2)(K +K 33)j ΞC (K K 31+K K 33+K 31K 33)+K K 31K 33Α22=1-(m +m t )Ξ2K t +j ΞC ′+ j Ξm -jm m t Ξ3K t +j ΞC ′j ΞK 32+j Ξm t (j ΞK 31-C Ξ2)(K +K 33)j ΞC (K K 31+K K 33+K 31K 33)+K K 31K 33221振　动、测　试　与　诊　断 第22卷Α′11=1-m t Ξ2K +jC Ξ;Α′12=j Ξ(m +m t )-jm Ξ3K +jC Ξ;Α′21=j ΞK t +jC ′Ξ+j ΞK +jC Ξ;Α′22=-m Ξ2K t +jC ′Ξ+1-m t Ξ2K t +jC ′Ξ1-m Ξ2K +jC Ξ。

显然,如果假设橡胶弹簧的刚度为无穷大,即K 31=K 32=K 33=∞,则橡胶弹性连接转化为刚性连接,振动系统a 转化为振动系统b 。

由于车身质量作自由振动(F z =0)[1],所以得到振动系统A 中车身加速度z β对路面加速度输入sβ的传递特性为z ¨s ¨=1Α22=　11-(m +m t )Ξ2K t +j ΞC ′+j Ξm -jm m t Ξ3K t +j ΞC ′j ΞK 32+j Ξm t (j ΞK 31-C Ξ2)(K +K 33)j ΞC (K K 31+K K 33+K 31K 33)+K K 31K 33(4)相应的,振动系统b 中车身加速度z β对路面加速度输入sβ的传递特性为z βs β=122=1-m Ξ2K t +jC ′Ξ+1-m t Ξ2K t +jC ′Ξ1-m Ξ2K +jC Ξ(5)2　橡胶元件对悬架振动传递特性的影响通过分析对车身加速度对路面不平度加速度输入的振动传递特性,可以评价振动系统的隔振特性。

图3所示为振动系统a 和振动系统b 的振动传递特性的比较。

由图可知,两种系统的传递特性的形状基本相似,但存在以下明显的差别:图3　振动系统a 和振动系统b 的振动传递特性对比(1)在车身部分固有频率f 0附近,振动系统a 的传递系数小于振动系统b ;(2)在车轮部分的固有频率f t 附近则是振动系统b 的传递系数小于振动系统a ;(3)在频率高于30H z 的高频段,振动系统a 的隔振性能要远远优于振动系统b ,而且改善程度随着频率的升高而愈加显著。

上述的对比结果说明:橡胶弹性支承元件在车身和车轮两部分固有频率附近和高频段都引起了悬架系统隔振特性321第2期张立军等:悬架弹性元件对悬架振动传递特性的影响的明显变化。

从影响结果来看,橡胶弹性元件基本不损害汽车的振动平顺性,却可以大大改善悬架对高频振动的隔离能力,有利于噪声控制。

另外,从曲线2和3可知,橡胶弹性元件的内部阻尼能够使得传递系统进一步降低,但降低的程度很小。

(a )阻尼比对振动系统a 的影响 (b )阻尼比对振动系统b 的影响图4　减振器阻尼对两种系统传递特性的影响比较图4所示为减振器阻尼比对两种系统传递特性的影响比较。

由图中可以看到:对于振动系统b ,阻尼比对降低车身固有频率处共振峰值和降低高频段隔振特性的效应相反,即振动系统b 的振动隔离特性在整个频段对阻尼的变化都很敏感。

而对于振动系统a ,在低于30H z 的低频段内阻尼比对传递特性的影响与振动系统b 相同。

但在更高频段,传递特性与减振器阻尼的变化基本无关。

这说明,悬架系统中的橡胶弹性元件可以降低系统隔振特性在高频段对减振器阻尼变化(例如由于温度变化引起的阻尼变化等)的敏感性,有利于降低对减振器的设计要求。

以上阐述的是悬架中所有橡胶弹性元件对悬架振动特性影响的总体结果,可以为悬架的设计提供参考依据。

为了加深对各个橡胶元件的了解,下面讨论各个橡胶元件对系统特性影响的情况。

3　各个橡胶元件对悬架振动传递特性的影响图5(a )所示为减振器活塞杆与车身之间的橡胶轴衬元件对振动系统的传递特性的影响。

它在车轮固有频率附近及高频段,特别是高频段对系统的传递特性产生影响。

在车轮部分固有频率附近,刚度增大有利于降低峰值;但在高频段,减小橡胶弹簧的刚度有利于改善系统的隔振性能。

图5(b )所示为减振器吊耳橡胶元件对振动系统的传递特性的影响。

从图中可以看出:在整个频率范围内,减振器吊耳橡胶元件的刚度变化对振动系统的传递特性影响很小,可以忽略。

图5(c )所示为螺旋弹簧橡胶衬垫的刚度变化对振动系统的传递特性的影响。

它只对系统在车身部分的固有频率附近的传递特性发生影响,减小螺旋弹簧橡胶衬垫的刚度可以使系统在该频率范围内的传递系数下降。

421振　动、测　试　与　诊　断 第22卷 (a )减振器上端橡胶元件的影响 (b )减振器吊耳的影响 (c )螺旋弹簧橡胶衬垫的影响1——忽略橡胶元件刚度;2——考虑橡胶元件复刚度;3——考虑橡胶元件复刚度(刚度相对2减半)图5　各个悬架橡胶元件对悬架系统振动传递特性的影响综上所述,可以得到以下结论:(1)螺旋弹簧上部橡胶衬垫刚度的变化会引起系统在车身部分固有频率附近传递特性的变化,降低其可以使传递系数下降;(2)影响振动高频段的隔振性能的主要是减振器活塞杆与车身之间的橡胶轴衬元件,降低其刚度可以大大改善高频段的隔振性能,但会稍稍损害车轮固有频率附近的隔振特性;(3)减振器吊耳橡胶元件对振动系统的传递特性影响很小,可以忽略不计。

4　橡胶元件对螺旋弹簧驻波效应的作用实际上,汽车悬架系统中的螺旋弹簧有一定质量,存在驻波效应。

根据四端参数的原理,利图6　螺旋弹簧端部橡胶元件对螺旋弹簧驻波效应的抑制作用用前述振动模型,得到考虑螺旋弹簧的驻波效应时的悬架振动系统的车身加速度对路面加速度输入的幅频特性的仿真计算结果,如图6所示。

由图6可知,在高于一定频率的高频范围内,悬架的螺旋弹簧会发生驻波现象,并对系统的高频段的隔振性能产生不利影521第2期张立军等:悬架弹性元件对悬架振动传递特性的影响响(曲线1)。

但螺旋弹簧端部的橡胶衬垫结构可以有效抑制螺旋弹簧的驻波效应,如果增大橡胶元件的内部阻尼系数,驻波峰值将进一步下降(曲线2和3),但该橡胶元件会导致驻波峰值频率的变化。

5　结　论在线性假设的条件下,通过上述分析研究,关于橡胶元件对悬架振动传递特性的影响主要得到以下结论:(1)悬架系统中橡胶元件的综合作用效果为:减小在车身部分固有频率附近的传递系数;增大在车轮部分的固有频率附近的传递系数;明显改善在频率高于30H z的高频段的隔振性能,而且改善程度随着频率的升高而愈加显著,有利于隔离高频固体波动。

(2)在通常讨论汽车振动平顺性的频段(即低于30H z)内,橡胶元件不改变减振器阻尼对传递特性的影响作用。

但在更高频段,橡胶元件使得系统的隔振特性不受减振器阻尼变化的影响。

(3)螺旋弹簧上部橡胶衬垫可以降低系统在车身部分固有频率附近的传递特性,而且刚度越小越有利。

(4)影响振动系统高频段的隔振性能的主要是减振器活塞杆与车身之间的橡胶轴衬元件,降低减振器活塞杆与车身之间的橡胶轴衬元件的刚度可以大大改善高频段的隔振性能。