發(fā)動(dòng)機(jī)液壓懸置隔振技術(shù)

1、 吉林大學(xué)植物科學(xué)院吉林大學(xué)植物科學(xué)院 梁天也梁天也v概述概述 v發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的基本要求發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的基本要求 v發(fā)動(dòng)機(jī)懸置發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧發(fā)動(dòng)機(jī)懸置發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧 v液壓懸置的發(fā)展研究方向液壓懸置的發(fā)展研究方向 v液壓懸置結(jié)構(gòu)、工作原理及靜動(dòng)液壓懸置結(jié)構(gòu)、工作原理及靜動(dòng)特性分析特性分析 汽車發(fā)展之初，動(dòng)力總成是直接用螺栓剛性連接到車架上的，振動(dòng)是直接傳遞的。這既嚴(yán)重影響了汽車的乘坐舒適性，又會(huì)引起動(dòng)力總成部件如曲軸箱和發(fā)動(dòng)機(jī)支架的破壞3。到上世紀(jì)初，制造商們開(kāi)始采用柔性件如皮革、布?jí)|等連接動(dòng)力總成和車架。以后又采用了橡膠減振件。 一、概述發(fā)動(dòng)機(jī)懸置：即連接發(fā)動(dòng)機(jī)與車架間的支撐體。 汽車的舒適性（即

2、NVH性）是汽車、特別是轎車的主要性能指標(biāo)。如何有效地隔離發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)向車架（身）的傳遞，是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。幾種典型的橡膠懸置橡膠懸置動(dòng)剛度2二、二、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的基本要求發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的基本要求 基本要求基本要求 v固定并支承發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成靜重，即有足夠的剛度v雙向隔振作用 v耐油性好，耐臭氧，耐腐蝕性氛氣 v具有耐溫度的工作穩(wěn)定性 v具有安全保護(hù)功能，能保護(hù)動(dòng)力總成 理想的動(dòng)特性要求理想的動(dòng)特性要求 要求懸置具有較大剛性以支承發(fā)動(dòng)機(jī)靜重和輸出大的扭矩。懸置在低頻下具有大阻尼、高動(dòng)剛度特性，以衰減汽車啟動(dòng) 、制動(dòng)、換檔，以及急加速、 減速等過(guò)程中因發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng)引起的動(dòng)力總成低頻振動(dòng)；

3、懸置應(yīng)在712Hz范圍內(nèi)具有較大阻尼，以迅速衰減因路面、輪胎激勵(lì)引起的動(dòng)力總成的低頻振動(dòng)，懸置應(yīng)在25Hz附近具有較低的動(dòng)剛度，以衰減怠速振動(dòng)，懸置在高頻范圍內(nèi)（50Hz），具有小阻尼、低動(dòng)剛度特性，以降低振動(dòng)傳遞率，提高降噪效果。 從上述看到，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的要求很復(fù)雜，有些要求之間互相矛盾。僅傳統(tǒng)橡膠懸置是無(wú)法滿足這一要求的，液壓懸置較好的滿足了這一要求。 最早的汽車是由蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，于1787年美國(guó)伊文思發(fā)明的，后來(lái)18011803年英國(guó)人特里維西克建造了蒸汽汽車，當(dāng)時(shí)汽車沒(méi)有彈性懸架，車軸直接連于車架，蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)直接與車架連接，也沒(méi)有變速箱。 自1846年內(nèi)燃機(jī)由德國(guó)和法國(guó)制成后，裝用內(nèi)燃

4、機(jī)仍是直接連于車架，用螺栓連接。到后來(lái)，開(kāi)始使用布?jí)|、皮革作襯墊。 19251935年間，四缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用，而四缸發(fā)動(dòng)機(jī)平衡性較差，存在著嚴(yán)重的二階慣性力和二階扭矩波動(dòng)。制造廠才意識(shí)到把汽車舒適性同發(fā)動(dòng)機(jī)懸置隔振性能優(yōu)劣聯(lián)系起來(lái)。設(shè)計(jì)制造了各種各樣的橡膠懸置元件。 橡膠懸置元件直到現(xiàn)在仍是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的首選元件。因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝制造容易，被輕卡、中卡、重卡的普遍采用。由于其性能的局限，在轎車中使用受到了影響，近幾年出現(xiàn)的液壓懸置有取代傳統(tǒng)橡膠懸置趨勢(shì)。 從汽車的發(fā)展歷史中可以清晰地看出發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔離技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，傳統(tǒng)的橡膠懸置已無(wú)法滿足汽車多工況、寬頻帶的減振降噪要求

5、；液壓懸置的出現(xiàn)彌補(bǔ)了橡膠懸置的不足。 國(guó)外有關(guān)液壓懸置的研究始于上世紀(jì)70年代，它一經(jīng)面世便受到各國(guó)汽車生產(chǎn)廠家及用戶的歡迎和認(rèn)可，各大汽車公司紛紛開(kāi)發(fā)出了適合自己車型的具有100%知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液壓懸置產(chǎn)品。并已形成商品化供應(yīng)，有專業(yè)配套廠系列化生產(chǎn)，根據(jù)主機(jī)廠提供的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和液壓懸置的剛度、阻尼參數(shù)，專業(yè)配套廠組織設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，或從標(biāo)準(zhǔn)化系列產(chǎn)品中選擇合適的液壓懸置。到80年代末期，國(guó)外 有關(guān)這一技術(shù)已基本成熟。并已形成設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)以及CAD/CAM一體化技術(shù)。 國(guó)內(nèi)有關(guān)液壓懸置研究起步較晚，于上世紀(jì)90年代初，可以說(shuō)是從一汽Audi 100轎車技術(shù)引進(jìn)及國(guó)產(chǎn)化技術(shù)開(kāi)發(fā)工作而展開(kāi)的。1

6、962年，美國(guó)通用汽車公司的Richard Rasmussen率先申請(qǐng)了液壓懸置的專利。從70年代末開(kāi)始，世界各大汽車企業(yè)相繼開(kāi)展了液壓懸置的研究和應(yīng)用。1979年德國(guó)Audi的公司率先在Audi五缸發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用了液壓懸置。之后僅幾年時(shí)間，美國(guó)、日本、法國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家都設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了液壓懸置。國(guó)外液壓懸置經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)易到復(fù)雜，由被動(dòng)式液壓懸置發(fā)展到半主動(dòng)式和主動(dòng)式液壓懸置階段?，F(xiàn)已形成了多種類的液壓懸置產(chǎn)品(見(jiàn)下圖)。國(guó)內(nèi)外這一領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容包括：v 液壓懸置元件的研究v 動(dòng)力總成-液壓懸置系統(tǒng)對(duì)整車振動(dòng)和噪聲水平 影響的研究 被動(dòng)式液壓懸置元件的研究主要集中在三個(gè)方面：v合理地設(shè)計(jì)橡

7、膠主簧的結(jié)構(gòu)和形狀，以改善橡膠主簧內(nèi)部的應(yīng)力分布，提高其疲勞壽命，或者獲得合理的剛度特性組合（垂向剛度、體積剛度）。v研究有不同結(jié)構(gòu)的液壓懸置的動(dòng)剛度和阻尼的頻率特性，并研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)特性的影響規(guī)律。 v針對(duì)不同車型和具有不同轉(zhuǎn)速特性的發(fā)動(dòng)機(jī)，以力傳遞率或位移傳遞率在某一頻段內(nèi)最小為目標(biāo)，優(yōu)化液壓懸置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。 雖然被動(dòng)式液壓懸置的性能相對(duì)于傳統(tǒng)的橡膠懸置有了很大的提高，但還存在一些缺點(diǎn)，這正是人們研究開(kāi)發(fā)半主動(dòng)式、主動(dòng)式液壓懸置的原因。從1983年世界上首次應(yīng)用半主動(dòng)式液壓懸置以來(lái)，德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家對(duì)半主動(dòng)控制式液壓懸置隔振技術(shù)開(kāi)展了深入的研究，并開(kāi)發(fā)出了多種采用不同控

8、制方式的液壓懸置。 半主動(dòng)式液壓懸置又可稱為“可調(diào)式”液壓懸置。利用傳感器采集車體和（或）發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度和（或）位移信號(hào)，當(dāng)它們超出設(shè)定的閾值后，激發(fā)作動(dòng)器，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)，優(yōu)化動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)最佳減振降噪的目的 。 其控制方式通常有以下幾種： 控制節(jié)流孔的開(kāi)度 控制液柱共振通道的關(guān)閉 控制節(jié)流通道的長(zhǎng)度 用電流變液體作為工作介質(zhì) 為了進(jìn)一步提高液壓懸置的隔振水平，從80年代末，人們開(kāi)展了主動(dòng)控制式液壓懸置的研究。 主動(dòng)式液壓懸置利用動(dòng)力消振技術(shù)，理論上可使車架振動(dòng)響應(yīng)為零。 下圖為一種用壓電作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的液壓懸置，可以完全消除怠速時(shí)四缸機(jī)二階不平衡慣性力產(chǎn)生的位移。它采集與車架連接處的

9、位移（或加速度）信號(hào)作為差值信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)作用給壓電作動(dòng)器。壓電作動(dòng)器是一個(gè)由多層陶瓷和電極相互交錯(cuò)組成的柱狀體，在電壓的作用下，產(chǎn)生一個(gè)很小的、與差值信號(hào)反相的位移信號(hào)（10m，長(zhǎng)度越大，產(chǎn)生的位移就越大）經(jīng)圖示的液體幅值放大機(jī)構(gòu)可以放大至0.050.1mm，從而完全消除振動(dòng)。壓電作動(dòng)器響應(yīng)快，有著廣闊的應(yīng)用前景 。 主動(dòng)控制式液壓懸置要求系統(tǒng)響應(yīng)快。作動(dòng)器功率消耗大，價(jià)格昂貴，因而正處于研究期間，鮮有應(yīng)用實(shí)例。 國(guó)內(nèi)對(duì)液壓懸置的研究始于上世紀(jì)90年代初。從那時(shí)起，原吉林工業(yè)大學(xué)汽車學(xué)院對(duì)液壓懸置進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，取得了一些成果。 如下圖所示為全順輕型客車動(dòng)力總成縱置，采用三點(diǎn)支

10、承，前兩點(diǎn)采用液壓懸置，后點(diǎn)采用橡膠懸置。液壓懸置類型為帶補(bǔ)償孔的被動(dòng)式慣性通道-解耦盤式液壓懸置，以下簡(jiǎn)稱“全順液壓懸置”，本節(jié)就其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行較詳細(xì)的分析。 1 41 51 61 01 31 21 1897465312XZ上下Yo1 聯(lián)接螺柱2 金屬骨架3 橡膠主簧4 緩沖限位盤5 解耦盤6 慣性通道入口7 慣性通道體上半部分8 慣性通道9 慣性通道體下半部分10 底膜 11 底座12 安裝定位銷13 聯(lián)接螺栓14 空氣室15 氣孔16 補(bǔ)償孔 液壓懸置的結(jié)構(gòu)和工作原理分析 目前，液壓懸置的的結(jié)構(gòu)形式很多，但這些懸置基本的結(jié)構(gòu)和功能是一致的。典型的液壓懸置具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：q 具有橡

11、膠主簧，以承受靜載和動(dòng)載荷。同時(shí)具有過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)。q 至少有兩個(gè)獨(dú)立的液室，能使液體在它們之間流動(dòng)。q 兩液室之間有能產(chǎn)生阻尼作用的孔或慣性通道。對(duì)于有解耦作用 的液壓懸置，還應(yīng)有解耦盤或解耦膜。本文的研究對(duì)象還包含補(bǔ) 償孔。 q 液壓懸置內(nèi)部有液體工作介質(zhì)，有些多室式液壓懸置內(nèi)部還有氣 室。q 液室與外部應(yīng)有良好、可靠的密封。研究表明，液壓懸置主工作q 腔內(nèi)部最高能達(dá)到3個(gè)大氣壓，任何泄露都將導(dǎo)致液壓懸置的性能 q 的降低甚至失效。q 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析q彈性支承部分 q液壓減振部分 q液壓懸置的密封 q 工作原理工作原理 當(dāng)橡膠主簧承受動(dòng)態(tài)載荷上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生類似于活塞的泵吸作用。當(dāng)液壓懸置

12、受到低頻、大振幅的激勵(lì)時(shí)，如果橡膠主簧被壓縮，上腔體積減小，壓力升高，迫使液體流經(jīng)慣性通道被壓入下腔；如果橡膠主簧被拉伸，上腔體積增大，壓力減小，下腔內(nèi)液體流經(jīng)慣性通道被吸入上腔。這樣，液體經(jīng)慣性通道在上、下腔之間往復(fù)流動(dòng)。當(dāng)液體流經(jīng)慣性通道時(shí)，慣性通道內(nèi)液柱慣性很大，在慣性通道的出、入口處為克服慣性通道內(nèi)液柱的慣性損失了大量的能量，稱之為 “慣性能量損失”。它使得液壓懸置能很好地耗散振動(dòng)能量，從而達(dá)到衰減振動(dòng)的目的。 由于橡膠主簧有一定的體積剛度，在壓力增加時(shí)，會(huì)膨脹變形，占用一部分液體體積；同時(shí)，有一小部分液體經(jīng)解耦通道、補(bǔ)償孔流入下腔，這兩個(gè)旁流對(duì)低頻大振幅振動(dòng)時(shí)的慣性能量損失有一定的負(fù)

13、影響。 在高頻小振幅的激勵(lì)下，慣性通道內(nèi)液柱的慣性很大，液柱幾乎來(lái)不及流動(dòng)。此時(shí)，由于解耦盤在小變形時(shí)剛度特別小，解耦通道內(nèi)的液柱與解耦盤高速振動(dòng)，上下腔的壓力克服解耦通道內(nèi)液柱的慣性力而使得液柱具有的動(dòng)能在解耦通道的入口和出口處被損失掉了。從而可以降低液壓懸置高頻動(dòng)剛度，消除動(dòng)態(tài)硬化。 解耦盤慣性通道式液壓懸置如下圖所示。特性實(shí)驗(yàn)是在吉林工業(yè)大學(xué)測(cè)試中心引進(jìn)德國(guó)SCHENCK公司生產(chǎn)的高頻電液伺服激振系統(tǒng)上進(jìn)行的。測(cè)定了液壓懸置的靜剛度、動(dòng)剛度和損耗角。試驗(yàn)溫度為1520C。在測(cè)量靜剛度，關(guān)鍵是要保證液壓伺服系統(tǒng)對(duì)試件加載和卸要相當(dāng)緩慢，變形速度不得超過(guò)1mm/min。按圖65將液壓懸置安裝

14、在激振試驗(yàn)臺(tái)上，經(jīng)調(diào)整使其中心線與加載力的的軸線重合，并保證夾具的水平，使力傳感器2不受附加彎距和剪力影響。X向靜剛度為53.6N/mm，Y向靜剛度為76.8N/mm，Z方向靜剛度，當(dāng)壓力F小于額定載荷1400N時(shí)，靜剛度Kst=165N/mm，當(dāng)F1400N時(shí)， Kst=428N/mm。 液壓懸置的特性主要表現(xiàn)在Z方向上，其它方向與橡膠懸置只是差不多，因此這里只注重Z方向的動(dòng)剛度。對(duì)液壓懸置的特性可有不同的參數(shù)表征，這些參數(shù)為復(fù)剛度K，動(dòng)剛度Kd，滯后角和力傳遞率TRF。懸置上端為諧波輸入時(shí)，復(fù)剛度為輸入力與輸入端位移之比： 力傳遞率為傳遞到液壓懸置固定端力的幅值與輸入力的幅值之比： 復(fù)剛度

15、可用動(dòng)剛度Kd和滯后角表示： 動(dòng)剛度Kd和滯后角是液壓懸置動(dòng)特性最常用的表征參數(shù)： 我們這里用的就是動(dòng)剛度Kd和滯后角，測(cè)試并處理每一頻率下的遲滯回線，如圖66所示，由圖66計(jì)算復(fù)剛度K、動(dòng)剛度Kd和損耗因子的公式如下： BCDA( a )( b )圖66 遲滯回線示意圖及剛度阻尼關(guān)系圖圖67為其動(dòng)特性曲線 實(shí)車測(cè)試進(jìn)行了解耦式液壓懸置樣件和原車的德國(guó)進(jìn)口液壓懸置的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試是在長(zhǎng)春汽車研究所進(jìn)行的。工況為原地駐車工況，采用加速度傳感器，通過(guò)測(cè)量懸置上下處加速度的大小來(lái)反映該懸置的隔振能力，通過(guò)測(cè)定司機(jī)耳旁處噪聲水平來(lái)說(shuō)明該懸置的降噪能力。 測(cè)試對(duì)象為CA7220轎車，試驗(yàn)轎車停在水平路面

16、上，變速器為空檔，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷俚?000r/min，試驗(yàn)時(shí)無(wú)外界干擾。由脈沖表測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，加速度傳感器拾取各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，測(cè)試框圖如圖68所示。 圖69為原CA7220轎車德國(guó)進(jìn)口液壓懸置上下連接處的加速度響應(yīng)曲線，圖610為所研制的解耦式液壓懸置上下連接處的加速度的響應(yīng)曲線。圖611為噪聲測(cè)試結(jié)果。比較上兩圖可知，新懸置在隔振降噪方面均優(yōu)于原德國(guó)進(jìn)口的液壓懸置，這也表明新開(kāi)發(fā)的液壓懸置完全能替代進(jìn)口件。 圖69 原車液壓懸置實(shí)車測(cè)試結(jié)果0102030405060900190029003900n(r/min)a(m/s2)左懸置上左懸置下01020304050900190029003900n(