發(fā)動機(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)動機(jī)懸置的基本要求發(fā)動機(jī)懸置的基本要求 v發(fā)動機(jī)懸置發(fā)展的簡要回顧發(fā)動機(jī)懸置發(fā)展的簡要回顧 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)、工作原理及靜動液壓懸置結(jié)構(gòu)、工作原理及靜動特性分析特性分析 汽車發(fā)展之初，動力總成是直接用螺栓剛性連接到車架上的，振動是直接傳遞的。這既嚴(yán)重影響了汽車的乘坐舒適性，又會引起動力總成部件如曲軸箱和發(fā)動機(jī)支架的破壞3。到上世紀(jì)初，制造商們開始采用柔性件如皮革、布墊等連接動力總成和車架。以后又采用了橡膠減振件。 一、概述發(fā)動機(jī)懸置：即連接發(fā)動機(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)動機(jī)的振動向車架（身）的傳遞，是汽車設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。幾種典型的橡膠懸置橡膠懸置動剛度2二、二、發(fā)動機(jī)懸置的基本要求發(fā)動機(jī)懸置的基本要求 基本要求基本要求 v固定并支承發(fā)動機(jī)動力總成靜重，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)動力總成 理想的動特性要求理想的動特性要求 要求懸置具有較大剛性以支承發(fā)動機(jī)靜重和輸出大的扭矩。懸置在低頻下具有大阻尼、高動剛度特性，以衰減汽車啟動 、制動、換檔，以及急加速、 減速等過程中因發(fā)動機(jī)輸出扭矩波動引起的動力總成低頻振動；

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、輪胎激勵引起的動力總成的低頻振動，懸置應(yīng)在25Hz附近具有較低的動剛度，以衰減怠速振動，懸置在高頻范圍內(nèi)（50Hz），具有小阻尼、低動剛度特性，以降低振動傳遞率，提高降噪效果。 從上述看到，對發(fā)動機(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，于1787年美國伊文思發(fā)明的，后來18011803年英國人特里維西克建造了蒸汽汽車，當(dāng)時汽車沒有彈性懸架，車軸直接連于車架，蒸汽發(fā)動機(jī)直接與車架連接，也沒有變速箱。 自1846年內(nèi)燃機(jī)由德國和法國制成后，裝用內(nèi)燃

4、機(jī)仍是直接連于車架，用螺栓連接。到后來，開始使用布墊、皮革作襯墊。 19251935年間，四缸直列發(fā)動機(jī)廣泛應(yīng)用，而四缸發(fā)動機(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。制造廠才意識到把汽車舒適性同發(fā)動機(jī)懸置隔振性能優(yōu)劣聯(lián)系起來。設(shè)計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)動機(jī)懸置的首選元件。因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，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。 從汽車的發(fā)展歷史中可以清晰地看出發(fā)動機(jī)振動的隔離技術(shù)的發(fā)展過程，傳統(tǒng)的橡膠懸置已無法滿足汽車多工況、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發(fā)出了適合自己車型的具有100%知識產(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)計開發(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，國外 有關(guān)這一技術(shù)已基本成熟。并已形成設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)以及CAD/CAM一體化技術(shù)。 國內(nèi)有關(guān)液壓懸置研究起步較晚，于上世紀(jì)90年代初，可以說是從一汽Audi 100轎車技術(shù)引進(jìn)及國產(chǎn)化技術(shù)開發(fā)工作而展開的。1

6、962年，美國通用汽車公司的Richard Rasmussen率先申請了液壓懸置的專利。從70年代末開始，世界各大汽車企業(yè)相繼開展了液壓懸置的研究和應(yīng)用。1979年德國Audi的公司率先在Audi五缸發(fā)動機(jī)上應(yīng)用了液壓懸置。之后僅幾年時間，美國、日本、法國、韓國等國家都設(shè)計開發(fā)了液壓懸置。國外液壓懸置經(jīng)過多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)由簡易到復(fù)雜，由被動式液壓懸置發(fā)展到半主動式和主動式液壓懸置階段?，F(xiàn)已形成了多種類的液壓懸置產(chǎn)品(見下圖)。國內(nèi)外這一領(lǐng)域的研究內(nèi)容包括：v 液壓懸置元件的研究v 動力總成-液壓懸置系統(tǒng)對整車振動和噪聲水平 影響的研究 被動式液壓懸置元件的研究主要集中在三個方面：v合理地設(shè)計橡

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)的液壓懸置的動剛度和阻尼的頻率特性，并研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動特性的影響規(guī)律。 v針對不同車型和具有不同轉(zhuǎn)速特性的發(fā)動機(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)。 雖然被動式液壓懸置的性能相對于傳統(tǒng)的橡膠懸置有了很大的提高，但還存在一些缺點(diǎn)，這正是人們研究開發(fā)半主動式、主動式液壓懸置的原因。從1983年世界上首次應(yīng)用半主動式液壓懸置以來，德國、美國、法國、英國等國家對半主動控制式液壓懸置隔振技術(shù)開展了深入的研究，并開發(fā)出了多種采用不同控

8、制方式的液壓懸置。 半主動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)動機(jī)的加速度和（或）位移信號，當(dāng)它們超出設(shè)定的閾值后，激發(fā)作動器，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)，優(yōu)化動特性，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)流孔的開度 控制液柱共振通道的關(guān)閉 控制節(jié)流通道的長度 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，人們開展了主動控制式液壓懸置的研究。 主動式液壓懸置利用動力消振技術(shù)，理論上可使車架振動響應(yīng)為零。 下圖為一種用壓電作動器實(shí)現(xiàn)主動控制的液壓懸置，可以完全消除怠速時四缸機(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）信號作為差值信號產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號作用給壓電作動器。壓電作動器是一個由多層陶瓷和電極相互交錯組成的柱狀體，在電壓的作用下，產(chǎn)生一個很小的、與差值信號反相的位移信號（10m，長度越大，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。壓電作動器響應(yīng)快，有著廣闊的應(yīng)用前景 。 主動控制式液壓懸置要求系統(tǒng)響應(yīng)快。作動器功率消耗大，價格昂貴，因而正處于研究期間，鮮有應(yīng)用實(shí)例。 國內(nèi)對液壓懸置的研究始于上世紀(jì)90年代初。從那時起，原吉林工業(yè)大學(xué)汽車學(xué)院對液壓懸置進(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)償孔的被動式慣性通道-解耦盤式液壓懸置，以下簡稱“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特點(diǎn)：q 具有橡

11、膠主簧，以承受靜載和動載荷。同時具有過載保護(hù)結(jié)構(gòu)。q 至少有兩個獨(dú)立的液室，能使液體在它們之間流動。q 兩液室之間有能產(chǎn)生阻尼作用的孔或慣性通道。對于有解耦作用 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)橡膠主簧承受動態(tài)載荷上下運(yùn)動時，產(chǎn)生類似于活塞的泵吸作用。當(dāng)液壓懸置

12、受到低頻、大振幅的激勵時，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。當(dāng)液體流經(jīng)慣性通道時，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能量，從而達(dá)到衰減振動的目的。 由于橡膠主簧有一定的體積剛度，在壓力增加時，會膨脹變形，占用一部分液體體積；同時，有一小部分液體經(jīng)解耦通道、補(bǔ)償孔流入下腔，這兩個旁流對低頻大振幅振動時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下，慣性通道內(nèi)液柱的慣性很大，液柱幾乎來不及流動。此時，由于解耦盤在小變形時剛度特別小，解耦通道內(nèi)的液柱與解耦盤高速振動，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剛度，消除動態(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)測試中心引進(jìn)德國SCHENCK公司生產(chǎn)的高頻電液伺服激振系統(tǒng)上進(jìn)行的。測定了液壓懸置的靜剛度、動剛度和損耗角。試驗(yàn)溫度為1520C。在測量靜剛度，關(guān)鍵是要保證液壓伺服系統(tǒng)對試件加載和卸要相當(dāng)緩慢，變形速度不得超過1mm/min。按圖65將液壓懸置安裝

14、在激振試驗(yàn)臺上，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，靜剛度Kst=165N/mm，當(dāng)F1400N時， 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方向的動剛度。對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，動剛度Kd，滯后角和力傳遞率TRF。懸置上端為諧波輸入時，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、可用動剛度Kd和滯后角表示： 動剛度Kd和滯后角是液壓懸置動特性最常用的表征參數(shù)： 我們這里用的就是動剛度Kd和滯后角，測試并處理每一頻率下的遲滯回線，如圖66所示，由圖66計算復(fù)剛度K、動剛度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為其動特性曲線 實(shí)車測試進(jìn)行了解耦式液壓懸置樣件和原車的德國進(jìn)口液壓懸置的對比實(shí)驗(yàn)。測試是在長春汽車研究所進(jìn)行的。工況為原地駐車工況，采用加速度傳感器，通過測量懸置上下處加速度的大小來反映該懸置的隔振能力，通過測定司機(jī)耳旁處噪聲水平來說明該懸置的降噪能力。 測試對象為CA7220轎車，試驗(yàn)轎車停在水平路面

16、上，變速器為空檔，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速到4000r/min，試驗(yàn)時無外界干擾。由脈沖表測試發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，加速度傳感器拾取各測試點(diǎn)的振動信號，測試框圖如圖68所示。 圖69為原CA7220轎車德國進(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)于原德國進(jìn)口的液壓懸置，這也表明新開發(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)車測試結(jié)果0102030405060900190029003900n(r/min)a(m/s2)左懸置上左懸置下01020304050900190029003900n(