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1、2( X )1年(第2 3卷)第5期汽车_工程Autom oti祀Eng in e erin g2仪)1(Vol23)No. 520 ( )10 80汽车动力总成液阻型橡胶隔振器的研究发展王 利荣吕振华(清华大学,汽车安全与节能 国家重点实验室)I摘要I本文对被动式液阻型橡胶悬置及动力 总成一液阻悬置系统的设计分析方法和研究 成果进行了较系统的述评和总结.首先介绍了汽车动力总成液阻悬置的应用概况,总结、阐述了汽车动力总成悬置系统所要求的理想隔振特性。然后综述了节流孔型、惯性通道型、惯性通道一固定解藕膜型、惯性通道一活动解藕膜型等典型被动式液阻悬置元件的结构 原理、集中参数模型、动态特性及其参数
2、设计分析结果,同时综述了动力总成一液阻悬置系统隔振生能研究概况及设计分析方法,其 中着重介绍了德国Fr eu de nb er g公司、美国O hi n州 立大学、日本Ni s san公司等主要研究者的研究工作及结果。叙词:液阻悬置动力 总成隔振综 述ASurveyofResea rchandDevelPm entofHydraulicallyDamPedRubberMou ntof Auto r口otivePowe rtrainWangUrong在高频域具有小阻 尼、低动刚度 的特性,可在较宽频带内克服橡胶主弹簧的动态硬 化效应,显著地扩大动力总成悬置系 统 的有效隔振频率范围,因此可较好地
3、隔离动力总成的高频振动、降低汽车在 高 速行驶中 的车内振动 和 噪声(尤其是B oo而ng声 )、改善汽车的乘坐舒适性。自2 0世纪8 0年代开始,世 界各大 汽 车公司和研究机构竞相研究开发HDM,使之得到了迅速 的发展,现已成为 汽车动 力总成的 主要隔振技 术之一。德国是较早进行HDM设计研究和 开发应用的国家,早在19 79年即已开发了三种可 用于 五缸和六缸 发动机动力总成的Au di /B Og e、Freude nb er g、Aud il l悬置 系 统,首先由Au di公司 在Au di五 缸otto发动机上安装使用。198 1年Por sche94 4运动型轿车安装了HD
4、M,有效地降低了车 内噪声、提高了乘坐舒适性。198 4年E sc an公司和Fr eu de nb e r g一Meg u la st ik公司联合开 发 了惯性通 道一固定 解祸膜型HDM,应用 于一 种FR式汽车的直列6缸 汽油机悬置系 统。1 98 5年Da in i le r一B en z公司为19 0 /190E、2 01、1 24系 列轿车开发了HDM,进行了悬置惯性通道长度、截面积和橡胶硬度等参数优化设计分析,结果有效地衰减了地面激励引起的动力总成低频振动。198 8年Au diV S发动机的所有悬置均采用HDM。美 国GM 公司于198 5年开始在所有装有A型和X型车身 的四
5、缸和 六缸 发 动机动 力总成悬置系 统 中采用液阻悬置,从此HDM 开 始 在 美 国 汽车上推广应用。同年,Fo rd汽车公司也在Supe rc ab轻型货车动力总成悬置系统中采用 液阻悬置,从此H DM由高级轿车向其它类型 的汽车普 及。此 外,液 阻悬置的应用 范围也不断扩大,它己被 开始应 用于 汽车车轮独立悬架导向机构 的连 接 元 件、车身及驾驶室悬置等重要的 隔 振 系 统;同时,它不仅作 为标准部件在轿车. 仁普及,并且开始在客车、货车及其它车型以及包括船舶、飞机等在 内 的移动式机械及动力机械上得到应用。HDM经历了不断发展和完善的过程。现在应用 的HDM 有惯性通 道型、
6、惯性通道一固定解藕膜型、惯性通道一活 动 解祸膜型等,随着其性能趋于完善,结构则 趋于复 杂。被 动式液阻悬置具有结构相对较简单、安装简便、成本低、可以在 一 定 频段内显著提高汽车乘坐舒适性等优点,但为 了进一步提高动力总成悬置 的 隔振性能、满足 汽车在各种 运 行工况下 的隔振要求,在国际上先后 又 出现了半主动控制式和主动控制式液阻悬置。半主 动控制式液阻悬置可以根据汽车的运行 工况 实时 调 节悬置的结构参数来调谐其动态特性,可实现广谱隔 振、减振、降噪性能,获得优于 被动 式 液 阻悬置的隔振性能。但由于半主动式液 阻悬置较被动式液 阻悬置增加了控制单元和执行机构,存在结构较复杂、
7、成本高、占用空 间大等问题,还没有被广泛采用。主动控制 式 液阻悬置则是通过作动器直接产生动态力以抵销作用在悬置上 的振动力,使在发动机和车体间传递的动态力大大减小,从而可获得最佳隔振效果。主动控制式液阻悬置响应速度快,其隔振性能比半主动控制式液 阻悬 置更好,但存在系 统复杂、功率消 耗大、成本高、可靠性较低、安装不便等缺 点,在实车上还很少实用。被动式液阻悬置发展至今已趋于成熟并得到 广泛的应用,本文对其结构原理、隔振特性及研究发展概况进行较系统地述评,以期为我国液阻悬置的研究和开发提供借鉴。2动力总成悬置的理想隔振特性2.1动力 总成悬置系统要解决的主要振动问题(l )降低从动力总成传递
8、到车架的稳 态振 动。在 汽车行驶中及停车怠 速运转时,往复式内燃机的不平衡旋转质量和平移质量产 生 的不平衡惯性力入刃1年(第2 3卷)第5期车_l(力 矩 )和扭 矩波动 的低阶 (主)谐量 激起动力总成在悬 置上 的刚体振动,使动力总成在 怠 速 工 况易 发生 较 强 的低频振动,在高频区(5 0一20 ( )Hz ) 易 引起车内的空鸣声.对于轿车常 用 的四缸 发 动机,所产生 的对动力总成的振动激励 主要是 不平衡惯性力 和气压扭矩波动的二阶主谐量 (1 6一4 0Hz )。而车 体的 主要弯曲 振 动模态频率 一般在2 0一4 0Hz范围内,所以怠速 时易 引起车体的共振。(
9、2 ) 隔离因汽车底盘受不平路 面和 不 平衡车轮激励的稳态(随机)振动 向动力总成的传递,消 减 动力总成的低频抖动 (6一12Hz)。(3 )降低在发动机启动、熄火 时和汽车加速、换挡、转弯、减速、制动等稳态工况一动力总成的瞬态振动及其向车身的传递,同 时隔 离车轮所受 路面冲击引起的动力总成的瞬态振动。2 .2动力总成悬置系统隔振作用及性能的评价手旨际(l ) 消减动力总成 的低频振动(2 ) 消减在 发动机工作转速范围 内的车内噪声(3 )同时 消减发 动机多 阶次激励引起的振 动( 4 )消减在 发动机启动、熄火 时和汽车加 速、减速时动力总成的瞬态振动(5 ) 在 汽车常用 环境条
10、件 和 在各种运 行 工况下保持悬置 隔振性能 的稳定性2 .3液阻悬置应具有的理想动态特性!”(l )阻尼频变特性如图1( a )所示,低频 (小 于30Hz ) 时要求大 阻 尼,以衰减 发动机或地面激 励 引起动力 总 成发 生 共 振 时 的 振 幅;高频时(5 0一2 00Hz )要 求小 阻尼,以提 高悬 置 系 统 的 隔 振 效果。( 2 )阻尼幅变特性如图l (b )所示,大振 幅 时要求大 阻尼,用于耗散振动能量,减小振 幅;小 振 幅时要求小阻尼,有利于提高悬置的 隔振效果。(3 )动刚度频 变特性如图1( c)所示,低频时要求大动刚度、大阻 尼,以降低在发动 机启动、熄
11、火 时和 汽车加速、换挡、转弯、减 速、制动以及 受到 路面冲击 时动力总成 的瞬态振动,以及 减 小 发 动 机与车架 间的相对行程;高频 时要求小动 刚度、小阻尼、以降低振动传递率。(4 ) 刚 度 幅 变特性 (非线 性 弹性特 性 )如 图1( d )所示,小振幅时要求小动刚度,大振 幅 时要求大动 刚 度。另 外,悬置 的静刚 度 不 应 有 突变,即其变形 随载荷变化要 平 滑,如 图1( e ) 所示。 匕但褥匕侧因拐,、_何匕一-二巨叫国巨叫国频率( a) 阻尼一频率曲线位移幅值( b ) 阻尼一幅值曲线频率( c )动刚度一频率曲线位移幅值( d )动刚度一幅值曲线变形( e
12、 )载荷一变形曲线 传统的橡胶悬置特性,-一理想的悬置特性图1动力总成悬置的理想特性曲线总之,只有通过合理地 调节悬置 的阻尼、刚度的频率较高时,惯性通 道 中液体的 流动减弱,阻 尼作频变和幅变特性,才能使动力总成一悬置 系 统获得用不显著,橡胶解祸膜则在上 液 室 液体压力 的作 用很好的隔振效果。下产生动态变 形,降低悬 置的动刚度,提 高高频 隔振性能。对于 节流孔 型 液阻悬置,主要 是 通过节流3被动式液阻悬置结构原理和动特性阻尼达到 减 振作用.对于惯性通 道一活动解藕膜分析研究型液阻悬置,其惯性通 道 与上述惯性通道一固定解藕膜型液 阻悬置 中 的惯性通 道 的作用 相 同,而
13、其解3.1典型HDM结构和工作原理分析祸膜则还可以产生微小的轴向 刚体振动位移,更 有几种典型的液阻悬置结构如图2所示。惯性通利 于降低 悬置的高频动刚度。道一固定 解藕膜型 液 阻 悬置 上、下液室 中充满液3 .2液阻悬置动态特性研究体,当悬置受 到来自发动机或车架的振动激励 时,3.2.1节流孔型和惯性 通道 型液 阻悬置橡胶主簧产生动态变形,上液室中的 液体压力发 生节流孔 型液 阻悬置是液阻悬置的初期型式,它很波动。当激 振频率较低时,液体可以通过惯性通 道快被惯性通道 型液阻悬 置所替代。在上、下 液 室 间流动,惯性通道中液体的 振动惯性美国助r d公司、日本Niss an公司和
14、Ge no印力产生 的阻尼作用可起到显著的减振作用;当激励技术中心分别 于1 98 5、1 98 6和1 99 5年研究了惯性汽车工程勿 以)1年(第2 3卷)第5期橡胶主簧节流孔惯性通道人、出口( a )节流孔型( b )惯性通道 型发动机端支架限位板 液流环隙上液室惯性通道特性的计算,分析了惯性通道的长度、横截面积及解藕膜的硬度对悬置的最大动刚度、阻 尼 及其变化范围的影响,同时讨论了上液室压力振动幅值对惯性通道 内流体的共 振阻 尼峰值的影响。法 国Pau ls tr a公司于 1 98 4通过对悬置动特性的 测试,指出解藕膜吸收液体高频振动能量的作用是惯性通道一固定解祸膜型HDM 较惯
15、性通道 型液阻悬置具有较低的高频动刚度特性的原因。德国Fr eu de nb er g公司在199 2年进行悬置动态特性模拟计算时,采用有限元方法计算了液室体积刚度,模拟计算和实验得 到的低频(20Hz )和高频 (10( X )Hz )动态特性如 图4所示9一11.旧/q /.园锻侧名侧届州姗姗姗。月q /、州锻林名侧因州惯性通道休、橡胶解藕膜下液室龙龙龙橡胶底膜车架端的支架( c )惯性通道一固定解藕膜型广广、一。 。 。 。二。二_。- - -K K K :_一一戒戒盯下一一一一 丫丫丫v v v,八八几几了、l l l / / /, 。.。-一。! ! !一协(,)频率/H Z橡胶悬置
16、-一液阻悬置图3惯性通道型液阻悬置的复刚度特性曲线岌火O 叫兀匕一8一O11日俘之/ 侧届称一日日.2侧因称解祸膜惯性通道从从少介一一品3 导臼 。援一收提橡胶底膜 了了之之多一一一夕夕二二二祥、一厂- - -一一, , 卜从从从 叼叼叼_一一 万万万- - -闷一吕导O瑕一饵提车架( d)惯性通道一活动解拱膜型图2典型液阻悬置结构简图通道型液阻悬置的阻尼作用机理。通过建立惯性通道型液阻悬置的集中参数模型,讨论了惯性通道的长度和横截面积、上液室和 下液室 的体积刚度、液体的 密度、上液室作用 面积等参数对惯性通道体中液体共振频率及其特性的影 响,指出该型液阻悬置产生 阻尼作用 的 主要原因是惯性通道中液体惯性力的作用,即惯性通 道 中液体的“速度放大型动和减振器,作用 3 。通过模拟计算和实验测试得到 了如图3所示的悬置动态特性l之4 1。3.2.2惯性通道一固定解祸膜型液阻悬置德国Da in i le r一B en z公司于198 2年对了一种惯性通道体支承于解藕膜上的惯性通道一固 定解膜型液
