发动机液压悬置隔振技术

1、 吉林大学植物科学院吉林大学植物科学院 梁天也梁天也v概述概述 v发动机悬置的基本要求发动机悬置的基本要求 v发动机悬置发展的简要回顾发动机悬置发展的简要回顾 v液压悬置的发展研究方向液压悬置的发展研究方向 v液压悬置结构、工作原理及静动液压悬置结构、工作原理及静动特性分析特性分析 汽车发展之初，动力总成是直接用螺栓刚性连接到车架上的，振动是直接传递的。这既严重影响了汽车的乘坐舒适性，又会引起动力总成部件如曲轴箱和发动机支架的破坏3。到上世纪初，制造商们开始采用柔性件如皮革、布垫等连接动力总成和车架。以后又采用了橡胶减振件。 一、概述发动机悬置：即连接发动机与车架间的支撑体。 汽车的舒适性（即

2、NVH性）是汽车、特别是轿车的主要性能指标。如何有效地隔离发动机的振动向车架（身）的传递，是汽车设计的一个关键问题。几种典型的橡胶悬置橡胶悬置动刚度2二、二、发动机悬置的基本要求发动机悬置的基本要求 基本要求基本要求 v固定并支承发动机动力总成静重，即有足够的刚度v双向隔振作用 v耐油性好，耐臭氧，耐腐蚀性氛气 v具有耐温度的工作稳定性 v具有安全保护功能，能保护动力总成 理想的动特性要求理想的动特性要求 要求悬置具有较大刚性以支承发动机静重和输出大的扭矩。悬置在低频下具有大阻尼、高动刚度特性，以衰减汽车启动 、制动、换档，以及急加速、 减速等过程中因发动机输出扭矩波动引起的动力总成低频振动；

3、悬置应在712Hz范围内具有较大阻尼，以迅速衰减因路面、轮胎激励引起的动力总成的低频振动，悬置应在25Hz附近具有较低的动刚度，以衰减怠速振动，悬置在高频范围内（50Hz），具有小阻尼、低动刚度特性，以降低振动传递率，提高降噪效果。 从上述看到，对发动机悬置的要求很复杂，有些要求之间互相矛盾。仅传统橡胶悬置是无法满足这一要求的，液压悬置较好的满足了这一要求。 Back 最早的汽车是由蒸汽机驱动，于1787年美国伊文思发明的，后来18011803年英国人特里维西克建造了蒸汽汽车，当时汽车没有弹性悬架，车轴直接连于车架，蒸汽发动机直接与车架连接，也没有变速箱。 自1846年内燃机由德国和法国制成后

4、，装用内燃机仍是直接连于车架，用螺栓连接。到后来，开始使用布垫、皮革作衬垫。 19251935年间，四缸直列发动机广泛应用，而四缸发动机平衡性较差，存在着严重的二阶惯性力和二阶扭矩波动。制造厂才意识到把汽车舒适性同发动机悬置隔振性能优劣联系起来。设计制造了各种各样的橡胶悬置元件。 橡胶悬置元件直到现在仍是汽车发动机悬置的首选元件。因为它结构简单，成本低廉，工艺制造容易，被轻卡、中卡、重卡的普遍采用。由于其性能的局限，在轿车中使用受到了影响，近几年出现的液压悬置有取代传统橡胶悬置趋势。 从汽车的发展历史中可以清晰地看出发动机振动的隔离技术的发展过程，传统的橡胶悬置已无法满足汽车多工况、宽频带的减

5、振降噪要求；液压悬置的出现弥补了橡胶悬置的不足。 国外有关液压悬置的研究始于上世纪70年代，它一经面世便受到各国汽车生产厂家及用户的欢迎和认可，各大汽车公司纷纷开发出了适合自己车型的具有100%知识产权的液压悬置产品。并已形成商品化供应，有专业配套厂系列化生产，根据主机厂提供的发动机参数和液压悬置的刚度、阻尼参数，专业配套厂组织设计开发生产，或从标准化系列产品中选择合适的液压悬置。到80年代末期，国外 有关这一技术已基本成熟。并已形成设计、开发、生产以及CAD/CAM一体化技术。 国内有关液压悬置研究起步较晚，于上世纪90年代初，可以说是从一汽Audi 100轿车技术引进及国产化技术开发工作而

6、展开的。1962年，美国通用汽车公司的Richard Rasmussen率先申请了液压悬置的专利。从70年代末开始，世界各大汽车企业相继开展了液压悬置的研究和应用。1979年德国Audi的公司率先在Audi五缸发动机上应用了液压悬置。之后仅几年时间，美国、日本、法国、韩国等国家都设计开发了液压悬置。国外液压悬置经过多年的发展，结构由简易到复杂，由被动式液压悬置发展到半主动式和主动式液压悬置阶段。现已形成了多种类的液压悬置产品(见下图)。Back国内外这一领域的研究内容包括：v 液压悬置元件的研究v 动力总成-液压悬置系统对整车振动和噪声水平 影响的研究 被动式液压悬置元件的研究主要集中在三个方

7、面：v合理地设计橡胶主簧的结构和形状，以改善橡胶主簧内部的应力分布，提高其疲劳寿命，或者获得合理的刚度特性组合（垂向刚度、体积刚度）。v研究有不同结构的液压悬置的动刚度和阻尼的频率特性，并研究结构参数对其动特性的影响规律。 v针对不同车型和具有不同转速特性的发动机，以力传递率或位移传递率在某一频段内最小为目标，优化液压悬置的内部结构参数。 虽然被动式液压悬置的性能相对于传统的橡胶悬置有了很大的提高，但还存在一些缺点，这正是人们研究开发半主动式、主动式液压悬置的原因。从1983年世界上首次应用半主动式液压悬置以来，德国、美国、法国、英国等国家对半主动控制式液压悬置隔振技术开展了深入的研究，并开发

8、出了多种采用不同控制方式的液压悬置。 半主动式液压悬置又可称为“可调式”液压悬置。利用传感器采集车体和（或）发动机的加速度和（或）位移信号，当它们超出设定的阈值后，激发作动器，改变内部结构的参数，优化动特性，实现最佳减振降噪的目的 。 其控制方式通常有以下几种： 控制节流孔的开度 控制液柱共振通道的关闭 控制节流通道的长度 用电流变液体作为工作介质 为了进一步提高液压悬置的隔振水平，从80年代末，人们开展了主动控制式液压悬置的研究。 主动式液压悬置利用动力消振技术，理论上可使车架振动响应为零。 下图为一种用压电作动器实现主动控制的液压悬置，可以完全消除怠速时四缸机二阶不平衡惯性力产生的位移。它

9、采集与车架连接处的位移（或加速度）信号作为差值信号产生相应的电压信号作用给压电作动器。压电作动器是一个由多层陶瓷和电极相互交错组成的柱状体，在电压的作用下，产生一个很小的、与差值信号反相的位移信号（10m，长度越大，产生的位移就越大）经图示的液体幅值放大机构可以放大至0.050.1mm，从而完全消除振动。压电作动器响应快，有着广阔的应用前景 。 主动控制式液压悬置要求系统响应快。作动器功率消耗大，价格昂贵，因而正处于研究期间，鲜有应用实例。 国内对液压悬置的研究始于上世纪90年代初。从那时起，原吉林工业大学汽车学院对液压悬置进行了较为系统的研究，取得了一些成果。 Back 如下图所示为全顺轻型

10、客车动力总成纵置，采用三点支承，前两点采用液压悬置，后点采用橡胶悬置。液压悬置类型为带补偿孔的被动式惯性通道-解耦盘式液压悬置，以下简称“全顺液压悬置”，本节就其结构和工作原理进行较详细的分析。 14151610131211897465312XZ上下Yo1 联接螺柱2 金属骨架3 橡胶主簧4 缓冲限位盘5 解耦盘6 惯性通道入口7 惯性通道体上半部分8 惯性通道9 惯性通道体下半部分10 底膜 11 底座12 安装定位销13 联接螺栓14 空气室15 气孔16 补偿孔 液压悬置的结构和工作原理分析 目前，液压悬置的的结构形式很多，但这些悬置基本的结构和功能是一致的。典型的液压悬置具备以下几个特

11、点： 具有橡胶主簧，以承受静载和动载荷。同时具有过载保护结构。 至少有两个独立的液室，能使液体在它们之间流动。 两液室之间有能产生阻尼作用的孔或惯性通道。对于有解耦作用 的液压悬置，还应有解耦盘或解耦膜。本文的研究对象还包含补 偿孔。 液压悬置内部有液体工作介质，有些多室式液压悬置内部还有气 室。 液室与外部应有良好、可靠的密封。研究表明，液压悬置主工作 腔内部最高能达到3个大气压，任何泄露都将导致液压悬置的性能 的降低甚至失效。q 结构分析结构分析弹性支承部分 液压减振部分 液压悬置的密封 工作原理工作原理 当橡胶主簧承受动态载荷上下运动时，产生类似于活塞的泵吸作用。当液压悬置受到低频、大振

12、幅的激励时，如果橡胶主簧被压缩，上腔体积减小，压力升高，迫使液体流经惯性通道被压入下腔；如果橡胶主簧被拉伸，上腔体积增大，压力减小，下腔内液体流经惯性通道被吸入上腔。这样，液体经惯性通道在上、下腔之间往复流动。当液体流经惯性通道时，惯性通道内液柱惯性很大，在惯性通道的出、入口处为克服惯性通道内液柱的惯性损失了大量的能量，称之为 “惯性能量损失”。它使得液压悬置能很好地耗散振动能量，从而达到衰减振动的目的。 由于橡胶主簧有一定的体积刚度，在压力增加时，会膨胀变形，占用一部分液体体积；同时，有一小部分液体经解耦通道、补偿孔流入下腔，这两个旁流对低频大振幅振动时的惯性能量损失有一定的负影响。 在高频

13、小振幅的激励下，惯性通道内液柱的惯性很大，液柱几乎来不及流动。此时，由于解耦盘在小变形时刚度特别小，解耦通道内的液柱与解耦盘高速振动，上下腔的压力克服解耦通道内液柱的惯性力而使得液柱具有的动能在解耦通道的入口和出口处被损失掉了。从而可以降低液压悬置高频动刚度，消除动态硬化。 解耦盘惯性通道式液压悬置如下图所示。特性实验是在吉林工业大学测试中心引进德国SCHENCK公司生产的高频电液伺服激振系统上进行的。测定了液压悬置的静刚度、动刚度和损耗角。试验温度为1520C。在测量静刚度，关键是要保证液压伺服系统对试件加载和卸要相当缓慢，变形速度不得超过1mm/min。按图65将液压悬置安装在激振试验台上

14、，经调整使其中心线与加载力的的轴线重合，并保证夹具的水平，使力传感器2不受附加弯距和剪力影响。X向静刚度为53.6N/mm，Y向静刚度为76.8N/mm，Z方向静刚度，当压力F小于额定载荷1400N时，静刚度Kst=165N/mm，当F1400N时， Kst=428N/mm。 液压悬置的特性主要表现在Z方向上，其它方向与橡胶悬置只是差不多，因此这里只注重Z方向的动刚度。对液压悬置的特性可有不同的参数表征，这些参数为复刚度K，动刚度Kd，滞后角和力传递率TRF。悬置上端为谐波输入时，复刚度为输入力与输入端位移之比： 力传递率为传递到液压悬置固定端力的幅值与输入力的幅值之比： 复刚度可用动刚度Kd

15、和滞后角表示： 动刚度Kd和滞后角是液压悬置动特性最常用的表征参数： 我们这里用的就是动刚度Kd和滞后角，测试并处理每一频率下的迟滞回线，如图66所示，由图66计算复刚度K、动刚度Kd和损耗因子的公式如下： BCDA( a )( b )图66 迟滞回线示意图及刚度阻尼关系图图67为其动特性曲线 实车测试进行了解耦式液压悬置样件和原车的德国进口液压悬置的对比实验。测试是在长春汽车研究所进行的。工况为原地驻车工况，采用加速度传感器，通过测量悬置上下处加速度的大小来反映该悬置的隔振能力，通过测定司机耳旁处噪声水平来说明该悬置的降噪能力。 测试对象为CA7220轿车，试验轿车停在水平路面上，变速器为空

16、档，发动机转速从怠速到4000r/min，试验时无外界干扰。由脉冲表测试发动机转速信号，加速度传感器拾取各测试点的振动信号，测试框图如图68所示。 图69为原CA7220轿车德国进口液压悬置上下连接处的加速度响应曲线，图610为所研制的解耦式液压悬置上下连接处的加速度的响应曲线。图611为噪声测试结果。比较上两图可知，新悬置在隔振降噪方面均优于原德国进口的液压悬置，这也表明新开发的液压悬置完全能替代进口件。 图69 原车液压悬置实车测试结果0102030405060900190029003900n(r/min)a(m/s2)左悬置上左悬置下01020304050900190029003900n(r/min