吳禮剛，段小成，黃 興，徐 馳

(1.寧波大學(xué) 信息學(xué)院，寧波 315211;2.寧波拓普制動(dòng)系統(tǒng)有限公司，寧波 315806)

被動(dòng)式液阻懸置與早期的橡膠懸置相比，明顯改善了汽車的行駛平順性和舒適性，且懸置結(jié)構(gòu)尺寸小，制造安裝比較簡(jiǎn)單，成本較低，又不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，能夠在某一段頻率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)起到很好的隔振和減振作用，因此目前得到了廣泛的應(yīng)用。但被動(dòng)式液阻懸置和橡膠懸置一樣，一旦設(shè)計(jì)完畢，其結(jié)構(gòu)參數(shù)固定，動(dòng)剛度與阻尼等特性不可調(diào)，使得其性能不能隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和工況的變化作相應(yīng)的變化。解決這些矛盾的有效方法是通過(guò)在線調(diào)節(jié)懸置內(nèi)部參數(shù)以實(shí)現(xiàn)其在不同工況下的動(dòng)剛度與阻尼要求。

目前主流的半主動(dòng)懸置主要分為兩大類:第一類是將電流變、磁流變液等新型阻尼材料應(yīng)用于懸置內(nèi)部通過(guò)控制外界的電流或電壓以實(shí)現(xiàn)在不同工況下懸置的動(dòng)剛度與阻尼要求［1，2，3］;第二類是通過(guò)改變被動(dòng)式液阻懸置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如慣性通道長(zhǎng)度、截面積、解耦膜剛度等實(shí)現(xiàn)懸置動(dòng)剛度與阻尼的調(diào)節(jié)［4，5］。

對(duì)半主動(dòng)液阻懸置的動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)和仿真分析，已經(jīng)獲得人們的廣泛重視。研究的重點(diǎn)集中在電流變或磁流變?cè)诎胫鲃?dòng)或主動(dòng)液阻懸置中的應(yīng)用上［1，2，3，6］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)第二類半主動(dòng)液阻懸置的研究較少。本文介紹了一種解耦膜剛度可調(diào)式半主動(dòng)液阻懸置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了半主動(dòng)懸置的靜態(tài)特性、動(dòng)剛度和阻尼及其與激振頻率和激振振幅的關(guān)系;建立了該半主動(dòng)液阻懸置在電磁閥斷電、通電兩種狀態(tài)下的動(dòng)特性計(jì)算分析的集總參數(shù)模型，利用該模型分析了一半主動(dòng)懸置的動(dòng)剛度和滯后角;計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果證明了模型的正確性;最后給出了半主動(dòng)懸置在解決發(fā)動(dòng)機(jī)怠速抖動(dòng)、巡航和由于粗糙路面激勵(lì)引起的駕駛員座椅振動(dòng)問(wèn)題的應(yīng)用實(shí)例。

1 半主動(dòng)液阻懸置結(jié)構(gòu)及其性能實(shí)測(cè)

1.1 懸置結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)評(píng)價(jià)

圖1為解耦膜剛度可調(diào)式液阻懸置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中A、B兩端分別與發(fā)動(dòng)機(jī)和車架相連，液室隔板中間為螺旋型慣性通道，兩隔板端部固定環(huán)形解耦膜，其中解耦膜上膜面與上液室液體接觸，而解耦膜下膜面與下隔板組成一密閉氣腔，氣腔一端與大氣相連通，電磁閥活塞軸向運(yùn)動(dòng)可控制氣腔是否密閉。

圖1 解耦膜剛度可調(diào)式液阻懸置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 SEM section with switchable stiffness decoupler

半主動(dòng)液阻懸置的電磁閥端子與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)連接，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電磁閥的通斷，通過(guò)接通和關(guān)閉懸置內(nèi)部空氣通道來(lái)控制懸置的動(dòng)態(tài)特性。

當(dāng)電磁閥通電，電磁閥活塞在電磁力的作用下堵住氣腔，此時(shí)解耦膜下膜面與氣腔呈現(xiàn)類似空氣彈簧的效果，解耦膜整體剛度變高;由于解耦膜剛度的提高會(huì)引起上液室體積剛度的變高，半主動(dòng)液阻懸置會(huì)表現(xiàn)出大剛度、大阻尼特性。

當(dāng)電磁閥斷電，電磁閥活塞在復(fù)位彈簧的作用下使得解耦膜下膜面的氣腔與大氣相通，解耦膜整體剛度變小;由于解耦膜剛度的降低會(huì)引起上液室體積剛度的降低，液阻懸置在受到外界激勵(lì)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出小剛度、小阻尼特性。

半主動(dòng)液阻懸置動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)參考文獻(xiàn)［7］在電液伺服激振實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其動(dòng)特性常用動(dòng)剛度Kd和滯后角φ來(lái)表征。

1.2 半主動(dòng)液阻懸置靜、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果

半主動(dòng)液阻懸置的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試是在寧波拓普測(cè)試中心MTS831振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖2)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理方法與常規(guī)液阻懸置類似［7］。

由圖3可見(jiàn)，電磁閥通電時(shí)半主動(dòng)液阻懸置靜剛度比電磁閥斷電時(shí)對(duì)應(yīng)的靜剛度略大，這是由于電磁閥通電時(shí)解耦膜下膜面與氣腔組成密閉的氣腔導(dǎo)致解耦膜剛度提高所致。電磁閥斷電時(shí)解耦膜剛度有所降低從而導(dǎo)致懸置靜剛度變低。

圖2 半主動(dòng)液阻懸置靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試示意圖Fig.2 Static and dynamic performance test sketch of SEM

圖4與圖5給出了半主動(dòng)液阻懸置主方向(軸向)受到不同振幅激勵(lì)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。由圖可見(jiàn)，半主動(dòng)液阻懸置的動(dòng)剛度和滯后角隨激振振幅和頻率變化而變化，并且在電磁閥通電或斷電狀態(tài)下懸置的動(dòng)剛度和滯后角各有差異。

低頻大振幅激勵(lì)下，電磁閥斷電時(shí)懸置滯后角峰值頻率為5 Hz，所對(duì)應(yīng)的滯后角為20°，30 Hz處對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度為280 N/mm;而電磁閥通電時(shí)懸置滯后角峰值頻率為9 Hz，所對(duì)應(yīng)的滯后角為60°，30 Hz處對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度為500 N/mm。可見(jiàn)電磁閥通電與否對(duì)懸置的動(dòng)剛度與滯后角影響較大:電磁閥通電時(shí)懸置動(dòng)剛度、滯后角峰值頻率與其滯后角峰值均比電磁閥斷電時(shí)要高。汽車受到大振幅路面激勵(lì)(如通過(guò)粗糙路面等)時(shí)電磁閥自動(dòng)通電，可以充分利用半主動(dòng)液阻懸置的大剛度、大阻尼特性以衰減路面激勵(lì)引起的車內(nèi)振動(dòng)。

式中：H —循環(huán)泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程（m）；HST—靜揚(yáng)程（m）；∑hS —吸壓水管路的水頭損失（m）；∑hd—輸水管路的水頭損失（m）；Hsev—控制點(diǎn)最小自由水壓（m）。

高頻小振幅激勵(lì)下，電磁閥斷電時(shí)所對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度比電磁閥通電時(shí)的要小約一半，在汽車怠速工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的激勵(lì)主要為高頻小振幅激勵(lì)，因此可以充分利用半主動(dòng)液阻懸置電磁閥斷電狀態(tài)下的小剛度、小阻尼特性以利于發(fā)動(dòng)機(jī)隔振。

2 半主動(dòng)液阻懸置動(dòng)態(tài)特性計(jì)算分析

根據(jù)半主動(dòng)液阻懸置的工作原理，可將其簡(jiǎn)化為如圖6所示的集總參數(shù)模型，圖中Kr、Br為橡膠主簧的剛度和阻尼系數(shù)。橡膠主簧的作用有兩個(gè)，一是承受動(dòng)力總成的靜、動(dòng)態(tài)載荷;二是起類似活塞的作用，使液體在上、下液室之間來(lái)回流動(dòng)，用等效活塞面積Ap來(lái)表示該特性。

圖3 半主動(dòng)液阻懸置靜態(tài)特性Fig.3 Displacement-force characteristics of SEM

圖4 半主動(dòng)液阻懸置低頻大振幅激勵(lì)下動(dòng)態(tài)特性Fig.4 SEM dynamic characteristics under low frequency and high amplitude excitation

圖5 半主動(dòng)液阻懸置高頻小振幅激勵(lì)下動(dòng)態(tài)特性Fig.5 SEM dynamic characteristics under high frequency and low amplitude excitation

圖6 半主動(dòng)液阻懸置集總參數(shù)模型Fig.6 LP model of SEM with switchable decoupler

橡膠主簧在泵吸液體的過(guò)程中，由于上液室液體的壓力使其有一定的膨脹，橡膠主簧的這種膨脹特性用體積柔度量來(lái)表示，定義為其體積的變化與作用其上壓力的變化之比，即ΔV/ΔP，單位為m5/N，體積柔度的倒數(shù)定義為橡膠主簧的體積剛度，單位為N/m5。對(duì)本文的半主動(dòng)液阻懸置而言，其橡膠主簧的體積剛度由主簧結(jié)構(gòu)、液體粘度、解耦膜剛度等因素共同決定，因此在電磁閥接合與斷開(kāi)兩種狀態(tài)下，由于解耦膜剛度的大小不一致導(dǎo)致橡膠主簧的體積剛度也不一樣。在圖6所示的模型中，電磁閥斷電時(shí)橡膠主簧的體積柔度用C1表示(其體積剛度為K1=1/C1);電磁閥通電時(shí)橡膠主簧的體積柔度用C'1表示(其體積剛度為K'1=1/C'1)，K'1＞K1。橡膠底膜的體積柔度用C2表示(其體積剛度K2=1/C2)，由于橡膠底膜的厚度很薄(通常為2 mm左右)，因此可以認(rèn)為C2至少比C1(或C'1)大兩個(gè)數(shù)量級(jí)［8，9］，假定上下液室的壓力為均勻分布［8，9］，并以 P1(t)、P2(t)表示，Qi(t)、Qd(t)分別表示液體流經(jīng)慣性通道的流量和隨解耦盤運(yùn)動(dòng)的液體量。

定義Ii、Ri為慣性通道中液體的質(zhì)量系數(shù)和慣性通道對(duì)其中液體流動(dòng)的流量阻尼系數(shù)，Id、Rd為解耦盤及其附連液體的質(zhì)量系數(shù)和液體對(duì)解耦盤的流量阻尼系數(shù)。Ii、Id、Ri、Rd的定義式為:

式中，Mi為慣性通道中液體的質(zhì)量，Md為解耦盤及其附連液體的質(zhì)量，Ai、Ad分別為慣性通道橫截面積和解耦盤的面積，Bi為慣性通道對(duì)其中液體流動(dòng)的速度阻尼系數(shù)，大小取決于液體的粘度、慣性通道的形狀和壁面的粗糙度等，Bd為液體對(duì)解耦盤運(yùn)動(dòng)的速度阻尼系數(shù)，大小取決于液體的粘性、解耦盤結(jié)構(gòu)尺寸等。

由液體的連續(xù)方程可得［7，8，10］:

由液體的動(dòng)量方程可得:

傳遞到固定端的力F(t)為:

對(duì)式(4～8)進(jìn)行傅里葉變換可得液阻懸置的復(fù)剛度:

在低頻大振幅激勵(lì)下，令Qd=0，得到液阻懸置的復(fù)剛度為［10］:

由于橡膠底膜主要起密封作用，且橡膠底膜的厚度很薄(2.5 mm)，因此，下液室的體積剛度K2很小，可以忽略不計(jì)。令K2=0，可得:

半主動(dòng)液阻懸置集總參數(shù)模型動(dòng)特性仿真時(shí)所需的一些幾何參數(shù)，如慣性通道的橫截面積，解耦盤的面積等較容易測(cè)得，對(duì)于形狀比較規(guī)則的慣性通道，其中液體的質(zhì)量或者慣性系數(shù)可以通過(guò)計(jì)算的方法得到;可以由流體力學(xué)中的一些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到慣性通道對(duì)其中液體流動(dòng)的流量阻尼系數(shù)和液體對(duì)解耦盤運(yùn)動(dòng)的流量阻尼系數(shù)，但往往不夠準(zhǔn)確;橡膠主簧體積剛度是液阻懸置動(dòng)特性仿真時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，一般通過(guò)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到［8，9］。

圖7為利用公式(9)和(10)計(jì)算得到的半主動(dòng)液阻懸置在振幅1.0 mm下的動(dòng)態(tài)特性和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比曲線，計(jì)算所用的參數(shù)為:Kr=1.86e5 N/m，Br=0.236 Ns/m，Ap=0.0073 m2，Ii=8.506e5 kg/m4，Ri=2.61e7 Ns/m5，K1=1.36e9 N/m5，K'1=4.22e9 N/m5。由圖可見(jiàn)，電磁閥通、斷電狀態(tài)下計(jì)算的動(dòng)剛度值、滯后角峰值與峰值頻率等與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，證明了文中所建立的半主動(dòng)液阻懸置集總參數(shù)模型的正確性。

圖7 半主動(dòng)液阻懸置動(dòng)特性計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比(激振振幅:1 mm)Fig.7 SEM dynamic characteristics comparisons between test and calculation under 1.0mm amplitude excitation

3 半主動(dòng)液阻懸置在汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)圖8所示的一動(dòng)力總成安裝了半主動(dòng)液阻懸置的汽車分別進(jìn)行怠速、100km/h巡航與2－Poster大振幅掃頻試驗(yàn)。汽車在正常怠速工況下，半主動(dòng)懸置電磁閥斷電，懸置呈現(xiàn)小剛度小阻尼特性;在正常行車工況下，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值(如900 r/min)，則電磁閥通電，懸置呈現(xiàn)大剛度大阻尼特性。

圖8 半主動(dòng)液阻懸置在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中的應(yīng)用Fig.8 SEM application in powertrain mounting system

由圖9可見(jiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下由于半主動(dòng)液阻懸置電磁閥斷電時(shí)懸置表現(xiàn)的小剛度、小阻尼特性，有利于隔振，因而對(duì)應(yīng)的駕駛員座椅Z向振動(dòng)最小;電磁閥通電時(shí)懸置表現(xiàn)的大剛度、大阻尼特性不利于發(fā)動(dòng)機(jī)隔振，因此其座椅Z向振動(dòng)最大;而被動(dòng)式液阻懸置與半主動(dòng)液阻懸置通電狀態(tài)的動(dòng)特性類似，故其座椅Z向振動(dòng)也偏大。

由圖10可知100km/h巡航工況，當(dāng)電磁閥通電時(shí)由于半主動(dòng)懸置呈現(xiàn)通電狀態(tài)下的大剛度、大阻尼特性，大剛度有利于控制動(dòng)力總成位移，大阻尼有利于衰減路面的低頻激勵(lì)，因此所對(duì)應(yīng)的駕駛員座椅Z向振動(dòng)最小;電磁閥斷電狀態(tài)下懸置表現(xiàn)小剛度、小阻尼特性既不利于控制動(dòng)力總成位移，也不利于衰減路面激勵(lì)，故座椅振動(dòng)最大;被動(dòng)式液阻懸置的動(dòng)剛度與阻尼介于半主動(dòng)懸置電磁閥通、斷電狀態(tài)之間，故對(duì)應(yīng)的座椅振動(dòng)也介于兩者之間。

圖11為模擬汽車低速通過(guò)粗糙路面工況在室內(nèi)NVH試驗(yàn)室進(jìn)行的2－Poster臺(tái)架前輪掃頻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與汽車巡航工況所對(duì)應(yīng)的駕駛員座椅Z向振動(dòng)變化趨勢(shì)一致。

從上述整車NVH試驗(yàn)結(jié)果看，采用半主動(dòng)懸置時(shí)駕駛員座椅Z向振動(dòng)加速度峰值可降低50%以上，大大改善了車內(nèi)振動(dòng)水平。

圖9 怠速駕駛員座椅Z向振動(dòng)Fig.9 Driver’s seat rail vibration in Z direction at Idle

圖10 100km/h巡航工況駕駛員座椅Z向振動(dòng)Fig.10 Driver’s seat rail vibration in Z direction at 100 KPH cruise

圖11 2－Poster大振幅(2 mm)掃頻激勵(lì)下駕駛員座椅Z向振動(dòng)Fig.11 Driver’s seat rail vibration in Z direction at 2-Poster with 2.0mm amplitude excitation

4 結(jié)論

本文論述了在汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中半主動(dòng)液阻懸置的產(chǎn)生背景，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一解耦膜剛度可調(diào)的液阻懸置的靜動(dòng)態(tài)特性，揭示了半主動(dòng)液阻懸置在電磁閥斷電、通電狀態(tài)的靜動(dòng)態(tài)特性。建立了低頻大振幅激勵(lì)下的半主動(dòng)液阻懸置動(dòng)特性計(jì)算分析的集總參數(shù)模型，利用該模型計(jì)算分析了一典型半主動(dòng)液阻懸置的動(dòng)剛度和滯后角，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比證明了模型的正確性。最后給出了半主動(dòng)液阻懸置用于解決汽車怠速、巡航與粗糙路面激勵(lì)工況等NVH問(wèn)題的應(yīng)用實(shí)例。

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