减振技术的核心是消除干扰性振动或找出解决的方法,现在比较适用和成熟的减振方法是橡胶减振系统,早在橡胶应用于工业之初,人们就使用了橡胶隔离来进行减振,于上世纪30年代橡胶减振制品开始广泛应用于汽车动力总成系统、悬架系统和驱动系统。上世纪80年代初液压悬置开始应用到发动机悬置系统,使得橡胶减振技术得到很大的发展,现在人们出现了可转换装置和主动装置的减振系统在工程上的实际应用。
1.发动机悬置技术现状及发展趋势
发动机悬置的技术发展路线是:常规橡胶悬置 被动式液阻悬置 可控转化液阻悬置 主动悬置。
1.1常规橡胶悬置
常规的橡胶悬置由橡胶与金属组成,用于发动机与车身之间的隔振,发动机是振动源车身是隔振对象,这就要求发动机悬置能够有效地吸收振动,降低振动的传导率,避免将发动机的振动传递到车身,发动机工作在低频振动时振幅较大,高频振动时振幅较小,因此对发动机悬置则要求在发动机低频振动区域有较大的损耗系数,以便能够迅速将大的振幅消减下来,而在发动机高频振动区域有较小的动刚度,以便能够更好地吸收发动机的振动降低振动的传导率。常规发动机悬置结构见图1 。
图1 常规发动机悬置结构
1.2液阻悬置
常规的橡胶悬置可以很好地解决发动机怠速工况下,发动机激励的高频振动时有较小动刚度的要求,但是无法解决在行驶工况下,路面激励产生的低频振动时大阻尼的要求。这时,出现了液阻悬置的应用很好地解决了低频振动大阻尼的要求。经过几十年的发展,液阻悬置先后出现了3代技术形式:
第1代惯性通道液阻悬置,结构形式见图2。在行驶工况下,主体受压后压力传递到液体上,迫使液体从主液室向从液室流动,液体在通过通道时受到流动阻力,能够很好实现振动衰减作用。
图2 第1代惯性通道液阻悬置结构图
第2代惯性通道+解耦膜液阻悬置,结构形式见图3。在第1代液压悬置的结构基础上增设解偶膜,以满足50HZ以上高频状态下降低动刚度的要求
图3 第2代惯性通道+解耦膜液阻悬置结构图
第3代惯性通道+解耦膜+节流盘液阻悬置,结构形式见图4。在第2代液压悬置的结构基础上增设节流盘,以满足150HZ以上高频状态下降低动刚度的要求。3代液阻悬置的应用范围对比见图5。
图4 第3代惯性通道+解耦膜+节流盘液阻悬置结构图
图5 三代液阻悬置的应用范围对比
1.3可控转化悬置
液阻悬置虽能很好解决了行驶工况下振动的快速衰减,但是,在怠速频率点液阻悬置的动静比大于常规的橡胶减振器,怠速时的隔振效果比常规橡胶减振器差。随着人们对汽车乘坐舒适性的的要求的不断提高,需要兼顾怠速工况和行驶工况下都需要发动机悬置拥有很好的隔振效果,开始出现了可控转化悬置的应用,实现在怠速频率下的低动刚度和行驶工况下的大阻尼性能转换。现在常用的方式有双通道转化结构见图6,在怠速工况下双通道打开,液体通过惯性通道阻力减小,实现低动刚度特性;在行驶工况下,电磁阀动作封闭一个通道,液体通过惯性通道阻力增大,实现大阻尼特性。空气膜片结构见图7,在怠速工况下电磁阀通道打开,膜片腔与大气相通,动刚度降低;在行驶工况下,电磁阀通道封闭,膜片腔形成密闭空腔,近似于刚体,悬置阻尼增大。
图6 双通道转化可控悬置结构示意图
图7 空气膜片可控悬置结构示意图
1.4主动悬置
近年,在欧美高端车型中开始有主动悬置系统在汽车发动机悬置系统应用,图8是主动悬置结构和工作原理图,发动机的振动在向底盘传递过程中,传感器采集到振动信号,传递到控制系统,由控制系统向安装在底盘上的激振器发出指令,在振动波相反方向产生激振,消减发动机产生的振动。
图8 主动悬置结构示意图
2.悬架系统用橡胶减振制品技术现状及发展趋势
2.1乘用车悬架系统用橡胶减振制品
乘用车悬架系统的核心弹性元件是悬架衬套和悬架弹簧,悬架衬套的技术发展路线如下:常规橡胶衬套 双胶料橡胶衬套 液阻衬套 磁流变衬套;悬架弹簧的技术发展路线如下:金属螺旋弹簧 空气弹簧
2.1.1悬架衬套
在乘用车悬架系统为了减少传递到车身的冲击和振动;同时保证汽车的操纵稳定性,保证悬架的弹性运动学特性,大量使用悬架衬套。悬架衬套从操纵稳定性的角度考虑:需要Z向刚度高。从平顺性的角度:为了降低振动,要求在低频、大振幅激励时衬套有大阻尼特性;为了降低噪声,要求在高频、小振幅激励时有低刚度特性。
常规悬架衬套采用橡胶-金属结构这种衬套只有一种胶料,其刚度要在操纵稳定性和平顺性之间进行折中。为了能够有效地平衡悬架衬套在操纵稳定性和平顺性的特性要求,采用了双胶料衬套,在X向采用大阻尼特性橡胶材料,以满足平顺性要求,在Z向采用高的刚度,以满足操纵稳定性的要求。
图9 常规橡胶衬套和双胶料橡胶衬套
为了更好地满足平顺性要求,在悬架衬套中引入了液阻衬套结构,见图10。当激振频率比较低时,动刚度低;高频激振时,流道中的流体来不及流动,因而刚度大;激振频率在两者之间时,流道中的流体象一个动力吸振器,它可以抑止悬架系统的一些部件的刚体模态。它广泛的应用于控制臂的衬套、副车架衬套、扭转梁悬架衬套和多连杆悬架纵臂的衬套。
图10 液阻衬套结构示意图
2.1.2悬架弹簧
传统的悬架系统以螺旋弹簧作为弹性元件,这种悬架型式需要在操纵性和舒适性中间寻找一个精细的平衡,如果提高了操纵性,则会影响乘坐舒适性;如果提高了乘坐舒适性,汽车操纵性和稳定性又会降低。在高端车型上开始采用空气弹簧替代金属螺旋弹簧作为弹性元件,在不降低汽车操纵性和稳定性的前提下,利用空气弹簧的低动刚度有效降低悬架系统的固有频率,提高乘坐舒适性。结构见图11。
图11 金属螺旋弹簧悬架和空气弹簧悬架
2.2商用车悬架系统用橡胶减振制品
商用车底盘悬架的技术发展方向由钢板弹簧结构的悬架系统向空气悬架和橡胶悬架两种趋势发展。悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称,主要由弹性元件、导向装置和减振器等三部分组成,在钢板弹簧结构悬架中,由钢板弹簧弹性元件,在车架与车桥之间作弹性联系,承受和传递垂直载荷,缓和及抑制不平路面所引起的冲击。
欧美发达国家客车和重卡都普遍采用空气悬架系统。在国外一些经济比较发达国家,客车90%以上、挂车100%、重型载重车85%采用空气悬架,空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。在一些特种车辆(如对防震要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等)上,空气悬架几乎为唯一选择。在空气悬架中核心的橡胶制品是空气弹簧和V型推力杆,空气悬架结构见图12。空气弹簧和V型推力杆结构见图13.
图12 空气悬架结构示意图
图13 空气弹簧和V型推力杆结构示意图
在欧美非空气悬架重卡的市场中分成欧洲流派和美洲、澳洲派。欧洲主要采用少片簧+板簧支座+横向稳定杆+V型推力杆的结构,美洲和澳洲主要采用橡胶悬架结构。
目前欧洲平衡悬架重卡普遍采用少片簧+板簧支座+V型推力杆+断开式平衡轴+横向稳定杆的悬架结构,橡胶减振产品大量使用。此类悬架与传统斯太尔平台相比具有结构紧凑、重量轻、成本低、性能好、承载大,结构简单,便于生产和安装等优点。断开式平衡轴悬架中核心的橡胶制品是板簧橡胶支座和V型推力杆。断开式平衡轴悬架结构见图14,板簧橡胶支座结构见图15.
图14 断开式平衡轴悬架结构示意图
图15 板簧橡胶支座结构示意图
美洲和澳洲主要采用橡胶悬架结构,橡胶悬架的特点(1)结构简单,便于安装;(2)橡胶悬架自重轻,可以承载更多的货物,提高燃油经济性,降低了油耗提高了经济效益;(3)橡胶悬架具有免维护,免润滑的特点;(4)橡胶悬架具有良好的通过性,可以有效的减少轮胎的磨损,提高了轮胎的使用寿命,降低了维修成本,节约了维修费用;(5)橡胶悬架具有变刚度的特点,无论在车辆的空载状态,还是在满载状态,都能为车辆提供良好的舒适性。橡胶悬架中核心的橡胶制品是橡胶主簧、均衡梁铰接、V型推力杆。橡胶悬架结构见图16。结构见图17。
图16 橡胶悬架结构示意图
图17 橡胶主簧和均衡梁铰接结构示意图
4.结束语
橡胶减振制品做为汽车关键的NVH功能件,其技术发展趋势正在由被动隔振模式向主动隔振模式发展,由常规橡胶弹簧结构向空气弹簧结构发展。中国的橡胶减振供应商也紧紧跟随欧美标杆企业发展的步伐,由提供单一橡胶减振零件向系统化、集成化的发展方向前进。