車輛發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)現(xiàn)狀研究

李玉柱

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214153)

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)現(xiàn)狀研究

李玉柱

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214153)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)車輛的生產(chǎn)和制造取得了突出的成績(jī)，尤其是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)的研究成果豐碩。好的車輛懸架系統(tǒng)要隔離發(fā)動(dòng)機(jī)，而其工作狀態(tài)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的干擾力，即隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)和彈跳，或者說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)懸架的動(dòng)態(tài)剛度以及阻尼都和發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)頻率以及振幅密切相關(guān)。對(duì)依賴頻率以及振幅特性下的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼的控制，是發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)面對(duì)的首要問(wèn)題。文章對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和研究，希望能對(duì)我國(guó)汽車生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)參考。

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)；懸架系統(tǒng)；現(xiàn)狀探究

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和連接車輛的結(jié)構(gòu)懸架件組成?，F(xiàn)代化的發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)研究非常必要，其目的是為了讓駕乘人員更好地?cái)[脫因發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音以及振動(dòng)而造成的惡劣環(huán)境。受現(xiàn)實(shí)因素的影響，對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)進(jìn)行改善，在目前情況下可能更為迫切，例如對(duì)客車振動(dòng)以及噪音的隔離，這或許是目前客車設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)的汽車設(shè)計(jì)，有逐漸向重量減輕而功率增長(zhǎng)方向發(fā)展的趨勢(shì)，出現(xiàn)了振動(dòng)與噪聲增加的現(xiàn)象，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改造和完善，是對(duì)這一問(wèn)題解決的關(guān)鍵。

一、彈性懸架

自本世紀(jì)以來(lái)，彈性懸架就已經(jīng)被用來(lái)對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行隔離，至此，比較重大的改進(jìn)也都得以研究和應(yīng)用。相關(guān)文獻(xiàn)記載中對(duì)彈性懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有比較詳細(xì)的討論。為了對(duì)振動(dòng)適當(dāng)?shù)馗綦x，根據(jù)不同方向需求彈性剛度對(duì)彈性懸架件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的彈性懸架在結(jié)構(gòu)上非常緊湊，而且成本低，維修方便。一般而言，綁結(jié)后的彈性懸架具有非常穩(wěn)定的特性以及相對(duì)長(zhǎng)的壽命，可以用Voigt模型進(jìn)行描述。就彈性安裝過(guò)程中的動(dòng)態(tài)剛度而言，其在較高頻中比在較低頻中大很多，該特性不能滿足懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。低頻時(shí)，高剛度與高阻尼彈性懸架會(huì)讓振動(dòng)逐漸變小，但在高頻時(shí)，其特性就會(huì)變得比較差。除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)在低阻尼情況下發(fā)出的噪聲具有強(qiáng)度低的特點(diǎn)，然而在低頻時(shí)，內(nèi)沖擊所造成的振動(dòng)則會(huì)變大。一般的解決和處理方法，是在發(fā)動(dòng)機(jī)的隔離以及彈跳間選擇折衷。在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的懸架上，彈性懸架已經(jīng)被成功地運(yùn)用了很長(zhǎng)時(shí)間。

近幾年來(lái)，車輛的發(fā)展趨勢(shì)主要是小和輕，這就需要選擇具有良好特性的懸架對(duì)彈性懸架進(jìn)行替代，但是，用非線性的剛度以及阻尼特性對(duì)被動(dòng)彈性的懸架進(jìn)行改善，還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。如果載重范圍比較寬，比較特殊的一些非線性特性就會(huì)獲得一定的固有頻率，那么選取高內(nèi)阻尼材料以及對(duì)振幅有所依賴的高阻尼和剛度材料則更為關(guān)鍵。

二、被動(dòng)液壓的懸架

20世紀(jì)60年代初期，Richard Rasmussen獲得了液壓懸架的專利，在這之后，液壓懸架得到了廣泛的運(yùn)用，并在相關(guān)企業(yè)中日益普及。原因主要有兩個(gè)方面，一方面是現(xiàn)階段的車輛在發(fā)展中不斷趨于小和輕的趨勢(shì)，對(duì)具備空速特性的前后輪驅(qū)動(dòng)的車輛，需要具備復(fù)雜性的懸架系統(tǒng)；另一方面是液壓懸架在裝置上已經(jīng)達(dá)到了高度可調(diào)[1]。就車輛懸架系統(tǒng)而言，所有類型的液壓懸架均已有了快速、穩(wěn)定的發(fā)展，與傳統(tǒng)的彈性懸架進(jìn)行比較，乘坐舒適性以及降低噪聲的水平都有了進(jìn)一步提高，如果空速的振動(dòng)狀態(tài)不變，軸瓦型的液壓懸架就有可能使噪聲降低三分之二。

不管屬于哪種液壓懸架，其在概念和理論上都非常相似，只是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)中存在差異。總的來(lái)說(shuō)，典型的液壓懸架有三種，即簡(jiǎn)易化的孔液壓懸架、慣性軌道下的液壓懸架以及解藕器與慣性軌道下的液壓懸架。簡(jiǎn)易孔和慣性軌道在部分方面存在著差異，然而在低頻時(shí)都會(huì)有一定的阻尼效果。慣性軌道所造成的阻尼稱之為增強(qiáng)的慣性阻尼，這時(shí)，阻尼所造成的影響就會(huì)變大。在對(duì)激振頻率進(jìn)行沖擊的過(guò)程中，可以對(duì)簡(jiǎn)易孔以及慣性軌道下的液壓懸架進(jìn)行調(diào)整，讓其具備高阻尼性，有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的沖擊強(qiáng)度。一般簡(jiǎn)易孔或者慣性軌道的液壓懸架動(dòng)態(tài)的剛度會(huì)比相似的彈性懸架所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)剛度要大很多。盡管在低頻狀態(tài)下，該類型的液壓懸架會(huì)不斷增大阻尼，但在高頻狀態(tài)時(shí)，其隔離特性有所降低。

三、半主動(dòng)與主動(dòng)懸架

（一）半主動(dòng)性的發(fā)動(dòng)機(jī)懸架

所謂半主動(dòng)控制，主要是利用控制系統(tǒng)中的參數(shù)，改變系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。半主動(dòng)性的發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)在控制參量上主要是彈性剛度與阻尼。在該半主動(dòng)液壓懸架系統(tǒng)中，針對(duì)外部出口裝置，改變系統(tǒng)方面的彈簧常量，對(duì)在流體中所注入的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使阻尼得到減弱，在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)中存在的共振頻率進(jìn)行控制。電流變體粘性在對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行施加的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)快速改變，該特性很容易被應(yīng)用在對(duì)系統(tǒng)阻尼的控制中，因此半主動(dòng)性的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于電流的變體控制受到了一定重視。因?yàn)槠渚哂幸欢ǖ暮?jiǎn)便性，一般情況下運(yùn)用比較多的就是對(duì)阻尼的運(yùn)用，在一些研究中，運(yùn)用這一原則對(duì)共振進(jìn)行改變，阻尼會(huì)在一定程度上對(duì)可傳遞性有所沖擊[2]。此外，還有研究人員建議對(duì)組合電流的變體閥進(jìn)行協(xié)調(diào)，以此對(duì)空速振動(dòng)進(jìn)行隔離，在此基礎(chǔ)上，讓一個(gè)具備電流的變體在多慣性的單元中的懸架能夠得到低動(dòng)態(tài)剛度。其系統(tǒng)的參量根據(jù)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)或連續(xù)性系統(tǒng)的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

半主動(dòng)性的發(fā)動(dòng)機(jī)懸架系統(tǒng)，一般情況下是由一個(gè)可控單元作用下的被動(dòng)懸架與控制機(jī)械的裝置所組成?？梢哉f(shuō)，所有報(bào)道中的半主動(dòng)性的懸架都是屬于液壓類型。在該模型中，可以對(duì)可變質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)阻尼力的控制系統(tǒng)進(jìn)行改變和控制。

（二）主動(dòng)性的發(fā)動(dòng)機(jī)懸架

在主動(dòng)控制的過(guò)程中，工作人員為了對(duì)系統(tǒng)干擾力的進(jìn)一步傳遞進(jìn)行控制，一般需要一個(gè)或者多個(gè)激振器，也就是主動(dòng)能量源要進(jìn)一步提供能量，以此來(lái)對(duì)目標(biāo)能量進(jìn)行抵消，并產(chǎn)生能量。比較典型的主動(dòng)性懸架由被動(dòng)懸架和促使力產(chǎn)生的激振器以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳感器與電子控制器所組成[3]。如果激振器發(fā)生故障，被動(dòng)懸架就會(huì)被用在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐上，激振器本身的動(dòng)力特性非常好，可以對(duì)信號(hào)有所控制。結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳感器屬于力傳感器，其主要目的是為控制器提供所需的被控制信號(hào)，這一控制器對(duì)激振器所出現(xiàn)的力的幅值以及相位進(jìn)行控制，讓傳感信號(hào)逐漸變小，使得振動(dòng)有所減小。主動(dòng)性的發(fā)動(dòng)機(jī)懸架在控制器上的類型非常多，可以是負(fù)反饋式也可以是正反饋式。主動(dòng)性的振動(dòng)控制是閉環(huán)控制器在傳感器測(cè)試中的很好運(yùn)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)共振頻率之外的任何頻率，在主動(dòng)性的懸架和被動(dòng)性的懸架剛度之間都是相等的。在干擾頻率的過(guò)程中，控制器對(duì)懸架的要求是非常高的，必須非常軟，以此來(lái)減少加速度器和力傳感器信號(hào)[4]。主動(dòng)懸架的運(yùn)用可以對(duì)被動(dòng)懸架中的局限性進(jìn)行控制，也就是說(shuō)，在低頻的過(guò)程中，主動(dòng)彈性的懸架具有比較高的硬度，在高頻時(shí)會(huì)變得比較軟。在發(fā)動(dòng)機(jī)的較低頻率處，可以對(duì)主動(dòng)液壓的懸架進(jìn)行調(diào)控，從而取得比較合適的阻尼，在比較高的頻率時(shí)動(dòng)態(tài)剛度會(huì)比較低。

半主動(dòng)性的懸架主要對(duì)系統(tǒng)自身存在的低頻特性進(jìn)行改善，例如對(duì)阻尼的增加，以及提供比較寬范圍的工作領(lǐng)域。然而主動(dòng)性的發(fā)動(dòng)機(jī)的懸架系統(tǒng)如果處于低頻階段，就會(huì)有非常高的硬度，如果在高頻域中，就會(huì)將其調(diào)整得比較軟，其性能非常優(yōu)良，能夠經(jīng)受比較大的振動(dòng)，能夠在一定程度上降低平衡軸的要求，還可以允許車輛自身的底盤降低[51]。主動(dòng)懸架系統(tǒng)主要由傳感器和電子控制器以及一個(gè)能量源組成，和被動(dòng)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行比較，主動(dòng)懸架系統(tǒng)會(huì)造成重量和成本的增加，對(duì)能量有所消耗，還會(huì)在一定程度上降低系統(tǒng)的可靠性，因此這種懸架的特性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性都需要不斷改善。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)的懸架系統(tǒng)在優(yōu)化上具有一定的局限性。很多研究在具體的分析中只是對(duì)模擬成線性的剛度以及阻尼的彈性進(jìn)行考慮，例如通過(guò)對(duì)液壓懸架的利用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)液壓懸架自身線性中的從屬頻率和阻尼特性有所考慮，但沒(méi)有顧及彈性懸架中存在的非線性剛度和阻尼以及從屬頻率與振幅。在懸架的剛度中，發(fā)動(dòng)機(jī)的總重和發(fā)動(dòng)機(jī)的重心位置以及實(shí)際車輛所發(fā)生的慣性運(yùn)動(dòng)之間的偏差是比較大的，這會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的懸架系統(tǒng)造成一定的影響，使優(yōu)化結(jié)果不理想，還會(huì)讓其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中受到限制。因此，加快車輛發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛系統(tǒng)的研究與改進(jìn)，已成為研究設(shè)計(jì)人員的重要課題。

[1]張偉，張文明，郭苗苗.礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)減振橡膠墊的隔振設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2013（6）:41-44.

[2]趙子男.基于懸架控制的車輛行駛平順性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

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A Research on the Development Status of Vehicle Engine Suspension System

LI Yu-zhu
(School of Automobile Technology,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China)

With the development of economy,science and technology,China has made great achievements in automobile manufacturing,and also in the researches of engine suspension system.Quality suspension system isolates the engine oscillation from other parts of the vehicle,and the system’s working condition is determined by the engine’s interaction force.The operation of the engine causes vibrations and bounces,that is to say,the dynamic stiffness and damping of the engine suspension is closely related to the vibration frequency and amplitude.The main concern of engine suspension system is the control of dynamic stiffness and damping which depends on the vibration frequency and amplitude characteristics.This paper studies the development status of vehicle engine suspension system,hoping to provide references for Chinese designers of automobile manufacturing enterprises.

vehicle engine;suspension system;development status

U 463.33

A

1671-4806（2017）06-0110-03

2017-09-02

李玉柱（1966—），男，山西定襄人，研究員級(jí)高工，研究方向?yàn)槠嚬こ獭?/p>

（編輯:林鋼）