結(jié)構(gòu)參數(shù)對慣性通道液壓懸置特性的影響

摘 要：為分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對液壓懸置動剛度和滯后角的影響，采用集總參數(shù)的方法搭建液壓懸置的動力學模型；然后，分析慣性通道橫截面積、慣性通道長度、上腔柔度、慣性通道液體慣性系數(shù)以及慣性通道液體阻尼系數(shù)對懸置特性的影響。結(jié)果表明，增加慣性通道的橫截面積、長度、上腔柔度以及液體慣性系數(shù)，液壓懸置的動剛度和滯后角峰值以及峰值頻率均相應的增加；而改變慣性通道液體阻尼系數(shù)僅改變液壓懸置動剛度和滯后角的峰值大小。

關(guān)鍵詞：液壓懸置；結(jié)構(gòu)參數(shù)；動剛度；滯后角

中圖分類號：TB535

文獻標志碼：A

Influence of structural parameters on hydraulic mount characteristics of inertia channels

LIN Zhihong HUANG Yuedong XIE Hong

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Sanming University， Sanming 365004， China； 2.School of Marine Mechanical and Electrical， Xiamen Ocean Vocational College， Xiamen 361100， China;3. Xiamen Key Laboratory of Intelligent Fishery， Xiamen 361100， China）

Abstract： To analyze the influence of structural parameters on the dynamic stiffness and lag angle of hydraulic mount， a lumped parameter method was employed to construct a dynamic model of the hydraulic mount. Subsequently， the effects of the cross-sectional area， length， upper chamber flexibility， liquid inertia coefficient， and liquid damping coefficient of the inertia channel on mount characteristics were analyzed. The results show that with the increase of the cross-sectional area， length， upper chamber flexibility and liquid inertia coefficient of the inertia channel， the peak values and peak frequencies of the dynamic stiffness and lag angle of the hydraulic mount increase accordingly; while changing the liquid damping coefficient of the inertia channel only influences the peak values of the dynamic stiffness and lag angle of the hydraulic mount.

Key words： hydraulic mount; structural parameters; dynamic stiffness; lag angle

懸置是汽車的關(guān)鍵隔振組件，直接影響車輛的噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）性能。理想的發(fā)動機懸置需要在低頻大振幅下具備大剛度和大阻尼，降低發(fā)動機與車身的相對位移傳遞率；在高頻小振幅下則需要小剛度和小阻尼，以最小化發(fā)動機傳遞給車身的力傳遞率[1]。

盡管橡膠懸置在低頻表現(xiàn)良好，價格低廉[2]，但隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，激勵頻率增加導致出現(xiàn)動態(tài)硬化問題，無法滿足高頻隔振需求。液壓懸置在低頻時提供良好隔振性能[3]，但橡膠懸置存在低頻阻尼不足、高頻硬化及抗高溫性能差等問題。因此，液壓懸置由于其更出色的隔振性能，更適應汽車對懸置性能的高要求。液壓懸置由李曉漢[4]提出，將橡膠和液壓減振器結(jié)合為一種新型減振器。相較于橡膠懸置，液壓懸置在低頻時具有更大的動剛度和阻尼，改善了發(fā)動機的低頻隔振效果；而在高頻方面表現(xiàn)出較小的動剛度和阻尼，提升了舒適性和振動噪聲性能[5-7]。液壓懸置降低了噪聲水平5 dB，沖擊振動水平降低了2/3[8]。SINGH等[9]首次詳細闡述了液壓懸置的理論，包括模型線性化和建模的懸置參數(shù)。KIM等[10-13]通過理論和實驗系統(tǒng)研究了液壓懸置的動態(tài)特性。ADIGUNNA等 [14]建立了完整的非線性液壓懸置數(shù)學模型，揭示了非線性解耦膜的工作原理。YOON等 [15-16]提出了解決液壓懸置傳遞力難題的模型。LI[17]則通過優(yōu)化慣性通道，降低了發(fā)動機與車身相對位移傳遞率。OHADI等[18]考慮了解耦膜非線性，建立了四缸V形發(fā)動機懸置的數(shù)學模型，并分析了節(jié)流盤結(jié)構(gòu)對懸置系統(tǒng)隔振效果的影響。國內(nèi)研究始于徐石安等[19]的懸置優(yōu)化設計。上官文斌等[20]通過流固耦合方法深入分析了解耦膜液壓懸置的動態(tài)特性。張云清[21]提出了多慣性通道液壓懸置，研究了慣性通道數(shù)量與懸置低頻動態(tài)特性的關(guān)系。張云俠[22]建立了不同液壓懸置類型的集總參數(shù)模型，系統(tǒng)地分析了結(jié)構(gòu)對懸置動態(tài)特性的影響。

綜上所述，液壓懸置研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和隔振分析，但是關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)對液壓懸置頻域特性的影響研究較少?；谝陨媳尘埃疚氖紫惹蠼庖簤簯抑玫募倕?shù)模型；其次，基于獲得的集總參數(shù)模型研究液壓懸置慣性通道等效橫截面積、慣性通道長度、上腔柔度、慣性通道液體慣性系數(shù)以及慣性通道液體阻尼系數(shù)對液壓懸置動態(tài)特性的影響。

1 單慣性通道液壓懸置集總參數(shù)模型

圖1為單慣性通道液壓懸置。液壓懸置結(jié)構(gòu)包括：主簧橡膠、上腔、慣性通道、下腔以及橡膠底膜。其中，主簧橡膠為懸置提供一定的剛度和阻尼來支撐靜態(tài)發(fā)動機的自重。液壓懸置上腔和下腔充滿防凍液和水的混合物，當液壓懸置受到外部激勵（發(fā)動機激勵或者路面激勵）時，液壓懸置腔內(nèi)壓力發(fā)生變化，導致液體在中間環(huán)形的慣性通道來回流動，為懸置提供較大的阻尼以此損耗外部激勵振動帶來的能量，達到隔振的作用。同時，液壓懸置受到外部激勵時，上下腔的液體在慣性通道內(nèi)從上腔流向下腔，柔性橡膠膜起著蓄能作用。

圖2展示了在激勵頻率為f=0～30 Hz范圍內(nèi)的單慣性通道液壓懸置的動態(tài)特性，包括動剛度和滯后角。從圖2可以觀察到，液壓懸置的動剛度和滯后角表現(xiàn)出強烈的頻率依賴性。在初始情況下，液壓懸置各自的動剛度和滯后角分別為250 N/mm和0。隨著激勵頻率增加，液壓懸的結(jié)構(gòu)參數(shù)逐漸增大，達到各自的峰值后開始緩慢下降。最終，液壓懸的結(jié)構(gòu)參數(shù)趨于不隨激勵頻率變化，表現(xiàn)出高頻硬化的現(xiàn)象。

這種頻率依賴性的變化特征對于理解液壓懸置的動力學行為至關(guān)重要。分析動剛度和滯后角隨頻率的變化，可以更深入地了解液壓懸置在不同頻率下的響應，并為系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供有力的依據(jù)。高頻硬化現(xiàn)象的發(fā)生可能對車輛的振動控制和舒適性產(chǎn)生影響，因此需要在設計中加以考慮。同時，結(jié)合圖2和表1可知，液壓懸置的滯后角峰值頻率處于6.91～9.31 Hz之間。

1.1 慣性通道液壓懸置參數(shù)對其動態(tài)特性的影響

1.1.1 慣性通道等效橫截面積Ai對液壓懸置動態(tài)特性的影響

圖3為慣性通道的等效橫截面積Ai對液壓懸置動態(tài)特性的影響。結(jié)合表1參數(shù)和式（1）～式（6）以及式（12）～式（16），液壓懸置其余參數(shù)不變的情況下，增加慣性通道的等效橫截面積Ai會導致液壓懸置在受到激勵時表現(xiàn)出更大的動剛度和滯后角。這意味著懸置系統(tǒng)對外部激勵的響應變得更為堅硬和滯后，可能在需要更高剛度的振動控制場景中發(fā)揮作用。然而，在一些應用中，較小的動剛度和滯后角可能更為適用，例如在追求車輛舒適性的情況下。因此，在設計中需要綜合考慮慣性通道等效橫截面積的選擇，以滿足特定應用的需求。

1.1.2 慣性通道長度L對液壓懸置特性影響

結(jié)合表1參數(shù)和式（1）～式（6）以及式（12）～式（16），在液壓懸置其余參數(shù)不變的情況下，增加慣性通道的長度L，液壓懸置的動態(tài)響應變得更加柔軟，見圖4。動剛度和滯后角減小，表明液壓懸置在受到激勵時更容易產(chǎn)生更大的位移響應，并且在峰值頻率上表現(xiàn)出更大的振動幅度。這種趨勢可能在需要提高車輛舒適性和振動減緩的應用場景中是有利的。

1.1.3 上腔柔度C₁對液壓懸置特性影響

1.1.4 慣性通道液體慣性系數(shù)I_i對液壓懸置特性影響

1.1.5 慣性通道液體阻尼系數(shù)R_i對液壓懸置特性影響

圖7為阻尼系數(shù)Ri對液壓懸置動態(tài)特性的影響。結(jié)合表1參數(shù)和式（1）～式（6）以及式（12）～式（16），液壓懸置其余參數(shù)不變的情況下，改變阻尼系數(shù)Ri，液壓懸置的動剛度和滯后角各自的峰值隨著液體阻尼系數(shù)增加而減小。阻尼增加會導致系統(tǒng)的動態(tài)剛度以及滯后角減小，從而影響系統(tǒng)對外部激勵的響應。值得注意的是，峰值頻率并不隨液體阻尼系數(shù)變化而變化，這表明調(diào)節(jié)液體阻尼系數(shù)主要影響系統(tǒng)的動剛度和滯后角的峰值，而不會改變峰值頻率。

2 結(jié)論

1）液壓懸置系統(tǒng)中，慣性通道的等效橫截面積Ai、長度L，上腔的體積柔度C1以及慣性通道液體的慣性系數(shù)Ii和阻尼系數(shù)Ri是影響動力學特性的重要參數(shù)。這些參數(shù)的變化會直接影響液壓懸置的動剛度和滯后角，從而影響系統(tǒng)的隔振性能。慣性通道液體的慣性系數(shù)Ii和阻尼系數(shù)Ri分別表征了液體對于加速度的慣性作用和阻尼效應。這兩個參數(shù)變化均可以改變液壓懸置的動剛度和滯后角峰值大小。

2）需要注意的是，慣性通道阻尼系數(shù)Ri的變化對動剛度和滯后角的峰值有明顯影響，但對峰值頻率的影響有限。在液壓懸置系統(tǒng)的設計和優(yōu)化過程中，對這些參數(shù)進行合理的調(diào)節(jié)和選擇，可以實現(xiàn)系統(tǒng)在不同工況下的最佳性能，提高汽車的整體NVH性能。

參考文獻：

[1]SHANGGUAN W B. Engine mounts and powertrain mounting systems： a review[J]. International Journal of Vehicle Design， 2009， 49（4）： 237-258.

[2]林智宏， 吳明忠， 陳云瀟， 等. 基于AMEsim的不同慣性通道與孔流道組合液壓懸置特性分析[J]. 邵陽學院學報（自然科學版）， 2023， 20（3）： 26-34.

[3]HAUSBERG F， SCHEIBLEGGER C， PFEFFER P， et al. Experimental and analytical study of secondary path variations in active engine mounts[J]. Journal of Sound and Vibration， 2015， 340： 22-38.

[4]李曉漢. 汽車發(fā)動機的液壓懸置[J]. 國外汽車， 1986， 34（5）： 14-17， 60.

[5]MARJORAM R H. Pressurized hydraulic mounts for improved isolation of vehicle cabs[C]//SAE Technical Paper Series. 400 Commonwealth Drive， Warrendale， PA， United States： SAE International， 1985： 852349.

[6]BERNUCHON M. A new generation of engine mounts， 1984[C]//SAE Technical Paper Series. 400 Commonwealth Drive， Warrendale， PA， United States： SAE International， 1984： 840259.

[7]CORCORAN P E， TICKS G H. Hydraulic engine mount characteristics[C]//SAE Technical Paper Series. 400 Commonwealth Drive， Warrendale， PA， United States： SAE International， 1984： 840407.

[8]YU N， NAGANATHAN N G， DUKKIPATIT R V. Review of automotive vehicle engine mounting syst-ems[J]. International Journal of Vehicle Design， 2000， 24（4）： 299-319

[9]SINGH R， KIM G， RAVINDRA P V. Linear analysis of automotive hydro-mechanical mount with emphasis on decoupler characteristics[J]. Journal of Sound and Vibration， 1992， 158（2）： 219-243.

[10]KIM G， SINGH R. A study of passive and adaptive hydraulic engine mount systems with emphasis on non-linear characteristics[J]. Journal of Sound and Vibration， 1995， 179（3）： 427-453.

[11]HE S， SINGH R. Estimation of amplitude and frequency dependent parameters of hydraulic engine mount given limited dynamic stiffness measurements[J]. Noise Control Engineering Journal， 2005， 53（6）： 271-285.

[12]HE S， SINGH R. Approximate step response of a nonlinear hydraulic mount using a simplified linear model[J]. Journal of Sound and Vibration， 2007， 299（3）： 656-663.

[13]LEE J H， SINGH R. Nonlinear frequency responses of quarter vehicle models with amplitude-sensitive engine mounts[J]. Journal of Sound and Vibration， 2008， 313（3/5）： 784-805.

[14]ADIGUNA H， TIWARI M， SINGH R， et al. Transient response of a hydraulic engine mount[J]. Journal of Sound and Vibration， 2003， 268（2）： 217-248.

[15]YOON J Y， SINGH R. Indirect measurement of dynamic force transmitted by a nonlinear hydraulic mount under sinusoidal excitation with focus on super-harmonics[J]. Journal of Sound and Vibration， 2010， 329（25）： 5249-5272.

[16]YOON J Y， SINGH R. Dynamic force transmitted by hydraulic mount： Estimation in frequency domain using motion and/or pressure measurements and quasi-linear models[J]. Noise Control Engineering Journal， 2010， 58（4）： 403-419.

[17]LI Y， JIANG J Z， SA N. Optimal fluid passageway design methodology for hydraulic engine mounts considering both low and high frequency performances[J]. Journal of Vibration and Control， 2019， 25（21/22）： 2749-2757.

[18]OHADI A R， FA K V. Effect of bell plate on vibration behavior of automotive engine supported by hydraulic engine mounts[J]. SAE Technical Papers， 2007-01-2364.

[19]徐石安， 肖德炳， 鄭樂寧， 等. 發(fā)動機懸置的設計及其優(yōu)化[J]. 汽車工程， 1983（3）： 14-25.

[20]上官文斌，呂振華. 汽車發(fā)動機液壓懸置液-固耦合非線性動力學仿真[J]. 機械工程學報， 2004（8）： 80-86.

[21]張云清. 發(fā)動機懸置系統(tǒng)動力學建模及優(yōu)化研究[D]. 武漢： 華中科技大學， 2011.

[22]張云俠. 液阻懸置動態(tài)特性仿真與試驗研究[D]. 上海： 上海交通大學， 2007.

[23]林智宏. 新節(jié)流盤多慣性通道懸置隔振研究與發(fā)動機懸置系統(tǒng)解耦[D]. 泉州： 華僑大學， 2022.