发动机悬置研究综述

工作产生的激励力包括两个部分：其一是由发动机点火不均匀形成的缸内脉冲气压及发动机工作不平衡所致；其二是由于行驶路面不平引起的振动激励。当振动固有频率与汽车某阶固有振动频率相等时，将引起共振，形成较大的振动和噪声。动力总成悬置是发动机与车身的连接部件，其主要功能在于衰减发动机的低频大幅振动、抑制驾驶室内产生高频噪音。

汽车动力总成悬置设计考虑以下技术要求：

（1）悬置的静刚度应较高，以保证能够支承动力总成重量和输出转矩的平稳。为快速衰减发动机的低频大幅振动应具有大阻尼。

（2）为降低动力总成到驾驶室的振动传递率，同时有效抑制驾驶室内的高频噪音。悬置在高频时应具有小阻尼和低的动态刚度。

动力总成悬置的发展经历了由橡胶悬置到液压悬置再到主动悬置的发展过程。

1 橡胶悬置 [1 ]

橡胶作为一种隔振材料由于其优良的性能广泛应用于悬置生产领域，其特点如下：

优点：

（1）三个方向刚度值可选，通过合理设计橡胶悬置的形状尺寸，可以优选悬置的铅垂、横向、纵向刚度值。

（2）橡胶作为一种优良的高分子材料，其硫化后产生的分子间的内摩擦比金属材料高出上千倍，可以有效衰减车辆的低频大幅振动。

（3）橡胶材料的来源广泛，生产成本低廉，广泛应用于机械隔振领域。

缺点：

（1）橡胶悬置由于自身的原因，耐高低温性能较差，通常工作于70 ℃以下，有些橡胶可以经受以上高温，但粘接性能较差。

（2）橡胶悬置不耐油。

图1为几种典型的橡胶悬置：

图1 几种典型的橡胶悬置

1930年Lord对橡胶悬置进行了结构研究 [6 ]，从此以后橡胶悬置由于其结构紧凑、价格便宜、便于维护、使用寿命长等优点而得到广泛应用。但是橡胶悬置在高频时具有较大的动刚度，见图4，试验表明当激振频率高于200 Hz时橡胶悬置的动刚度会突然增加。这一特性使得设计人员不能设计出符合悬置设计要求的高性能悬置系统。因为大的刚度和阻尼可以抑制低频大幅振动，但却恶化了悬置系统的高频降噪性能，而小的刚度和阻尼可以抑制高频振动噪声，却降低了悬置系统的低频隔振性能。因此，设计人员只能采取折中的办法来设计悬置系统 [3 ]。

2 液压悬置

20世纪80年代中期，科研人员研制出了液压悬置，其性能能够满足动力总成隔振和降噪两方面的技术要求。它在低频时可以提供低刚度和较大的阻尼，高频时可以提供小的动态刚度，而且液压悬置结构紧凑，安装方便。所以，推出后便得到广泛的重视，各大汽车制造商纷纷推出各自的基于液压悬置的隔振系统。

液压悬置的发展经历了由简单节流孔式液压悬置（图2）到惯性通道式液压悬置（图3）再到惯性通道一解耦膜式液压悬置（图4）的发展历程。

1978年，德国奥迪公司率先在奥迪5缸发动机上应用了液压悬置，并提出了三种液压悬置系统模型，首次将液阻悬置应用于实车，其后的理论分析和试验结果表明：该液压悬置系统能够较理想地满足动力总成悬置系统隔振和降噪两方面的要求。其特点是利用液压阻尼来增加悬置的低频刚度和阻尼，同时对高频的刚度影响较小。

1985年Berned等对发动机液压悬置系统进行了解耦优化，实验结果表明同橡胶悬置相比可降低噪声5 dB。

1987年美国一家公司开发了惯性通道-固定解耦膜式液阻悬置，并将其应用于一台发动机前置前轮驱动直列6缸汽油发动机悬置系统的车上，取得良好积减振效果。

1986年美国通用公司规定A型和K型车全部采用液阻悬置，同年福特公司将液压悬置应用于轻型货车上，表明液压悬置已经开始普及。

液压悬置经历了不断发展和完善的过程，主要包括简单节流孔式、惯性通道式、惯性通道-解耦膜式等几种，液压悬置以其优良的性能及低廉的价格广泛应用于各种类型的轿车及轻型车上。

图2 阻流孔式液阻悬置

图3 简单惯性通道式液阻悬置

图4 解耦膜式液阻悬置

但由于液压悬置自身的结构问题，在高频下出现动态硬化现象，使其减振降噪能力仍无法满足现代中高级轿车日益增长的对车内舒适性的要求。解耦膜式液压悬置虽然较好地解决了动态硬化问题，但由于解耦膜具有很强的非线性特性，导致悬置系统对阶梯信号和复合信号隔振效果较差，不能满足发动机隔振的要求 [7 ]。

3 半主动悬置

半主动悬置主要是液压悬置的进一步发展，具有阻尼可调的特性。半主动悬置指可根据输入信号，调整悬置的结构参数，进而优化动态特性，实现最佳减振降噪的目的。

例如半主动控制式液阻悬置可通过动态调节液压悬置惯性通道的截面积的方法改变减振器动刚度和阻尼的大小，从而达到改变悬置动态特性的目的。半主动悬置按其结构方式和工作原理可以分为：控制节流孔开度的半主动悬置、电流变液体半主动悬置、磁流变液体半主动悬置等几种。

1989年美国Avon公司开发了控制气体弹簧压力、调整悬置动特性的半主动液压悬置。

1990年德国Freudenberg公司推出了根据路况提供最优阻尼的半主动控制液压悬置。

1947年Willis Winslow发表了制作电流变液体的方法，被认为是最早的电流变理论。利用电流变液体的性质，Petek设计了一种半主动悬置，该悬置有一对平行的电极板，当施加电压的时候，电流变液体须克服屈服阻力才能流经电极，在上下两液室之间流动，此时阻尼值很大，可以有效衰减发动机的振动。在此基础上，Metzeler公司在世界上首先开发出电流变液体半主动液压悬置，标志着液压悬置由被动式向主动式发展的飞跃。

4 主动悬置

主动悬置一般由被动式液压悬置、作动器、传感器和控制机构组成。被动式液压悬置用于在低频作动器失效时支撑动力总成的质量，高频时作动器对控制信号作出快速反应，提供主动力用于衰减高频振动抑制造影。因此，主动悬置系统低频时具有较高的刚度、较大的阻尼快速消除发动机的大幅振动，高频时具有较低的刚度和较小的阻尼用以隔绝高频噪声，能够有效地提高车辆的乘坐舒适性。

主动悬置按作动器的形式可分为电磁式主动悬置、压电式主动悬置和电致伸缩式主动悬置等几种。

1988年Freudenberg公司在FWD式4缸发动机上应用了主动控制式液压悬置，取得了满意效果。

1988年Peter L. Graf等人设计了一种采用液压作动器的主动悬置。该悬置利用液压泵的压力驱动液体在悬置的上下液室之间流动。使作用在上液室的支反力与施加在其上的发动机不平衡扰动力相叠消。实验表明，使用该悬置后，汽车动力总成系统振动情况比被动式悬置降低了5～10 dB。

1994年德国人Michael Muller 等研究了带有电磁作动器的主动液压悬置，研究试验结果表明，可以降低驾驶员右耳处的声压至少10 dB。

2004年吉林大学郑瑞清等人提出了一种电致伸缩作动器液压悬置，该悬置利用电致伸缩材料的伸长位移与施加的电压平方成正比这一特性对发动机振动进行主动控制。

总的来说，发动机主动悬置技术的研究还不很成熟，成本较高，其性能和可靠性有待于进一步提高。但随着技术水平和加工工艺的提高，主动悬置必将成为新一代悬置系统的发展方向。

5 结束语

发动机悬置系统是车辆的重要的组成部分，其结构复杂，作用重要，存在一定的设计难度，动力总成悬置系统的发展经历了由橡胶悬置到液压悬置再到半主动悬置和主动悬置的发展过程，对于动力总成悬置系统而言，从橡胶悬置到半主动悬置虽然较好地解决了动力总成低频大幅振动的问题，但对动力总成高频噪声的衰减能力有限，随着科学技术的进步，控制技术不断发展，同时人们对车辆乘坐舒适性要求越来越高，国内外一大批科技人员加大了发动机主动悬置技术的研究，并取得了一系列重要成果。国内从事发动机主动悬置技术研究的人相对较少。为提高国产轿车的市场竞争力，我们应从中国的国情出发，大力开发性能优异的发动机主动悬置技术，形成自主知识产权的动力总成主动悬置技术，提高国产车辆的整车隔振降噪水平，为国产车辆的发展提供技术支撑。

参考文献：

[1 ] 王立公.轿车动力总成液压悬置隔振降噪技术的理论和应用研究 [D ].中国：吉林工业大学博士论文，1996.

[2 ] 严济宽.机械振动隔离技术 [M ].中国：上海科技文献出版社，1985.

[3 ] 季晓刚.汽车动力总成悬置研究的发展 [J ].中国：汽车科技，2004.

[4 ] 武一民等.车用橡胶悬置减振块的分析与研究 [J ] .中国：汽车研究与开发，2002.

[5 ] D.A. Swanson， Active engine mounts for vehicles [C ] . The U.S.A. ： SAE Paper，932432.

[6 ] H.C. Lord， Vibration dampening mounting [P ] . The U.S.A. Patent 1， 1930.

[7 ] 梁天也.发动机悬置研究综述 [J ].噪声与振动控制， 2007.

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