维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第ｌ２期 （总第１８５期） 农业装备与车辆工程 ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｎｏ．１２ （Ｔｏｔａｌｌｙ １８５） 汽车动力总成液压悬置的研究发展 王芳 （浙江交通职业技术学院汽车系，浙江杭州３１１１１２） 摘要：在阐述汽车动力总成悬置系统的理想动特性的基础上，对被动液压悬置、半主动和主动控制式悬置结构厦工 作原理进行了总结，综述了三类悬置的研究发展现状。最后对各类悬置的性能特点进行了对比分析，并总结了各类 悬置的进一步研究方向。 关键词：液压悬置；隔振；主动控制 中圈分类号：ＴＨ１３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－３１４２（２Ｏｏ６）ｌ２—０ｏｌ８—０４ Ａ Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｍｏｕｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ ＷＡＮＧ．Ｆａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １ １ １ １２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ ｍｏｕｎｔ ｗａｓ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｕｎｔ，ｓｅｍｉ－ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｗｌ ｍｏｕｎｔ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｈｔｅ ａｒｔ ｏｆ ｈｔｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｏｕｎｔｓ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ． ｈＴｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｏｕｎｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｍｏｕｎｔｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ ａｓ ａ ｓｕｍｍａｒｙ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｈ）；ｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｕｎｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ０前言 制、半主动控制悬置的开发研究。 发动机是汽车主要振动和噪声源之一，汽车动 １被动液压悬置 力总成悬置系统是指发动机与车身之间的弹性连接 液压悬置是国外２０世纪７０年代末在汽车上开 系统，其性能的好坏不仅影响乘坐舒适性，而且影响 始使用的一种隔振元件，它是在原橡胶悬置的基础 着车辆的使用寿命。设计合理的发动机悬置系统可 上增加了封装粘性流体，借助流体的液力特性改善 以降低动力总成和车辆的振动水平，减少动力总成 橡胶悬置的动态特性，从而提供更好的隔振降噪特 传递到车身的激振力，同时降低地面不平度对动力 性。被动液压悬置的结构发展经历了从简单到复杂 总成的影响，从而明显提高车辆的耐久性和乘坐舒 的过程。 适性。这就要求悬置具有良好的动特性，即在低频 早期的液压悬置的上、下液室之间只有小孔连 时应具有大刚度、大阻尼；在高频时应具有小刚度、 接，它的减振原理是依靠液体流经小孔时产生的节 小阻尼。 流阻尼来衰减发动机的振动，其大阻尼特性在低频 按控制方式分，液压悬置分为被动式、主动控制 振动时可以控制发动机的位移，但高频时会恶化隔 式和半主动控制式。尽管目前普遍使用的液压悬置 振效果。 能在很大程度上起到隔振降噪的作用，但近几年来， 第二代液压悬置增加了解耦盘或解耦膜结构， 随着经济发展和公路交通环境的不断改善，以及受 阻尼孔演变成环形或螺旋形的惯性通道，解耦膜的 到能源、环保等问题的影响，轿车设计朝着轻量化方 作用就像是一个有限定位的浮动活塞；振幅很小的 向发展，同时人们对操纵稳定性和乘坐舒适性的要 时候，它提供小刚度、小阻尼；振幅很大时，它到达限 求不断提高，使得发动机引起的振动和噪声问题进 定位，提供大阻尼、大刚度，解耦膜的加入大幅度降 一步突出，被动悬置已难以满足隔振和降噪要求。 低了高频振动传递率，此类悬置具有较好的动特性， 为此，国内外各大汽车公司大都在积极进行主动控 应用范围较广。图１为 典型惯性通道一解耦膜式 液压悬置结构简图。 收稿日期：２００６－０９－２０ 新一代的液压悬置是在上液室中加入节流盘结 基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：５０２７５１３２）；浙江交通 构，实验分析表明，节流盘的加入使悬置在更宽的频 职业技术学院科研基金项目（编号：２００６—０６）。 作者简介：王芳（１９７７一）。女。山东齐河人，讲师，硕士，研究方向：机 带内具有良好的隔振特性。 械设计及理论。 ・１８・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 王芳：汽车动力总成液压悬置的研究发展 ２ｏ０ｌ６年ｌ２月 围１惯性通道一解耦膜式液压悬置筒圈 本文以一种典型的惯性通道一固定解耦膜式液 压悬置为研究对象，对其进行建模仿真分析并进行 了实验验证。 图２为液压悬置和橡胶主簧在同一预负载 ４００Ｎ，同一振幅ｌｍｍ下的低频动特性测试结果，从 图中可以看出在低于１７Ｈｚ时悬置的动刚度和橡胶 主簧的动刚度相差不大，在大于１７Ｈｚ后悬置的动 刚度远大于橡胶主簧的动刚度；橡胶主簧的滞后角 一般保持在ｌＯ度左右，基本不随频率而变化，液压 悬置的滞后角远大于橡胶主簧滞后角，说明了液压 悬置在低频时具有高动刚度、大阻尼特性，液压悬置 的液力部分对悬置的低频动特性具有决定性的作 用，隔振性能优于橡胶悬置。 被动液压悬置具有结构较简单、安装简便、成本 低，可以在一定频段内显著改善发动机振动、提高乘 ４０ ｕｇ ２０ 螺 ０ ０ ｌ０ １５ ２０ ２５ 频率Ｈｚ 图２液压悬置和橡胶主簧在相同激励下动特性比较 坐舒适性的优点，但为了能进一步提高悬置的隔振 性能，满足汽车在各种工况下的隔振要求，在国际上 又先后出现了半主动、主动控制式液压悬置。 ２半主动液压悬置 半主动控制液压悬置是在被动悬置的基础上增 加了控制单元和执行机构，结构较复杂，成本较高。 目前研究的半主动悬置主要有以下几种类型： ２．１开关型半主动悬置 这类悬置是在被动悬置的基础上增加了相应的 控制单元形成的，主要有两种类型：一种是控制解耦 膜，以提高低频、大振幅时的动刚度，降低高频、小振 幅时的动刚度；二是控制液压悬置中参与工作的惯 性通道的数量。对于双惯性通道液压悬置，控制机构 （如电磁阀）一般会控制其中的一个。当发动机怠速 时，两个惯性通道都参加工作，可减少由于发动机怠 速激励引起的系统振动；而当汽车在正常的工况下 行驶时，控制机构关闭其中的一个惯性通道。 ２．２改变截流面积半主动悬置 这类悬置是在被动悬置的惯性通道上装有调节 截面积的调节阀，通过调节惯性通道的截面积可以 改变悬置的动刚度和滞后角的峰值发生频率和最大 峰值的幅值，从而达到改变液压悬置动特性的目的。 ２．３磁流变液或电流变液半主动悬置 电流变液悬置的结构与传统的液压悬置很相 似，只是液室内换成了电流变液，各节流孔由施加了 高电压的电极组成。通过对电流变液施加不同的电 压，可改变其粘度，继而改变控制力一阻尼力大小。 图３为电流变液半主动悬置结构简图。 ＿ 一Ｊ 。 一。Ｉ， 。Ｉ／橡 ． 铴 ＼ ＼、 ，／ 一、 ｙ＼ Ｖ ＾ 图３电流变液半主动悬置结构筒图 磁流变（Ｍａｇｎｅｔｏ－ｒｈｅｏｌｏｇｙ）效应是在１９４８年由 Ｊａｃｏｂ Ｒａｂｉｎｏｗ发现的，它与几乎同时期被发现的电 流变（Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｒｈｅｏｌｏｇｙ）效应类似。但与电流变效应相 ・１９・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第ｌ２期 农业装备与车辆工程 比，磁流变效应的研究和应用却比较落后，但是近年 来的研究发现磁流变流体的流变特性虽与电流变流 体类似，它却具有许多电流变流体所不具备的优点， 如（１）低能耗、低成本；（２）最大屈服应力可以比电流 变流体高出一个数量级；（３）适应温度范围（一４Ｏ一 １５０￣Ｃ）；（４）流变特性不易受制造及使用中的杂质影 响等。 由于调节磁场强度的方式远比调节阻尼孔面积 置内的大活塞，与大活塞相连的小活塞的运动位移 对压电陶瓷的位移进行了放大，从而获得怠速工况 下减振所需的较大位移量。Ｄｏｕｇｌａｓ Ａ．Ｓｗａｎｓｏｎ等对 电磁作动器与橡胶悬置或液阻悬置并联构成的主动 悬置系统进行了研究，其原理是利用被动悬置隔离 发动机的低频（２０Ｈｚ以下）振动，通过作动器消弱高 频（２０—２００Ｈｚ）振动。图４为含有电磁作动器的主动 控制式液压悬置简图。 的方式方便，因此使用磁流变液悬置比普通的改变 截流面积悬置具有更高的灵活性和可控性，更容易 实现对阻尼力的无级调节。由于磁流变液具有上述 的优点，所以磁流变液半主动悬置成为目前研究的 一个方向。Ｓ．Ｂ．Ｃｈｏｉ等设计了磁流变液半主动悬 景，通过对磁流变液施加不同的电流，可改变其粘 度，继而改变阻尼力大小。将悬置安装到整车上进行 试验，试验结果表明，该悬置比被动液压悬置具有更 好的动特性。 半主动控制悬置可以根据车辆的具体工况实时 调节悬置的动态性能，实现广谱隔振、降噪的性能， 获得优于被动悬置的动特性。同时由于半主动悬置 是在被动悬置的基础上建立的，即使控制器出现故 障，仍能保证悬置具有被动悬置的功能，从而确保发 动机的安全运行。但由于半主动悬置较被动悬置增 加了控制单元和执行机构，结构较复杂，成本较高。 目前还没有得到广泛的应用。 ３主动液压悬置 主动控制式液压悬置一般由传感器、作动器、控 制器和被动液压悬置组成。其工作原理是通过作动 器直接产生动态力以抵消作用在悬置上的振动力， 由传感器为控制器提供控制信号，由控制器调节动 态力的幅值和相位，实现在汽车的各种行驶工况下 有效隔离发动机的振动传递，使在发动机和车体之 间的振动力大大减小，从而达到最佳的减振效果。 其中作动器的设计是主动悬置设计的重点和难点， 目前研究较多的是压电陶瓷作动器。压电作动器是 利用压电材料的逆压电效应，通过施加外部电场，将 电能转换成机械能的装置。它是一种易于控制的、 较理想的精密电驱动微位移作动器，具有响应速度 快、发热少、体积小、质量轻等优点，在主动控制方面 有很大的发展前景。 Ｔｏｓｈｉｙｕｋｉ Ｓｈｉｂａｙａｍａ等利用压电陶瓷作为作动 器设计了一种用于减少发动机怠速工况下大幅振动 的主动悬置，其原理是利用压电陶瓷作动器驱动悬 ・２０・ 图４主动控制式液压悬置 １．连接螺栓２．金属骨架３．橡胶主簧４．缓冲限位盘５．振动膜 ６．惯性通道体７．底膜８．电磁作动器９．底座１Ｏ．连接车架螺栓 主动控制式液压悬置响应速度快，比半主动控 制式悬置具有更好的隔振效果。但主动悬置增加了 汽车的质量，具有结构复杂、成本高、耗能大、可靠性 较低的缺点，因而主动悬置在汽车动力总成振动控 制中的应用非常有限。 ４各类悬置性能比较 详见表１。 表１各类悬置性能比较 结构 成本 能耗 动特性 可靠性 被动式 简单 低 小 一般 高 半主动控制式较复杂 较高 较大 较好 一般 主动控制式 复杂 高 大 最好 较低 ５结束语 汽车动力总成液压悬置是一个复杂的系统，目 前国外已经在设计、开发、制造等方面取得了一系列 （下转第２３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 杜建刚等：磁流变减振器的模控制及实验研究 ２ｏ０６年ｌ２月 ０，５８ 结果如图４所示，其中（ａ）是施加ＰＩＤ控制时磁流变减 Ｐ（ｋＮ） 振器的示功图，（ｂ）是施加模糊控制时的示功图。 实验结果表明，施加ＰＩＤ控制时的最大复原阻 尼力为３１０Ｎ，最大压缩阻尼力为８５．５Ｎ；施加模糊 。． ． 控制后，最大复原阻尼力可以达到４２５Ｎ，比施加 。．；：＝＝ｒ．一一 ，．‘ ＿・— ＰＩＤ控制时提高了３７％，最大压缩阻尼力可以达到 １ ２１７Ｎ。比施加ＰＩＤ控制时提高了１５３％。 可见，本文所设计模糊控制器的控制效果比传 －０．５８ 统的ＰＩＤ控制器的控制效果要好，能更充分地发挥 －４５ ０ （ｍｍ） ４５ 磁流变减振器的减振效能。 －０．４７ ｖ（ｍ／ｓ） ０，４７ ５结论 （ａ） 本文基于磁流变减振器的振动响应信号，将模 糊控制算法应用于磁流变减振器的控制。实验结果 表明，该模糊控制器能有效地调节磁流变减振器在 复原行程和压缩行程中的阻尼力，控制效果明显。 参考文献 【１】余淼，廖昌荣，李立新。陈伟民。黄尚廉．磁流变减振器控制研究 卟化学物理学报，２００１，１４（５）：６０４￣６１２． 【２】何青玮，林青，虞兰，张国贤．ＭＡＴＬＡＢ在汽车半主动悬架仿真中 的应用Ⅱ】．机床与液压，２００２，（３）：３４ ３６． 【３】 李士勇．模糊控制・神经控制和智能控制论【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨 工业大学出版杜。１９９８． 【４】Ａｌｅｋ￣ｎｄｅｒ Ｈａｃ，Ａｌｂｅｒｔ Ｖ．Ｆｒａｔｉｎｉ Ｊｒ．Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｉｍｔ Ｃｙｃｌｅｓ （ｂ） Ｄｕｅ ｔｏ Ｓｉｇｎａｌ Ｅｓｉｔｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｅｍｉ—Ａｃｔｉｖｅ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ田．ＳＡＥ，１９９９— 图４磁流变减撮器示功图 ０１－０７２８：１２５ １２５６． ［５】Ｊｕｎｉｃｈｉ Ｅｍｕｒａ，Ｓｈｉｎｏｂｕ Ｋａｋｉｚａｋｉ，Ｆｕｍｉｙｕｋｉ Ｙａｍａｏｋａ，Ｍｉｃｈｉｙａ 减振器的测试实验是在ＪＳＳ Ｏｏ－ｌ型减振器实验 Ｎａｋａｍｕｒａ＋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｍｉ—Ａｃｔｉｖｅ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ 台上进行的，目的是验证模糊控制算法的有效性。实验 ｏｎ ｔｈｅ Ｓｋｙ—Ｈｏｏｋ Ｄａｍｐｅｒ Ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＳＡＥ，９４０８６３：１１１０－１１１８． （上接第２Ｏ页） 研究成果。通过对被动、半主动、主动控制式悬置进 分析．汽车工程，２００２年（第２４卷）第２期． 行性能比较分析，可以看出被动液压悬置能基本满 ［２】王芳．汽车发动机液压悬置建模和优化方法研究．杭州：浙江大 学硕士学位论文，２００５．３ 足发动机隔振的需要，对此类悬置的研究主要是建 【３】蒋开洪，僚驰，上官文斌．汽车动力总成悬置动态特性及悬置系统 立准确的数学模型和进一步结合发动机进行系统级 振动控制设计．汽车研究与开发，２ｏｏ５（１Ｏ）． 【４】刘福水，葛蕴珊，等．半主动控制液力悬置的模拟和实验研究．北 的优化设计等；半主动、主动控制技术的应用，能提 京理工大学学报，２０００，２０（５）． 高悬置系统的隔振性能，但由于增加了控制器、传感 ［５】Ｂ；Ｆ．Ｓｐｅｎｃｅｒ，Ｊ．，ｅｔ ａ１．，Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ 器等元件，使得车辆加重，成本和能耗增加，可靠性 Ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄａｍｐｅｒ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＡＳＣＥ。 １９９７．１２３：Ｐ．２３０—２３８ 降低。随着研究的深入和技术的不断进步，半主动、 ［６Ｊ ｓ．Ｂ．Ｃｈｏｉ，ｅｔ ａ１．，Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ￣ａｔｕｆｉｎｇ 主动控制式悬置的成本和能耗将逐步降低、可靠性 ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅ ｍｏｕｎ￣，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｅｓｉｇｎ，２００３，Ｖｏ１．３３，Ｎｕｍｂｅｒｓ卜３，ＰＰ ２—１６ 将进一步提高，这两类悬置将被更广泛地应用。 ［７】Ｔｏｓｈｉｙｕｋｉ Ｓｈｉｂａｙａｍａ．Ａｃｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｍｏｕｎｔ ｆｏｒ ａ Ｌａｒｇｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ Ｉｄｌｉｎｇ Ｖｉｂｍｔｉｏｎ．ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ ９５１２９８ 参考文献 【８１ Ｓｗａｎｓｏｎ Ｄｏｕｇｈｓ Ａ，Ａｃｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｍｏｕｎ￣ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ．ＳＡＥ 【１】吕振华。梁伟，上官文斌．汽车发动机液阻悬置动特性仿真与实验 Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ ９３２４３２ －２３－
