汽车动力总成悬置系统的前生今世
目前,汽车的振动和噪声控制逐渐成为汽车设计人员需要解决的首要问题之一, 因而对隔离发动机振动噪声向车内传递的关键部件—发动机悬置系统的设计要求越来越高。几十年来,人们对汽车动力总成悬置系统进行了大量的研究。
(1) 橡胶悬置:
汽车工业发展初期,动力总成直接用螺栓刚性地连接到车架上,这样不仅严重地影响了汽车的乘坐舒适性,也常常造成动力总成零部件的损坏。
橡胶悬置的力学模型 橡胶悬置的动刚度特性
19 世纪 30 年代,人们开始用橡胶悬置来隔离动力总成振动向车身的传递。橡胶属于高分子材料,除了具有良好的弹性还具有较好的内阻尼特性。橡胶内阻尼产生机理是当外力作用于橡胶时,橡胶元件要克服分子之间的内摩擦力,因此产生的应变滞后于应力,使部分机械能转化成热能耗散到周围环境中。所以,使用橡胶来连接发动机和车架,减小了动力总成向车架的振动传递,在一定程度上改善了汽车的乘坐舒适性。橡胶悬置的力学模型,其中包括一个弹簧和一个阻尼器,橡胶悬置的高频动刚度大于低频动刚度。大刚度、大阻尼的橡胶悬置具有较好的低频隔振效果,但其高频隔振效果就很差,而且会出现高频动态硬化。
(2) 液压悬置:
20 世纪四十年代初,美国 Richer Harding 和 Strachousky 提出了将液力减振机构和橡胶悬置结合成一体的思想。
随着新工艺、新材料的发展,20 世纪七十年代末研制出了一种具有频变特性(频变刚度和频变阻尼)的液压阻尼式橡胶悬置,即液阻悬置。它是将橡胶元件与液压减振机构组合在一起,比纯橡胶悬置具有优良的减振性能。
1962 年,通用公司的 Richard Rasmussen 率先申请了液压悬置的专利。20 世纪 70年代末,国外的轿车动力总成开始采用液压型橡胶悬置(Hydraulically Damped
RubberMount,HDRM),简称液压悬置(Hydraulically Damped Mount,HDM)。
1979 年,大众汽车公司第一次在其生产的轿车上安装了液阻悬置,以提高乘坐舒适性。试验结果表明,液阻悬置比橡胶悬置的动特性更符合理想悬置特性的要求。
液阻悬置的动刚度和损失角具有较强的频变特性,而橡胶悬置的动刚度和损失角基本上不随频率变化,液阻悬置的动刚度在 10Hz 左右达到最小,在 20Hz 左右达到最大,然后开始下降,当频率超过 30Hz 后趋于平稳;液压悬置的阻尼损失角在5~25Hz 范围内比较大,在 10Hz 左右达到最大,这一性能有利于衰减发动机怠速频段(一般为 20~28Hz)的大振幅振动。
橡胶悬置和液阻悬置动态特性比较
1983 年,Bernard 等对发动机液压悬置系统进行了优化,试验证明可降低噪声5dB。
1984 年,Escan 公司开发了惯性通道—固定解耦膜式液压悬置,应用于一种前置后驱(FR)式汽车的直列 6 缸汽油发动机悬置系统,取得了良好的效果。
1985 年,美国通用公司规定 A 型和 K 型车全部采用液压悬置,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。
1987 年,美国 Avon 公司开发了通过控制气体弹簧气压来调整其动特性的液压悬置,同时在 Herrich 实验室开始开发研制主动控制式液压悬置,这标志着液压悬置己由被动式向半主动和主动控制方向发展。
1988 年,法兰克福汽车展览会上,Freudenburg 公司展出了可根据路况自动寻找最优阻尼的半主动控制式液压悬置;Metzeler 公司首次成功地开发出电流变液体式的液压悬置;同年,Freudenburg 公司在四缸发动机上应用主动控制式液压悬置,与被动式液压悬置相比隔振效果比较理想。
1995 年,Delphi 底盘系统公司将主动式液压悬置应用于四缸发动机动力总成。
1998 年,丰田汽车公司在凌志 Lexus RX300 轿车上首次批量采用了主动控制式发动机悬置系统。
总之,20 世纪 80 年代以来,世界各大汽车公司和研究机构竞相研究开发液压悬置(HEM),使之得到了迅速发展,现已成为汽车动力总成的主要隔振技术之一。
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