半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析_吴礼刚
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振 第 30 卷第 4 期
动
与
冲
击 Vol． 30 No． 4 2011
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析
1 2 吴礼刚 ，段小成 ，黄 2 兴 ，徐
波拓普测试中心 MTS831 振动实验台（ 见图 2 ） 进行的， 实验方法、 数据处理方法与常规液阻悬置类似 。 由图 3 可见， 电磁阀通电时半主动液阻悬置静刚 度比电磁阀断电时对应的静刚度略大， 这是由于电磁
第4 期
吴礼刚等： 半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析
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图3
半主动液阻悬置静态特性
Abstract：
A semiactive engine mount （ SEM） with switchable stiffness decoupler was designed and manufactured，
and its dynamic characteristics were measured with MTS 831 servocontrolled hydraulic test rig． A linear lumped parameter （ LP） model for the SEM was proposed． The dynamic stiffness and loss angle of the SEM under high amplitude and low frequency excitation were calculated using the linear LP model． The results had a good agreement with the test data，which validated the proposed LP model． Some applications of SEM for solving NVH （ noise， vibration and harshness） problems in auto mobiles were illustrated． The presented conclusions were helpful for design and development of SEM． Key words： semiactive engine mount； switchable stiffness decoupler； lumped parameter model； dynamic analysis 被动式液阻悬置与早期的橡胶悬置相比， 明显改 善了汽车的行驶平顺性和舒适性， 且悬置结构尺寸小， 制造安装比较简单， 成本较低， 又不消耗发动机功率， 能够在某一段频率对发动机的振动起到很好的隔振和 因此目前得到了广泛的应用。 但被动式液 减振作用， 阻悬置和橡胶悬置一样， 一旦设计完毕， 其结构参数固 定， 动刚度与阻尼等特性不可调， 使得其性能不能随发 动机的转速和工况的变化作相应的变化。 解决这些矛 盾的有效方法是通过在线调节悬置内部参数以实现其 在不同工况下的动刚度与阻尼要求 。 目前主流的半主动悬置主要分为两大类： 第一类 是将电流变、 磁流变液等新型阻尼材料应用于悬置内 部通过控制外界的电流或电压以实现在不同工况下悬 置的动刚度与阻尼要求
［7 ］
2
半主动液阻悬置动态特性计算分析
根据半主动液阻悬置的工作原理， 可将其简化为 B r 为橡胶主簧的 图中 K r 、 如图 6 所示的集总参数模型， 刚度和阻尼系数。 橡胶主簧的作用有两个， 一是承受 动力总成的静、 动态载荷； 二是起类似活塞的作用， 使 液体在上、 下液室之间来回流动， 用等效活塞面积 A p 来表示该特性。 橡胶主簧在泵吸液体的过程中， 由于上液室液体 ， 的压力使其有一定的膨胀 橡胶主簧的这种膨胀特性 用体积柔度量来表示， 定义为其体积的变化与作用其 5 上压力的变化之比， 即 ΔV / ΔP ， 单位为 m / N， 体积柔度
Fig． 6 LP model of SEM 来自百度文库ith switchable decoupler
B d 为液体对解耦盘运动的速度阻尼系 面的粗糙度等， 大小取决于液体的粘性、 解耦盘结构尺寸等。 数， 由液体的连续方程可得
· ［7 ， 8， 10 ］
液体粘度、 解耦膜刚度等因素共同决定， 由主簧结构、 因此在电磁阀接合与断开两种状态下， 由于解耦膜刚 度的大小不一致导致橡胶主簧的体积刚度也不一样。 在图 6 所示的模型中， 电磁阀断电时橡胶主簧的体积 柔度用 C1 表示（ 其体积刚度为 K1 = 1 / C1 ） ； 电磁阀通电 时橡胶主 簧 的 体 积 柔 度 用 C' 1 表 示 （ 其 体 积 刚 度 为 K' 1 = 1 / C' 1 ） ， K' 1 ＞ K1 。 橡胶底膜的体积柔度用 C2 表 示（ 其体积刚度 K2 = 1 / C2 ） ， 由于橡胶底膜的厚度很薄 （ 通常为 2 mm 左右 ） ， 因此可以认为 C2 至少比 C1 （ 或
半主动液阻悬置结构及其性能实测
悬置结构及性能参数评价 图 1 为解耦膜刚 度 可 调 式 液 阻 悬 置 的 结 构 示 意
阀通电时解耦膜下膜面与气腔组成密闭的气腔导致解 耦膜刚度提高所致。电磁阀断电时解耦膜刚度有所降 低从而导致悬置静刚度变低。
B 两端分别与发动机和车架相连， 图， 其中 A、 液室隔板 两隔板端部固定环形解耦膜， 中间为螺旋型惯性通道， 其中解耦膜上膜面与上液室液体接触， 而解耦膜下膜 面与下隔板组成一密闭气腔， 气腔一端与大气相连通， 电磁阀活塞轴向运动可控制气腔是否密闭 。
基金项目： 宁波大学王宽诚幸福基金资助项目 收稿日期： 2009 － 11 － 30 修改稿收到日期： 2010 － 02 － 26 1976 年生 第一作者 吴礼刚 男， 博士后， 讲师， 1982 年生 通讯作者 段小成 男， 硕士， 工程师，
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振 动 与 冲 击
2011 年第 30 卷
1
1. 1
［1 ， 2， 3 ］
； 第二类是通过改变被动
［4 ， 5 ］
式液阻悬置内部结构， 如惯性通道长度、 截面积、 解耦 膜刚度等实现悬置动刚度与阻尼的调节 。 对半主动液阻悬置 的 动 力 学 特 性 实 验 和 仿 真 分 析， 已经获得人们的广泛重视。 研究的重点集中在电 流变或 磁 流 变 在 半 主 动 或 主 动 液 阻 悬 置 中 的 应 用 上
图2
半主动液阻悬置静态、 动态测试示意图
Fig． 2 Static and dynamic performance test sketch of SEM
图 4 与图 5 给出了半主动液阻悬置主方向 （ 轴向 ） 受到不同振幅激励时的动态特性。 由图可见， 半主动 液阻悬置的动刚度和滞后角随激振振幅和频率变化而 变化， 并且在电磁阀通电或断电状态下悬置的动刚度 和滞后角各有差异。 低频大振幅激励下， 电磁阀断电时悬置滞后角峰 5 Hz ， 30 Hz 处对应的 值频率为 所对应的滞后角为 20° ， 动刚度为 280 N / mm； 而电磁阀通电时悬置滞后角峰值 30 Hz 处对应的动 频率为 9 Hz， 所对应的滞后角为 60° ， 刚度为 500 N / mm。 可见电磁阀通电与否对悬置的动 刚度与滞后角影响较大： 电磁阀通电时悬置动刚度、 滞 后角峰值频率与其滞后角峰值均比电磁阀断电时要 高。汽车受到大振幅路面激励（ 如通过粗糙路面等 ） 时 电磁阀自动通电， 可以充分利用半主动液阻悬置的大 刚度、 大阻尼特性以衰减路面激励引起的车内振动 。 高频小振幅激励下， 电磁阀断电时所对应的动刚 度比电磁阀通电时的要小约一半， 在汽车怠速工况下， 由于发动机本身产生的激励主要为高频小振幅激励， 因此可以充分利用半主动液阻悬置电磁阀断电状态下 的小刚度、 小阻尼特性以利于发动机隔振。
［1 ， 2， 3， 6 ］
。目前国内对第二类半主动液阻悬置的研究
较少。本文介绍了一种解耦膜刚度可调式半主动液阻 悬置内部结构， 并实验测试了半主动悬置的静态特性、 动刚度和阻尼及其与激振频率和激振振幅的关系； 建 立了该半主动液阻悬置在电磁阀断电、 通电两种状态 下的动特性计算分析的集总参数模型， 利用该模型分 析了一半主动悬置的动刚度和滞后角； 计算结果和实 验值的对比结果证明了模型的正确性； 最后给出了半 主动悬置在解决发动机怠速抖动、 巡航和由于粗糙路 面激励引起的驾驶员座椅振动问题的应用实例 。
图1
解耦膜刚度可调式液阻悬置结构示意图
Fig． 1 SEM section with switchable stiffness decoupler
半主动液阻悬置的电磁阀端子与发动机控制单元 （ ECU） 连接， ECU 根据发动机转速控制电磁阀的通断， 通过接通和关闭悬置内部空气通道来控制悬置的动态 特性。 当电磁阀通电， 电磁阀活塞在电磁力的作用下堵 住气腔， 此时解耦膜下膜面与气腔呈现类似空气弹簧 的效果， 解耦膜整体刚度变高； 由于解耦膜刚度的提高 会引起上液室体积刚度的变高， 半主动液阻悬置会表 现出大刚度、 大阻尼特性。 当电磁阀断电， 电磁阀活塞在复位弹簧的作用下 使得解耦膜下膜面的气腔与大气相通， 解耦膜整体刚 度变小； 由于解耦膜刚度的降低会引起上液室体积刚 度的降低， 液阻悬置在受到外界激励时会表现出小刚 度、 小阻尼特性。 7］在电 半主动液阻悬置动特性的实验参考文献［ 液伺服激振实验台上进行， 其动特性常用动刚度 K d 和 滞后角 来表征。 1. 2 半主动液阻悬置静、 动态性能测试结果 半主动液阻悬置的静态、 动态特性的测试是在宁
Test and calculation for dynamic performances of a semiactive engine mount WU Ligang1 ，DUAN Xiaocheng2 ，HUANG Xing2 ，XU Chi2
（ 1． College of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211 ，China； 2． Ningbo Tuopu Steering System Co． ，Ltd，Ningbo 315806 ，China）
驰
2
（ 1． 宁波大学 信息学院， 宁波 315211 ； 2． 宁波拓普制动系统有限公司， 宁波 315806 ）
摘
要： 设计并制造了一种解耦膜刚度可调的半主动液阻型橡胶隔振器， 对其静态、 动态特性进行了实验测试 。
建立了半主动液阻悬置动特性计算分析的集总参数模型， 利用该模型计算分析了一半主动液阻悬置在低频大振幅激励下 计算结果和实验值的对比结果证明了模型的正确性 。给出了半主动液阻悬置在解决汽车在怠速 、 巡 的动刚度和滞后角， 航与粗糙路面激励下的驾驶员座椅振动问题的应用实例 。该分析方法和结论有助于被动式液阻悬置和半主动液阻悬置 的设计与开发。 关键词： 半主动液阻悬置； 可调刚度解耦膜； 集总参数模型； 动态特性分析 中图分类号： TH113 ； U464 文献标识码： A
图5
半主动液阻悬置高频小振幅激励下动态特性
图6
半主动液阻悬置集总参数模型
Fig． 5 SEM dynamic characteristics under high frequency and low amplitude excitation
5 的倒数定义为橡胶主簧的体积刚度， 单位为 N / m 。 对 本文的半主动液阻悬置而言， 其橡胶主簧的体积刚度
图4
半主动液阻悬置低频大振幅激励下动态特性
Fig． 3 Displacementforce characteristics of SEM
Fig． 4 SEM dynamic characteristics under low frequency and high amplitude excitation
动
与
冲
击 Vol． 30 No． 4 2011
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析
1 2 吴礼刚 ，段小成 ，黄 2 兴 ，徐
波拓普测试中心 MTS831 振动实验台（ 见图 2 ） 进行的， 实验方法、 数据处理方法与常规液阻悬置类似 。 由图 3 可见， 电磁阀通电时半主动液阻悬置静刚 度比电磁阀断电时对应的静刚度略大， 这是由于电磁
第4 期
吴礼刚等： 半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析
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图3
半主动液阻悬置静态特性
Abstract：
A semiactive engine mount （ SEM） with switchable stiffness decoupler was designed and manufactured，
and its dynamic characteristics were measured with MTS 831 servocontrolled hydraulic test rig． A linear lumped parameter （ LP） model for the SEM was proposed． The dynamic stiffness and loss angle of the SEM under high amplitude and low frequency excitation were calculated using the linear LP model． The results had a good agreement with the test data，which validated the proposed LP model． Some applications of SEM for solving NVH （ noise， vibration and harshness） problems in auto mobiles were illustrated． The presented conclusions were helpful for design and development of SEM． Key words： semiactive engine mount； switchable stiffness decoupler； lumped parameter model； dynamic analysis 被动式液阻悬置与早期的橡胶悬置相比， 明显改 善了汽车的行驶平顺性和舒适性， 且悬置结构尺寸小， 制造安装比较简单， 成本较低， 又不消耗发动机功率， 能够在某一段频率对发动机的振动起到很好的隔振和 因此目前得到了广泛的应用。 但被动式液 减振作用， 阻悬置和橡胶悬置一样， 一旦设计完毕， 其结构参数固 定， 动刚度与阻尼等特性不可调， 使得其性能不能随发 动机的转速和工况的变化作相应的变化。 解决这些矛 盾的有效方法是通过在线调节悬置内部参数以实现其 在不同工况下的动刚度与阻尼要求 。 目前主流的半主动悬置主要分为两大类： 第一类 是将电流变、 磁流变液等新型阻尼材料应用于悬置内 部通过控制外界的电流或电压以实现在不同工况下悬 置的动刚度与阻尼要求
［7 ］
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半主动液阻悬置动态特性计算分析
根据半主动液阻悬置的工作原理， 可将其简化为 B r 为橡胶主簧的 图中 K r 、 如图 6 所示的集总参数模型， 刚度和阻尼系数。 橡胶主簧的作用有两个， 一是承受 动力总成的静、 动态载荷； 二是起类似活塞的作用， 使 液体在上、 下液室之间来回流动， 用等效活塞面积 A p 来表示该特性。 橡胶主簧在泵吸液体的过程中， 由于上液室液体 ， 的压力使其有一定的膨胀 橡胶主簧的这种膨胀特性 用体积柔度量来表示， 定义为其体积的变化与作用其 5 上压力的变化之比， 即 ΔV / ΔP ， 单位为 m / N， 体积柔度
Fig． 6 LP model of SEM 来自百度文库ith switchable decoupler
B d 为液体对解耦盘运动的速度阻尼系 面的粗糙度等， 大小取决于液体的粘性、 解耦盘结构尺寸等。 数， 由液体的连续方程可得
· ［7 ， 8， 10 ］
液体粘度、 解耦膜刚度等因素共同决定， 由主簧结构、 因此在电磁阀接合与断开两种状态下， 由于解耦膜刚 度的大小不一致导致橡胶主簧的体积刚度也不一样。 在图 6 所示的模型中， 电磁阀断电时橡胶主簧的体积 柔度用 C1 表示（ 其体积刚度为 K1 = 1 / C1 ） ； 电磁阀通电 时橡胶主 簧 的 体 积 柔 度 用 C' 1 表 示 （ 其 体 积 刚 度 为 K' 1 = 1 / C' 1 ） ， K' 1 ＞ K1 。 橡胶底膜的体积柔度用 C2 表 示（ 其体积刚度 K2 = 1 / C2 ） ， 由于橡胶底膜的厚度很薄 （ 通常为 2 mm 左右 ） ， 因此可以认为 C2 至少比 C1 （ 或
半主动液阻悬置结构及其性能实测
悬置结构及性能参数评价 图 1 为解耦膜刚 度 可 调 式 液 阻 悬 置 的 结 构 示 意
阀通电时解耦膜下膜面与气腔组成密闭的气腔导致解 耦膜刚度提高所致。电磁阀断电时解耦膜刚度有所降 低从而导致悬置静刚度变低。
B 两端分别与发动机和车架相连， 图， 其中 A、 液室隔板 两隔板端部固定环形解耦膜， 中间为螺旋型惯性通道， 其中解耦膜上膜面与上液室液体接触， 而解耦膜下膜 面与下隔板组成一密闭气腔， 气腔一端与大气相连通， 电磁阀活塞轴向运动可控制气腔是否密闭 。
基金项目： 宁波大学王宽诚幸福基金资助项目 收稿日期： 2009 － 11 － 30 修改稿收到日期： 2010 － 02 － 26 1976 年生 第一作者 吴礼刚 男， 博士后， 讲师， 1982 年生 通讯作者 段小成 男， 硕士， 工程师，
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振 动 与 冲 击
2011 年第 30 卷
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［1 ， 2， 3 ］
； 第二类是通过改变被动
［4 ， 5 ］
式液阻悬置内部结构， 如惯性通道长度、 截面积、 解耦 膜刚度等实现悬置动刚度与阻尼的调节 。 对半主动液阻悬置 的 动 力 学 特 性 实 验 和 仿 真 分 析， 已经获得人们的广泛重视。 研究的重点集中在电 流变或 磁 流 变 在 半 主 动 或 主 动 液 阻 悬 置 中 的 应 用 上
图2
半主动液阻悬置静态、 动态测试示意图
Fig． 2 Static and dynamic performance test sketch of SEM
图 4 与图 5 给出了半主动液阻悬置主方向 （ 轴向 ） 受到不同振幅激励时的动态特性。 由图可见， 半主动 液阻悬置的动刚度和滞后角随激振振幅和频率变化而 变化， 并且在电磁阀通电或断电状态下悬置的动刚度 和滞后角各有差异。 低频大振幅激励下， 电磁阀断电时悬置滞后角峰 5 Hz ， 30 Hz 处对应的 值频率为 所对应的滞后角为 20° ， 动刚度为 280 N / mm； 而电磁阀通电时悬置滞后角峰值 30 Hz 处对应的动 频率为 9 Hz， 所对应的滞后角为 60° ， 刚度为 500 N / mm。 可见电磁阀通电与否对悬置的动 刚度与滞后角影响较大： 电磁阀通电时悬置动刚度、 滞 后角峰值频率与其滞后角峰值均比电磁阀断电时要 高。汽车受到大振幅路面激励（ 如通过粗糙路面等 ） 时 电磁阀自动通电， 可以充分利用半主动液阻悬置的大 刚度、 大阻尼特性以衰减路面激励引起的车内振动 。 高频小振幅激励下， 电磁阀断电时所对应的动刚 度比电磁阀通电时的要小约一半， 在汽车怠速工况下， 由于发动机本身产生的激励主要为高频小振幅激励， 因此可以充分利用半主动液阻悬置电磁阀断电状态下 的小刚度、 小阻尼特性以利于发动机隔振。
［1 ， 2， 3， 6 ］
。目前国内对第二类半主动液阻悬置的研究
较少。本文介绍了一种解耦膜刚度可调式半主动液阻 悬置内部结构， 并实验测试了半主动悬置的静态特性、 动刚度和阻尼及其与激振频率和激振振幅的关系； 建 立了该半主动液阻悬置在电磁阀断电、 通电两种状态 下的动特性计算分析的集总参数模型， 利用该模型分 析了一半主动悬置的动刚度和滞后角； 计算结果和实 验值的对比结果证明了模型的正确性； 最后给出了半 主动悬置在解决发动机怠速抖动、 巡航和由于粗糙路 面激励引起的驾驶员座椅振动问题的应用实例 。
图1
解耦膜刚度可调式液阻悬置结构示意图
Fig． 1 SEM section with switchable stiffness decoupler
半主动液阻悬置的电磁阀端子与发动机控制单元 （ ECU） 连接， ECU 根据发动机转速控制电磁阀的通断， 通过接通和关闭悬置内部空气通道来控制悬置的动态 特性。 当电磁阀通电， 电磁阀活塞在电磁力的作用下堵 住气腔， 此时解耦膜下膜面与气腔呈现类似空气弹簧 的效果， 解耦膜整体刚度变高； 由于解耦膜刚度的提高 会引起上液室体积刚度的变高， 半主动液阻悬置会表 现出大刚度、 大阻尼特性。 当电磁阀断电， 电磁阀活塞在复位弹簧的作用下 使得解耦膜下膜面的气腔与大气相通， 解耦膜整体刚 度变小； 由于解耦膜刚度的降低会引起上液室体积刚 度的降低， 液阻悬置在受到外界激励时会表现出小刚 度、 小阻尼特性。 7］在电 半主动液阻悬置动特性的实验参考文献［ 液伺服激振实验台上进行， 其动特性常用动刚度 K d 和 滞后角 来表征。 1. 2 半主动液阻悬置静、 动态性能测试结果 半主动液阻悬置的静态、 动态特性的测试是在宁
Test and calculation for dynamic performances of a semiactive engine mount WU Ligang1 ，DUAN Xiaocheng2 ，HUANG Xing2 ，XU Chi2
（ 1． College of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211 ，China； 2． Ningbo Tuopu Steering System Co． ，Ltd，Ningbo 315806 ，China）
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（ 1． 宁波大学 信息学院， 宁波 315211 ； 2． 宁波拓普制动系统有限公司， 宁波 315806 ）
摘
要： 设计并制造了一种解耦膜刚度可调的半主动液阻型橡胶隔振器， 对其静态、 动态特性进行了实验测试 。
建立了半主动液阻悬置动特性计算分析的集总参数模型， 利用该模型计算分析了一半主动液阻悬置在低频大振幅激励下 计算结果和实验值的对比结果证明了模型的正确性 。给出了半主动液阻悬置在解决汽车在怠速 、 巡 的动刚度和滞后角， 航与粗糙路面激励下的驾驶员座椅振动问题的应用实例 。该分析方法和结论有助于被动式液阻悬置和半主动液阻悬置 的设计与开发。 关键词： 半主动液阻悬置； 可调刚度解耦膜； 集总参数模型； 动态特性分析 中图分类号： TH113 ； U464 文献标识码： A
图5
半主动液阻悬置高频小振幅激励下动态特性
图6
半主动液阻悬置集总参数模型
Fig． 5 SEM dynamic characteristics under high frequency and low amplitude excitation
5 的倒数定义为橡胶主簧的体积刚度， 单位为 N / m 。 对 本文的半主动液阻悬置而言， 其橡胶主簧的体积刚度
图4
半主动液阻悬置低频大振幅激励下动态特性
Fig． 3 Displacementforce characteristics of SEM
Fig． 4 SEM dynamic characteristics under low frequency and high amplitude excitation