一、技术背景
随着我国综合国力的增强,人民生活水平显著提高,加之近年来00后、00后青年一代驾驶员增多,综合起来对汽车平顺性、舒适性都提出了新的要求。汽车的NVH(Noise,Vibration and Harshness,即噪声、振动与声振粗糙度)性越发凸显其重要性,特别是轿车的主要性能指标,越来越成为评价一个汽车品牌的重要因素之一。研究表明,汽车故障中约1/3问题和NVH有关,国外各大公司每年花费将近20%的费用用于解决车辆NVH问题。此外,伴随汽车排放法规的日渐严厉和新能源混动车的快速发展,小型强化发动机逐渐成为研究热点。由于三缸发动机具有机械效率和燃烧热效率高、节能减排、节省布置空间、价格低廉等诸多优势逐渐又重新被各大主机厂所青睐。然而,三缸机最大的缺点是NVH问题突出。众所周知,路面不平激励和发动机激励是汽车的两大振动噪声来源,如图1所示。来自车辆内部发动机的激励,经由悬置系统过滤后传递到副车架或车身,然后经方向盘和座椅等最终被车内人员所感知;来自车辆外部路面的激励,通过轮胎、悬架系统过滤后传递到车身被人体感知,以上两种激励所导致的车内振动通常是汽车振动噪声的最主要来源。
图1 车内振动主要来源
为了降低以上两大振源传递到车内的振动,汽车NVH工程师分别针对路面激励和发动机激励设置了悬架系统和悬置系统。而近年来,动力总成悬置系统由于种种原因越来越受到汽车工程师重视。其中主要包括:
(1)汽车NVH研究中对悬架系统研究较早,诸多技术已相当成熟;
(2)当前轿车动力总成设计既强调轻量化又追求高功率,使得其振动进一步加大;
(3)乘用车大都选取平衡性欠佳的四缸四冲程内燃机和承载式薄壁结构车身,也从侧面使得动力总成向车身传递振动增大。以上诸多因素直接导致了各主机厂对汽车动力总成悬置系统提出了新的更严厉的要求。
汽车动力总成悬置系统是为了隔离动力总成与车体之间的振动传递而特意安设的非常重要的弹性连接装置。其主要作用是支撑和固定动力总成,使其在汽车各种工况下均处于合理的设计位置;限制动力总成产生过大的位移,防止其与周围零部件发生碰撞或干涉;阻止动力总成向车架或车身侧传递振动。
悬置系统不仅能衰减来自动力总成的振动,还能在很大程度上隔离来自路面的激励。理想状态下,悬置系统应在较宽频率范围内高效隔振,以满足汽车所有工况下的减振降噪要求。因此它对于提高汽车NVH性及整车品质方面扮演着重要角色,是汽车NVH开发中的重要部分之一。然而在我国,汽车悬置系统的设计匹配及制造技术整体薄弱,其隔振性能普遍较差,直接导致了国产车乘坐舒适性欠佳和在市场上综合竞争力不高。
伴随汽车工业的不断发展和科技水平的不断提高,动力总成悬置已由最初的螺栓直接连接发展到目前的主动控制式悬置,其发展历程如图2所示。橡胶悬置虽然在低频段隔振效果较好,但阻尼较小且有高频动态硬化的问题;被动液压悬置一旦设计完成,其各参数均无法改变,不能满足汽车工况随时变化的要求;半主动悬置虽然能通过调节其性能参数或结构参数来改变其动特性,但往往也只能适应汽车部分工况的变化,无法满足汽车从启动到熄火全工况的变化。随着发动机混动、变缸和主动启停等节能减排技术的蓬勃发展,发动机产生的振动变得复杂而多变。发动机主动悬置(Active Engine Mount,AEM)系统是目前应对这一状况的主流方案。图2 动力总成悬置发展历程
二、技术原理
图3 主动悬置系统
图4 主动悬置系统简化模型
图5 电磁式主动悬置结构
图6 主动悬置控制结构
图7 大陆汽车电子研发的主动悬置及控制芯片
三、主动悬置种类
所谓主动悬置,可以简单理解为,在悬置结构中设计作动器,通过控制作动器输出的力的大小,来抵消发动机产生的波动的力,进而保证振动不能传递给驾驶员,提高整车的NVH特性。主动悬置是为追求极致的乘坐舒适性或者操纵性能而开发的,它能够根据实时路况和驾驶工况进行随时调整。当然,其能耗和成本也最高。目前,主动悬置主要有以下几种:图8 两种类型的电磁作动器
图9 奥迪S8电磁式主动悬置
(2)压电式主动悬置
压电式作动器是利用压电材料的逆压电效压,通过施加外部电场,将电能转换成机械能的装置。压电作动器的突出优点是反应时间短,响应速度快,频响可达几千赫兹或更高,驱动效率高,控制精度高,可在微米级或更低,可以与压电传感器做成一体。图10 压电式主动悬置
(3)电致伸缩式主动悬置
电致伸缩作动器与压电作动器的原理相似,所不同的是电致伸缩材料的特性是伸长的位移与施加的电压平方成正比,且电致伸缩材料几乎没有迟滞损失。2005年,吉林大学史文库教授等人在主动控制作动器的智能悬置中采用电致伸缩材料,结构如图11所示。图11 电致伸缩式主动悬置
(4)气动式主动悬置
气动式主动悬置是通过在气室中形成气体压力,实现液压悬置的动刚度和阻尼可调,从而使悬置满足不同激励频率段的隔振降噪要求。为了衰减更宽频率范围内的振动,2003年法国Hutchinson公司Gastineau等人提出了衰减振动频率范围是10〜90Hz气动式主动悬置。图12所示是法国Hutchinson公司生产的气动式主动悬置。2008年韩国东海橡胶Choijae-Yong等人研制了气动式主动悬置,通过控制器发出控制信号,控制电磁阀的开关,由于环境气体压力与真空压力存在压力差,当磁阀开启时,气流流入空气室。图12 Hutchinson公司的气动式主动悬置
(5)液压伺服式主动悬置
液压伺服式主动悬置主要由被动液压悬置+液压作动器组成。被动液压悬置是靠上下两个液室压力差来推动液体在惯性通道和解耦通道内流动,利用液体的节流损失和沿程损失来耗散振动能量。为了更大程度的优化上下液室的压力,可以将两个液室与外界液压泵相连,利用泵的压力驱动液体在两个腔之间流动,使作用在上液压的支反力与施加在其上的不平衡扰动力相抵消。液压作动器由一个液压缸和一个伺服阀组成。它能够在相对较小的结构尺寸下产生较大的位移和较大的作用力。
(6)形状记忆金属式主动悬置
形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是一种有特殊功能的合金,这种合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以变回到原来的形状。形状记忆合金利用这种形状记忆效应工作,表现为随着温度变化材料的金相产生转化,从而表现为宏观的位移。图13 形状记忆金属式主动悬置
四、主动悬置应用
目前,半主动悬置已经在各种中高端轿车上得到广泛应用 ,比较典型的有宝马725、通用凯迪拉克ATS 、现代维拉克斯、本田雅阁、奔驰ML250、奥迪Q5/A4 等,其中前4种为真空控制式,后两种为电控式。而主动悬置由于成本高、对控制精度要求高等原因,一直未得到广泛应用,目前采用主动悬置的仅有奥迪S6/S8/A8、保时捷911、雷克萨斯350、英菲尼迪QX50等豪车。但随着汽车驾乘体验升级和混动汽车技术的发展,未来一定会有越来越多的车型配置主动悬置。
图14 Porsche 911主动悬置结构图
图15 Audi S6用主动悬置
图16 装有主动悬置的Audi S6
图17 装有主动悬置的Audi S8
图18 装有主动悬置的Audi A8
图19 装有主动悬置的Lexus 350
图20 装有主动悬置的英菲尼迪QX50
注:文章中引用数据和图片来源网络
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