空氣彈簧式半主動(dòng)懸置設(shè)計(jì)與匹配研究

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（1長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程研究總院；2汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

空氣彈簧式半主動(dòng)懸置設(shè)計(jì)與匹配研究

陳代軍1,2付江華1,2袁杰1,2沈中元1,2劉瑞1,2

（1長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程研究總院；2汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

設(shè)計(jì)了一種通過(guò)電磁閥控制解耦膜剛度的空氣彈簧式半主動(dòng)懸置。建立了基于AMESim仿真平臺(tái)的半主動(dòng)液壓懸置模型，分析了動(dòng)剛度和阻尼角曲線(xiàn)。在整車(chē)上根據(jù)起動(dòng)、怠速、加速、沖擊等工況下激勵(lì)的不同對(duì)懸置工作模式進(jìn)行了匹配。分析結(jié)果表明，該懸置可以在較寬頻率范圍內(nèi)明顯改善乘坐舒適性及降低車(chē)內(nèi)噪聲和振動(dòng)，具有剛度阻尼可調(diào)范圍大、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 前言

半主動(dòng)懸置類(lèi)型主要包含變流道式[1]、磁流變液式[2]和空氣彈簧式[3]3種。變流道式半主動(dòng)懸置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高；磁流變液式半主動(dòng)懸置剛度阻尼可變范圍低；而空氣彈簧式半主動(dòng)懸置則具有剛度阻尼可調(diào)范圍大、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文以空氣彈簧式半主動(dòng)懸置為研究對(duì)象。

目前，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)半主動(dòng)懸置的研究主要為對(duì)單體動(dòng)特性的仿真與測(cè)試[4，5]，對(duì)于半主動(dòng)懸置在整車(chē)上的匹配研究相對(duì)較少。本文設(shè)計(jì)了空氣彈簧式半主動(dòng)懸置結(jié)構(gòu)，建立了基于AMESim仿真平臺(tái)的半主動(dòng)液壓懸置模型，仿真了動(dòng)剛度和阻尼角曲線(xiàn)。在整車(chē)上根據(jù)起動(dòng)、怠速、加速、沖擊等工況下激勵(lì)的不同對(duì)懸置工作模式進(jìn)行了匹配。試驗(yàn)結(jié)果表明，該半主動(dòng)懸置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、剛度阻尼可調(diào)范圍大及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)整車(chē)不同工況下懸置工作模式的合理匹配，該懸置既能在怠速及加速工況下具有良好的隔振性能，又能在起動(dòng)及沖擊路面工況下具有良好的減振性能，可以在較寬頻率范圍內(nèi)明顯改善乘坐舒適性及降低車(chē)內(nèi)噪聲和振動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

2 空氣彈簧式半主動(dòng)懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的空氣彈簧式半主動(dòng)液壓懸置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其解耦膜與隔板形成一個(gè)空氣腔，通過(guò)控制該空氣腔的開(kāi)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)解耦膜的剛度控制，進(jìn)而改變上液室的體積剛度，達(dá)到改變液壓懸置動(dòng)態(tài)特性的目的。

圖1中空氣腔的開(kāi)閉由電磁閥控制，電磁閥通過(guò)電線(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元連接，電子控制單元以發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的轉(zhuǎn)速作為輸入信號(hào)控制電磁閥的開(kāi)閉。當(dāng)電磁閥接通電源時(shí)，中心軸在電磁力的作用下克服彈簧的彈性力作用向前運(yùn)動(dòng)，將液壓懸置空氣腔與外界大氣的通孔密封，此時(shí)該空氣腔為密閉空氣腔，解耦膜剛度增大，懸置性能表現(xiàn)為高動(dòng)剛度、高阻尼，此工作模式為ON模式。電磁閥電源關(guān)閉時(shí)，電磁閥的電磁力失效，在彈簧彈性力作用下，中心軸被拉回到初始位置，液壓懸置空氣腔與外界大氣連通，解耦膜剛度降低，懸置性能表現(xiàn)為低動(dòng)剛度、低阻尼，此工作模式為OFF模式。

3 空氣彈簧式半主動(dòng)懸置動(dòng)特性分析

3.1 動(dòng)特性仿真模型

根據(jù)半主動(dòng)液壓懸置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，建立基于AMESim多領(lǐng)域仿真平臺(tái)的半主動(dòng)液壓懸置模型如圖2所示。

模型中各個(gè)模塊模擬的對(duì)象如表1所示。從表1中可以看出，該模型很好的模擬了空氣彈簧式半主動(dòng)液壓懸置的主簧、上液室、解耦膜、慣性通道、空氣腔和下液室等結(jié)構(gòu)的工作原理，并通過(guò)模擬空氣腔的開(kāi)放和封閉狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)懸置ON、OFF兩種工作狀態(tài)的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)懸置動(dòng)特性的控制。

表1 空氣彈簧式半主動(dòng)液壓懸置仿真模型模擬對(duì)象及參數(shù)

3.2 動(dòng)特性仿真結(jié)果

進(jìn)行模型仿真時(shí)，首先對(duì)懸置施加-1.3 kN的預(yù)載，進(jìn)而通過(guò)信號(hào)輸入端加載諧波位移激勵(lì)，激勵(lì)頻率范圍為1～50 Hz，頻率步長(zhǎng)為1 Hz，幅值為1 mm。通過(guò)信號(hào)控制端控制懸置的ON、OFF模式；通過(guò)力響應(yīng)端提取力信號(hào)。由此獲得半主動(dòng)液壓懸置在ON、OFF模式時(shí)的動(dòng)剛度和阻尼角曲線(xiàn)，與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，仿真與試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好，誤差在可接受的范圍內(nèi)，可以驗(yàn)證所建半主動(dòng)液壓模型的準(zhǔn)確性。

3.3 動(dòng)特性臺(tái)架試驗(yàn)

在MTS臺(tái)架上進(jìn)行振幅為1mm的動(dòng)剛度和阻尼角測(cè)試，試驗(yàn)中懸置的ON、OFF模式用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行手動(dòng)控制。ON模式20Hz以上動(dòng)剛度為OFF模式2倍左右，10Hz左右阻尼角為OFF模式的2.5倍左右，可知本文設(shè)計(jì)的半主動(dòng)液壓懸置剛度和阻尼可變范圍比較大。

在臺(tái)架上進(jìn)行動(dòng)特性試驗(yàn)時(shí)，為了驗(yàn)證該半主動(dòng)懸置工作模式切換響應(yīng)速度，通過(guò)外接直流電源的通電和斷電來(lái)回切換進(jìn)行ON、OFF模式切換試驗(yàn)，所測(cè)動(dòng)剛度曲線(xiàn)如圖5所示。

從圖5中可以得知，兩種工作模式來(lái)回切換時(shí)動(dòng)剛度值與單獨(dú)進(jìn)行兩種模式試驗(yàn)所測(cè)剛度值幾乎完全吻合，由此可以驗(yàn)證本文所涉及的半主動(dòng)液壓懸置在不同工作模式之間切換時(shí)響應(yīng)速度比較快，可以通過(guò)即時(shí)切換工作模式達(dá)到理想的動(dòng)特性。

4 整車(chē)匹配與試驗(yàn)

需要根據(jù)懸置在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、怠速、加速、沖擊路面等工況下受到的激勵(lì)不同而匹配相應(yīng)的工作模式。工作模式利用控制器以車(chē)速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)為控制輸入，具體工作控制邏輯如表2所示。

表2 空氣彈簧式半主動(dòng)液壓懸置工作模式匹配邏輯

控制邏輯匹配完成后，對(duì)該半主動(dòng)懸置進(jìn)行了整車(chē)NVH驗(yàn)證試驗(yàn)。在不同工況下對(duì)比測(cè)試了半主動(dòng)懸置在ON、OFF模式時(shí)車(chē)內(nèi)駕駛員右耳處噪聲和座椅導(dǎo)軌Z向振動(dòng)。

4.1 點(diǎn)火起動(dòng)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的慣性力施加在懸置上，激勵(lì)表現(xiàn)為低頻大振幅的特性，極易出現(xiàn)起動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象。該工況下要求懸置有較高的剛度以限制動(dòng)力總成翻轉(zhuǎn)位移，因此半主動(dòng)懸置采用ON模式。ON、OFF模式下點(diǎn)火起動(dòng)所測(cè)得的座椅導(dǎo)軌Z向加速度曲線(xiàn)如圖6所示。

從圖6中可以看出，在起動(dòng)工況下，半主動(dòng)懸置采用ON模式相對(duì)OFF模式而言，座椅導(dǎo)軌振動(dòng)明顯降低，即采用ON模式能有效改善起動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題。

4.2 怠速工況

怠速工況下，懸置受到的激勵(lì)主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的小振幅振動(dòng)。此時(shí)要求懸置的主要作用為隔振，所以工作模式選擇OFF模式。ON、OFF模式下座椅導(dǎo)軌Z向怠速振動(dòng)加速度頻譜曲線(xiàn)如圖7所示。

從圖7中可以看出，怠速工況下，半主動(dòng)懸置采用OFF模式相對(duì)ON模式而言，座椅導(dǎo)軌振動(dòng)明顯降低即半主動(dòng)懸置采用OFF模式能有效改善車(chē)內(nèi)怠速振動(dòng)。

4.3 加速工況

在中高速加速工況下，激勵(lì)主要來(lái)自高頻小振幅的擾動(dòng)。懸置的主要作用為隔離動(dòng)力總成傳遞至車(chē)內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲，要求懸置具有低動(dòng)剛度和低阻尼，因此工作模式采用OFF模式。ON、OFF模式下加速工況車(chē)內(nèi)噪聲聲壓級(jí)曲線(xiàn)如圖8所示。

從圖8中可以得知，在加速工況下采用OFF模式相對(duì)ON模式而言，車(chē)內(nèi)噪聲聲壓級(jí)低1.5dB（A），即半主動(dòng)懸置采用OFF模式能有效改善車(chē)內(nèi)加速噪聲。

4.4 沖擊路面工況

整車(chē)經(jīng)過(guò)減速帶等沖擊路面時(shí)，懸置的主要作用是限制動(dòng)力總成的位移，即要求懸置具有高動(dòng)剛度、高阻尼，因此半主動(dòng)懸置采用ON工作模式。半主動(dòng)懸置ON、OFF模式下座椅導(dǎo)軌在整車(chē)以30km/h的速度通過(guò)減速帶時(shí)Z向加速度曲線(xiàn)如圖9所示。

Design and Matching of Air Spring Semi-active Moun

Chen Daijun1,2,Fu Jianghua1,2,Yuan Jie1,2,Shen Zhongyuan1,2,Liu Rui1,2
（1.Changan Automotive Engineering Institute,Changan Automobile Co.,Ltd;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology）

An air spring semi-active mount which controls the decoupling membrane stiffness with solenoid valve is developed.The dynamic stiffness and damping angle curve are analyzed with the semi-active hydraulic mount model established based on the AMESim.The mount operating mode is matched to vehicle according to different excitations under the condition of starting,idling,acceleration and impact.The results of analysis show that the semi-active mount can improve the ride comfort,reduce the interior noise and vibration significantly in a wide frequency range,and it features the advantages of wide adjustment range,fast response speed,simple structure and low manufacture cost,etc.

Air spring semi-active mount,Dynamic characteristics,Simulation,Matching

空氣彈簧式半主動(dòng)懸置 動(dòng)態(tài)特性 仿真 匹配

U463.33

A

1000-3703（2015）05-0001-03