車用硅油扭振減振器技術綜述

賀燕萍

（國家知識產權局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

引言

自曲軸扭轉振動減振器發明以來,其技術和質量得到不斷提升,現已成為汽車發動機上的必備裝置,并有效地提高了發動機的工作可靠性和使用壽命。雖然，橡膠減振器是汽車發動機曲軸上最早使用的一類扭轉減振器，它具有重量輕、結構簡單、成本低等特點，但是，橡膠減振器總成的橡膠層既有彈性又有阻尼，其結構簡單，成本低；而且因阻尼較小，一般不能滿足最佳參數匹配的要求；此外，橡膠的彈性和阻尼隨溫度變化較大，故其性能不穩定。另外，隨著汽車發展的小型化和高速化,受到橡膠低阻尼的限制及橡膠散熱差、易出現炭化等現象,橡膠減振器逐漸被具有較高黏性阻尼的硅油扭振減振器及其他結構的減振器所替代。硅油扭振減振器由于具有阻尼大、結構簡單、制造容易、性能穩定等特點,使用范圍越來越廣。研究、開發先進的硅油扭振減振器,使其更有效地抑制曲軸扭轉振動,是發動機設計和技術創新的一項重要研究課題，故本文將就國內外對硅油扭振減振器的專利申請狀況進行技術綜述分析，以希對上述重要研究課題貢獻綿薄之力。

一、車用硅油扭振減振器簡介及技術分解

（一）車用硅油扭振減振器簡介

硅油扭振減振器由殼體、慣性圓盤和起軸承作用的減磨襯套等組成。慣性圓盤裝在殼體內,可繞光滑耐磨的減磨襯套自由轉動。慣性圓盤與殼體間有一定的間隙,間隙內充滿硅油。硅油扭振減振器的殼體固聯在曲軸前端,與曲軸系統一起運動。當曲軸系統發生扭振時,由于慣性圓盤轉動慣量較大,它的運動總是滯后于殼體的運動,此時間隙中硅油的黏性阻尼就會消耗振動能量,從而達到減弱曲軸系統扭轉振動的目的。

（二）車用硅油扭振減振器技術分解

本小節的技術分解是對于所分析的硅油扭振減振器該技術領域做進一步的細化和分類，對于行業狀況、檢索專利信息以及檢索結果處理都具有非常重要的意義，有助于了解行業整體情況以及選取研究重點。在對檢索得到的樣本進行分析提煉的基礎上，對硅油扭振減振器該技術領域進行技術分解，一級分支分為單級減振與復合減振。

硅油扭振減振器由于具有阻尼大、結構簡單、制造容易、性能穩定等特點,使用范圍越來越廣，因此，硅油扭振減振器取代傳統橡膠減振器作為單級減振器也得到了廣泛使用，其中，硅油扭振減振器的組成部件的具體結構性能，如慣性環、殼體的結構尺寸、硅油或其他阻尼液的使用等皆會直接或間接影響減振器的慣量、扭轉剛度及阻尼，從而對減振效果產生影響，因此，自硅油扭振減振器問世以來，國內外申請人分別就其組成部件進行改進并申請專利。因此，在單級減振該一級分支的基礎上，二級分支主要從其組成部件進行分類，具體分為：慣性環、殼體、硅油以及其他。

此外，隨著對車用減振器的研究和發展，也有申請人結合硅油扭振減振器與其他類型減振器的特點，進行優勢互補，設計出硅油復合減振器進行復合減振，例如硅油-橡膠復合減振器、硅油-離心力擺復合減振器等。鑒于復合減振該一級分支的減振器類型紛雜，故在該一級分支下不另設二級分支進行分析。

二、車用硅油扭振減振器總體申請狀況

（一）逐年申請量分析

根據專利申請年份對全球申請量進行的趨勢分析統計，主要分為兩個時期。

1.第一時期（1911-1994 年）

第一時期從英國工程師Frederick W.Lanchester 于1911 年就硅油扭振減振器申請第一份專利開始，之后硅油扭振減振器的技術發展經歷萌芽期（1911-1940 年）、穩定發展期（1941-1958 年）、快速發展期（1959-1990 年）以及成熟期（1991-1994 年）之后已發展成熟，申請量也相應達到最大。在此期間，人們就硅油扭振減振器的各個組成部件進行了深入研究改進，并且結合計算控制手段對其振動性能進行了相應模擬實驗和試驗研究，具體地可參見下述對各個技術分支的申請狀況分析。

2.第二時期（1995 年之后）

在上述第一時期期間，國內并沒有關于硅油扭振減振器的進行過專利申請，直到20 世紀80 年代，因為引進國外康明斯等企業的硅油扭振減振器的需要，國內才開始進行硅油扭振減振器的研究，并陸續開始申請專利，也是在該時期，德國HASSE &WREDE 公司以及日本豐田等公司開始在中國提交PCT 申請進行專利布局，此外，隨著新型阻尼液材料如磁流變液、電流變液等在減振器領域的應用以及自動化手段的進度，人們開始采用磁流變液或電流變液取代硅油或摻雜硅油并結合測試控制手段在傳統硅油扭振減振器基礎上進行改進，因此，在經歷短暫的申請量回落之后，硅油扭振減振器的申請量在1995 年之后又開始進入一個新的發展時期。

（二）申請國別分析

自硅油扭振減振器問世以來，因其優良的減振性能而受到各個汽車相關企業的青睞。日本汽車工業發展比較早而且百花齊放，一直處于較為領先的水平，其對于減振器的研究成果也比較多，在國際上其專利申請量占比為38%，位列第一；至于國內申請，其占比位列第二，主要是因為在硅油扭振減振器發展的第二時期的集中爆發式申請的緣故，而且申請類型以實用新型居多；此外，汽車行業發展比較繁榮的德國，其申請量占比為14%，位列第三；緊隨其后的為美國和英國，申請量占比分別為9%和7%。

（三）申請人分析

硅油扭振減振器全球專利排名前十的重要申請人分別為：三菱MITSUBISHI、HASSE &WREDE、HOUDAILLE、TOYOTA、寧波賽德森減振系統有限公司、HOLSET、CATERPILLAR、江蘇宏豐奧凱機電有限公司、現代HYUNDAI、NOK 株式會社。

三、車用硅油扭振減振器技術分支申請狀況

（一）一級分支專利申請概述

一級分支專利申請量對比可知，關于硅油扭振減振器的研究重點還是集中在單級減振改進上，其申請量是復合減震的八倍以上，而由于各種類型減振器的結構上的差異，要將其他類型的減振器與硅油減振進行復合減振獲得良好減振性能，需要克服的技術障礙比較多，因此，關于復合減振的研究不夠深入，其中最常見的還是前述硅油-橡膠復合減振器。因此，下述章節將重點對單級減振下屬各二級分支的申請情況進行分析。

（二）二級分支專利申請概述

各二級技術分支申請量對比結果可知，雖然，針對硅油扭振減振器的各個組成部件皆有專利申請，但是側重點還是在其慣性環的改進方面，其專利申請量占比達到了63%。因為硅油扭振減振器的減振基礎即是其慣性環和殼體的相對運動，作為核心部件，慣性環的外徑、內徑、寬度等各種因素的變化皆直接或間接影響減振器的減振性能。其次，殼體的申請量高達31%，位居第二。

1.慣性環二級分支

最早由英國工程師Frederick W.Lanchester 于1911 年就硅油扭振減振器申請專利之后，研究者們相繼開始就硅油扭振減振器的慣性環的改進設計，由此，從1911 年起，一直到1989 年，專利申請一直呈上升趨勢，至1989年達到頂峰；在此期間，就慣性環的結構、外形等進行了全面改進并相應進行了專利申請，導致1990 年起很長一段時間內，關于慣性環的技術研發遇到瓶頸期，專利申請量也相應減少；之后，隨著國內引進康明斯等國外企業產品的需要，20 世紀80 年代開始，國內企業院校陸續開始對硅油扭振減振器進行投入研究，并相應申請發明專利和實用新型，其中以實用新型申請居多。

2.殼體二級分支

雖然，已于1911 年進行硅油扭振減振器的相關申請，但是于1947 年才開始致力于殼體上的改進，進一步地，在硅油扭振減振器工作過程中，是依靠硅油阻尼把振動能量轉化為熱能的，在此過程中，為保證減振器的正常工作，硅油溫度不能過高，設計時應考慮減振器的散熱能力，在此基礎上，Brush Electrical Machines 公司首先于1948 對殼體進行改進并申請專利，在其專利中，通過在殼體上設置各種形狀的散熱片以幫助將傳導到殼體上的熱量通過空氣對流散發出去；在之后的很長一段時間內，關于殼體的專利申請數量都僅維持在個位數，而且基本上也都是關于殼體散熱片的改進；直到2000 年以后，國內企業開始進行專利申請，關于殼體的申請量才于2009 年開始突破兩位數，但是，同慣性環的專利申請情況一樣，也是以實用新型居多，而且改進點還是局限在殼體散熱功能。

3.硅油二級分支

硅油作為硅油扭振減振器的減振阻尼介質，人們對它的力學特性的認識和理解依然很粗略，據此，針對硅油改進的專利申請量很小，而研究硅油的力學性能，關鍵是確定流變參數和建立本構方程，因此，關于硅油的研究還都是集中在理論研究層面。1970 年，HOLSET 公司通過在硅油中添加1-4wt%的β-SiC 纖維對硅油力學性能進行改進，能夠抵抗殼體和慣性環相對運動產生的剪切和彈性力；之后，隨著一些新興材料在減振器領域的運用，人們開始嘗試采用磁流變液取代來改善硅油扭振減振器的減振性能，采用磁流變液取代硅油的專利申請，首先由FACET ENTERPRISES 公司于1977 年提出；之后每年一件的專利申請也是致力于磁流變液作為硅油扭振減振器阻尼液方面的改進；至1998 年，日本NOK 株式會社提出了兩篇專利申請，其中一篇轉換思維，采用磁流變液摻雜到硅油中，并配合設置在殼體腔室內的磁體來改善硅油扭振減振器的減振性能；進一步隨著電流變液在減振器上的應用，由天津大學于2014 年提出一篇采用電流變液取代硅油作為阻尼液，并相應配合設置在慣性環上的導電線圈實現硅油扭振減振器減振性能的改善。

4.其他二級分支

“其他二級分支”在本文中自定義為除慣性環、殼體和硅油之外的與硅油扭振減振器其他方面相關的專利申請，主要涉及的是計算、測試、監控等控制方面的專利。19 世紀末到20 世紀初，隨著各種斷軸事故的分析報告及有關文章逐漸出現，對于軸系扭轉震動的研究也逐漸深入。在1916 年德國蓋格爾發表了機械式蓋格爾振動儀測量軸系扭轉振動的文章后，扭轉振動的研究開始了實驗和試驗階段，在此基礎上，人們也開始就自己的研究成果進行專利申請，并于1934 年由申請人PARCIVAL THEGE EDVIN OSSIAN 提出了一份涉及計算模型的專利申請，到20 世紀50 年代末，扭轉振動的研究逐漸成熟，三菱公司于1986 年提出三份專利申請，在其專利申請中，皆是通過設計計算模型確定慣性環和殼體之間間隙的經驗公式，在此基礎上設計出小尺寸輕質硅油扭振減振器；之后，人們的研究方向開始由計算模型的研究方向轉向硅油扭振減振器的測試和監測方面，德國HASSE&WREDE 公司于2008 年提出專利申請，通過在慣性環上設置溫度傳感器以對硅油扭振減振器進行實時測試和控制。