液封襯套異響原理分析與技術(shù)對(duì)策

王路，吳福秋，楊傳貴

廣汽本田汽車有限公司技術(shù)部，廣東廣州 510700

0 引言

懸架系統(tǒng)是車輛的重要組成部分，可將路面激勵(lì)作用于車輪上的力和力矩傳遞至車身上，以保證車輛的正常行駛[1]。懸架系統(tǒng)主要由彈性元件、減震器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成，其中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承受側(cè)向力、縱向力和力矩，決定著車輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和思路定位參數(shù)的變化，是懸架的關(guān)鍵部件之一[2]。懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如麥弗遜懸架的下控制臂、雙橫臂懸架的上下控制臂、多連桿懸架的連桿和扭力梁懸架中的縱臂等，此類控制臂、擺臂和連桿零件的共同特點(diǎn)是：端部通過襯套(少數(shù)通過球銷)與周邊零件相連[3]。在車輛行駛過程中，由于路面激勵(lì)使車輪發(fā)生跳動(dòng)，懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也隨之運(yùn)動(dòng)，連接部位的襯套零件處于不斷的擺動(dòng)狀態(tài)，襯套的橡膠在此過程中起緩沖振動(dòng)的功能。傳統(tǒng)的襯套為純橡膠結(jié)構(gòu)，橡膠襯套在低頻激勵(lì)下剛度和阻尼較小，高頻激勵(lì)下又產(chǎn)生動(dòng)態(tài)硬化現(xiàn)象，對(duì)懸架系統(tǒng)的隔振性能十分不利[4]。為了提高舒適性，高級(jí)別的車型通常采用液封襯套，液封襯套在很大程度上可以克服橡膠襯套的缺點(diǎn)，通過對(duì)液體黏性和流道的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)低頻激勵(lì)大阻尼、高頻激勵(lì)小阻尼的效果，從而大幅度提高懸架的舒適性[5]。

1 液封襯套的結(jié)構(gòu)

液封襯套的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由本體橡膠、導(dǎo)液板和外筒以及包含在其中的油液組成。在液封襯套內(nèi)有兩個(gè)單獨(dú)的油腔，每個(gè)油腔位于導(dǎo)液板和本體橡膠之間的圍成區(qū)域。在襯套跟隨導(dǎo)向機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程中，油液流經(jīng)導(dǎo)液板的開槽在兩個(gè)油腔之間流動(dòng)，從而起到對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的阻尼和減震作用。

圖1 液封襯套的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 空腔氣蝕音的解析和對(duì)策

2.1 發(fā)生工況和確認(rèn)方法

A車型以15～20 km/h勻速走行試驗(yàn)跑道的一般惡路或比利時(shí)路時(shí)，后懸架出現(xiàn)有“咚咚”的沉悶異響，經(jīng)過在后懸架的懷疑位置布置聽診器，通過最大音量判斷異響來源于牽引臂的液封襯套位置，如圖2所示。

圖2 異響液封襯套位置

通過采集異響(NG)和無異響(OK)車內(nèi)的音頻，并對(duì)音頻進(jìn)行頻譜分析，如圖3所示。由圖可知，異音的頻率段為3 500～4 500 Hz，該頻率段依據(jù)異響經(jīng)驗(yàn)判斷可能是空腔氣蝕音。

圖3 采集異響頻率段

為進(jìn)一步確認(rèn)異響原因，采用了如圖4所示的抽液試驗(yàn)法。

圖4 抽液試驗(yàn)法

抽液試驗(yàn)法具體步驟為：①針對(duì)發(fā)生異響的零件，通過注射器將油液注入液封襯套內(nèi)部，采用每次1 mL逐步注入的方式，逐步增大液封內(nèi)腔的內(nèi)部壓力，確認(rèn)注入油液后的實(shí)車走行異響狀態(tài)。若通過增加油液，可以消除異響。②針對(duì)增加油液后消除異響的零件，同樣通過注射器每次1 mL逐步減少的方式，逐步減小液封內(nèi)腔的內(nèi)部壓力，確認(rèn)減少油液后的實(shí)車走行狀態(tài)。若通過減少油液，異響重新再現(xiàn)。

通過上述兩個(gè)步驟確認(rèn)后出現(xiàn)了加液后異響消失，再減液后異響再現(xiàn)，則可以判斷異響原因?yàn)橐悍庖r套內(nèi)部空腔氣蝕音。

2.2 異響發(fā)生機(jī)制

空腔氣蝕音也叫作空穴異響，其產(chǎn)生的原理為：懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在劇烈擺動(dòng)過程中，扭轉(zhuǎn)力矩使兩個(gè)液腔的容積發(fā)生增加和減小的循環(huán)變化，在液腔容積的增加過程中液腔壓力降低，當(dāng)液腔壓力小于飽和蒸氣壓力時(shí)，液體內(nèi)部會(huì)析出溶解的氣泡；在液腔容積的減小過程中液腔壓力增大，當(dāng)液腔壓力大于飽和蒸氣壓力時(shí)，氣泡在高壓狀態(tài)下發(fā)生炸裂，產(chǎn)生巨大的沖擊，并形成振動(dòng)和噪聲。

2.3 技術(shù)對(duì)策及評(píng)價(jià)

如何進(jìn)行技術(shù)對(duì)策，仍需基于流體PVT相圖(圖5)基本原理進(jìn)行分析。異響產(chǎn)生的原因可總結(jié)為：由于液腔的壓力在飽和蒸氣壓力附近變化，使氣泡不斷循環(huán)析出并炸裂。對(duì)策的目標(biāo)是提高液封襯套的內(nèi)部壓力，確保高于飽和蒸氣壓，不會(huì)發(fā)生油液的液-氣相變化。

圖5 流體PVT相圖

結(jié)合圖6分析影響內(nèi)部壓力因素的構(gòu)成，提出了以下4個(gè)技術(shù)對(duì)策方案：

(1)增加液腔內(nèi)的液體容量。如類似抽液試驗(yàn)中開展的加液試驗(yàn)步驟，通過增加液腔內(nèi)的液體容量，增加液腔內(nèi)的初期加壓狀態(tài)，使其遠(yuǎn)高于飽和蒸氣壓，即使壓力波動(dòng)也無法低于飽和蒸氣壓水平。

(2)改善導(dǎo)液板流道。通過增加導(dǎo)液板流道的尺寸，或減小流道的彎曲程度，從而降低液體在兩個(gè)液腔之間流動(dòng)的阻力，減小液腔內(nèi)的壓力波動(dòng)，使壓力波動(dòng)范圍避開飽和蒸氣壓力值。

(3)增加橡膠硬度。通過增加橡膠母材中含碳量，可增加橡膠硬度，從而減小液腔的變形量，減小液腔的壓力波動(dòng)，使壓力波動(dòng)范圍避開飽和蒸氣壓力值。

各地始終堅(jiān)持以人為本，把保障群眾生命安全擺在首位，提前發(fā)布災(zāi)害預(yù)警，先后轉(zhuǎn)移低洼地區(qū)、庫區(qū)和河道內(nèi)灘區(qū)、圍堤、島嶼等危險(xiǎn)地區(qū)群眾66萬多人。黑龍江省提前編制黑龍江干流可能決口堤防的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，在堤防決口前組織受影響的4萬多人安全轉(zhuǎn)移；緊急搶筑了全長(zhǎng)52km的蘿北縣二道防線、同江市同撫大堤二道防線和城區(qū)三道防線，保護(hù)了16.5萬人的生命安全。吉林省在樺甸市紅石鎮(zhèn)特大山洪發(fā)生前組織1萬多名群眾轉(zhuǎn)移，最大程度減少了人員傷亡。

(4)改變油液的醇水比例。由于液封襯套內(nèi)部的液體通常為醇和水的混合物，醇水比例通常在5∶5至8∶2，加入醇的原因是考慮寒冷地區(qū)防結(jié)冰要求，加水的原因是考慮增加液體流動(dòng)性，應(yīng)對(duì)車輛動(dòng)態(tài)性能對(duì)襯套的動(dòng)剛度要求。若為了降低襯套異響的目標(biāo)，則增加液體水的比例，提高液體流動(dòng)性，減小液腔的壓力波動(dòng)。

圖6 某溫度下影響液封襯套內(nèi)部壓力的因素

針對(duì)A車型出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，實(shí)際采用了增加液體容量的方案解決了異響事項(xiàng)，該方案適合零件的開發(fā)模具已經(jīng)完成時(shí)，無法大幅度更改圖紙，只能通過液封襯套供應(yīng)商調(diào)整液封工序的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行恒久化調(diào)整。由于改善導(dǎo)液板流道和改變油液醇水比例的方案同時(shí)影響了液封襯套的動(dòng)剛度特性，增加橡膠硬度方案影響了液封襯套的靜剛度特性，而液封襯套的剛度特性改動(dòng)需要和整車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性能目標(biāo)進(jìn)行匹配，故只能在零部件開發(fā)階段采用這3種方案。

3 共振音的解析和對(duì)策

3.1 發(fā)生工況和確認(rèn)方法

B車型以14 km/h的特定速度走行試驗(yàn)跑道的繩索路，前懸架出現(xiàn)“嗒嗒”的清脆異響，經(jīng)過在前懸架的懷疑位置布置聽診器，鎖定異響位置為前麥弗遜懸架的控制臂液封襯套位置，如圖7所示。

圖7 發(fā)生異響的液封襯套

為進(jìn)一步確認(rèn)異響原因，采用了振動(dòng)測(cè)量法，在襯套的INNER SHAFT和外筒放置三向振動(dòng)加速度傳感器(圖8)，采集NG車和OK車在異響路面的振動(dòng)。布置加速度傳感器這兩位位置的目的是評(píng)價(jià)液封襯套對(duì)振動(dòng)的衰減，INNER SHAFT處的振動(dòng)是作為振動(dòng)的輸入側(cè)，外筒處的振動(dòng)是作為振動(dòng)的響應(yīng)側(cè)。

圖8 加速度傳感器布置位置

采集并獲取輸入側(cè)和響應(yīng)側(cè)的OK/NG車的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖9至圖12所示。

圖9 OK車INNER SHAFT(輸入側(cè))3個(gè)方向振動(dòng)

圖10 NG車INNER SHAFT(輸入側(cè))3個(gè)方向振動(dòng)

圖11 OK車外筒(響應(yīng)側(cè))3個(gè)方向振動(dòng)

圖12 NG車外筒(響應(yīng)側(cè))3個(gè)方向振動(dòng)

對(duì)比輸入側(cè)OK/NG車的3個(gè)方向加速度信號(hào)，RMS均值分別為26和28 m/s2，無明顯差異；而對(duì)比響應(yīng)側(cè)OK/NG車的3個(gè)方向加速度信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的振動(dòng)差異。

分析NG車在響應(yīng)側(cè)的振動(dòng)頻率，可以明顯識(shí)別每個(gè)振動(dòng)單個(gè)波峰發(fā)生的時(shí)間間隔約為0.16 s，頻率約為6 Hz。按照車輛以14 km/h過繩索路(每個(gè)繩索間距為600 mm)，車輪跳動(dòng)頻率約為6 Hz。故判斷振動(dòng)發(fā)生頻率與車輛過繩索的頻率一致，發(fā)生了共振異響。

3.2 發(fā)生機(jī)制和技術(shù)對(duì)策分析

將液封襯套視為一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其固有頻率為：

(1)

改變液封襯套的固有頻率，可通過調(diào)整橡膠的靜剛度和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)。橡膠的質(zhì)量是由模具成型的，不易實(shí)現(xiàn)更改和調(diào)整。故調(diào)整橡膠的硬度，做成靜剛度均值分別為上、中、下限品零件各100個(gè)，分別裝車驗(yàn)證異響效果，結(jié)果見表1。

表1 靜剛度對(duì)策驗(yàn)證結(jié)果

通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，確認(rèn)靜剛度與異響呈相關(guān)性，采用靜剛度下限品零件可以有效消除共振異響的產(chǎn)生。

4 內(nèi)部摩擦音的解析和對(duì)策

4.1 發(fā)生工況和確認(rèn)方法

C車型以10 km/h勻速走行試驗(yàn)跑道的鵝卵石路、一般惡路，后懸架出現(xiàn)有“撲哧撲哧”的異響。經(jīng)過在后底盤懷疑位置布置聽診器，通過最大音量判斷異響來源于扭力梁液封襯套位置，如圖13所示。通過換裝新的液封襯套，異響消失。重新裝回原車液封襯套，異響再次出現(xiàn)，故再次鎖定異響源為扭力梁液封襯套位置。

圖13 扭力梁液封襯套

將異響的液封襯套進(jìn)行全拆解后，確認(rèn)液封襯套橡膠本體的凸點(diǎn)部位磨損嚴(yán)重(圖14)，該車輛僅走行300 km液封襯套內(nèi)部便發(fā)生嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，故判斷不合理。

圖14 液封襯套全拆解的磨損部位

與該發(fā)生磨損部位配合的構(gòu)成件是液封襯套的金屬橫隔板，如圖15所示。可以初步判斷異響原因是金屬橫隔板與橡膠本體發(fā)生了摩擦導(dǎo)致。

圖15 液封襯套內(nèi)部金屬橫隔板與橡膠本體

4.2 發(fā)生機(jī)制

從液封襯套的作動(dòng)原理分析，當(dāng)液封襯套發(fā)揮減震作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，金屬橫隔板與橡膠本體自然會(huì)發(fā)生摩擦，此為正常現(xiàn)象，但從設(shè)計(jì)上為了避免摩擦異響，在液封工序前，會(huì)在橡膠本體上涂布潤(rùn)滑脂，且橡膠表面的凸點(diǎn)是為了使?jié)櫥街谙鹉z表面，減少流失。

C車型發(fā)生異響的解析結(jié)論為潤(rùn)滑脂涂布量過少，圖面要求2～4 g，供應(yīng)商涂布潤(rùn)滑脂的設(shè)定量為2.3 g，導(dǎo)致了液封襯套的內(nèi)部摩擦異響。

4.3 技術(shù)對(duì)策分析

從原理和經(jīng)驗(yàn)而言，除潤(rùn)滑脂涂布量外，其他因素同樣會(huì)影響異響的發(fā)生。可能影響摩擦異響的原因總結(jié)如下：①潤(rùn)滑脂的涂布量。潤(rùn)滑脂的涂布量大是改善異響的主要措施，針對(duì)C車型的異響，通過增加潤(rùn)滑脂的涂布量為3.3 g，異響完全消失。但從成本的角度而言，潤(rùn)滑脂的成本造價(jià)較高，供應(yīng)商趨向于不實(shí)施該對(duì)策。②潤(rùn)滑脂的牌號(hào)。采用潤(rùn)滑系數(shù)更高的潤(rùn)滑脂類型，對(duì)異響有改善的作用。③橡膠本體表面凸點(diǎn)的密度。橡膠本體表面凸點(diǎn)密度越大，更容易使?jié)櫥街谙鹉z本體表面，不易流失，對(duì)異響改善有利。④橫隔板與橡膠本體表面的間隙。C車型的橫隔板與橡膠本體的圖紙間隙值為0.2 mm，如圖16所示，后續(xù)改款車型將此間隙值提高到了2 mm。間隙值越大，更不容易發(fā)生摩擦異響。

圖16 橫隔板與橡膠本體的間隙

5 結(jié)束語

本文基于多年進(jìn)行整車懸架異響測(cè)試的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述液封襯套發(fā)生的3種不同異響的解析方法、異響發(fā)生原理和對(duì)策方案。通過本文的研究和詳細(xì)闡述，可以為車輛設(shè)計(jì)部門以及整車試驗(yàn)工程師，襯套制造供應(yīng)商，針對(duì)液封襯套異響這一行業(yè)難題，提供詳細(xì)的理論和實(shí)踐指導(dǎo)，對(duì)提高行業(yè)整車的乘坐舒適性水平具有實(shí)用價(jià)值。