發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制懸置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)展過程

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制懸置是解決提高環(huán)保性能、降低燃耗要求與降低汽車振動(dòng)噪聲、滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高水平振動(dòng)控制的要求之間沖突的重要途徑。本文主要就發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制的基本理論依據(jù)以及常用的主動(dòng)控制懸置技術(shù)進(jìn)行了論述，并指出發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制懸置是未來發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的主要研究方向。

輕量化車身、稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)缺缸點(diǎn)火等先進(jìn)技術(shù)從一定程度上解決了日益嚴(yán)格的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境排放的問題，但在滿足提高環(huán)保性能、降低燃耗的同時(shí)也直接或間接地與降低汽車振動(dòng)噪聲的要求產(chǎn)生了沖突，在很大程度上惡化了車輛振動(dòng)特性，嚴(yán)重影響了車輛的乘坐舒適性。大量理論研究和實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲已成為車內(nèi)振動(dòng)噪聲的主要成份，其特點(diǎn)是多振源、寬頻帶、形態(tài)復(fù)雜。降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的傳遞是解決這一矛盾最有效的辦法。

車輛的振動(dòng)和噪聲控制逐漸成為汽車設(shè)計(jì)人員需要解決的首要問題，因而對(duì)隔離發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲向車內(nèi)傳遞的關(guān)鍵部件——發(fā)動(dòng)機(jī)懸架（支承）的設(shè)計(jì)要求也越來越高。主動(dòng)控制是滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高水平振動(dòng)控制的重要研究方向，成為減少車內(nèi)的振動(dòng)和噪聲以及減少汽車噪聲對(duì)環(huán)境的污染的重要項(xiàng)目。

01主動(dòng)控制懸置的基本理論依據(jù)

往復(fù)活塞內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣缸工作不連續(xù)，往復(fù)慣性力和氣體作用力都具有寬頻帶周期激勵(lì)特性，而且內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)具有激勵(lì)源多、頻帶寬的特點(diǎn)，按振動(dòng)形式分為整機(jī)激勵(lì)、軸系激勵(lì)和結(jié)構(gòu)激勵(lì)類型。另外內(nèi)燃機(jī)中還有許多板殼類結(jié)構(gòu)和懸臂安裝部件，這些結(jié)構(gòu)固定安裝在內(nèi)燃機(jī)的外部承載結(jié)構(gòu)上，工作中受到機(jī)構(gòu)振動(dòng)的激勵(lì)，當(dāng)激勵(lì)頻率與這些零件的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生局部共振，增大內(nèi)燃機(jī)的噪聲水平。這些振動(dòng)會(huì)損壞設(shè)備的性能，降低可靠性和使用壽命；對(duì)環(huán)境造成噪聲污染，破壞其他設(shè)備的工作，惡化操作人員的工作條件，降低工作效率，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的總體性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的控制方法很多，但隨著對(duì)車輛舒適性及降噪要求的提高，振動(dòng)主動(dòng)控制成為主要研究方向。主動(dòng)控制又稱有源控制，是利用外界供給的能量作為控制振動(dòng)或抵消振動(dòng)影響的重要手段，主動(dòng)控制技術(shù)是振動(dòng)理論與控制論的結(jié)合，以計(jì)算機(jī)、測試技術(shù)等為手段實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)主動(dòng)控制的。

評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)隔振裝置的隔振效果的參數(shù)主要使用力傳遞效率，即隔振裝置傳給基礎(chǔ)的傳遞力幅值FT與傳給隔振裝置的力F0的比值TA［1］。

分析力傳遞效率曲線可得出如下結(jié)論：當(dāng)ω/ωn，隨著阻尼系數(shù)的增大，力傳遞效率TF下降；ω/ωn≥，隨著阻尼系數(shù)的增大，力傳遞效率TA增大。因此，可以通過主動(dòng)改變阻尼系數(shù)的大小來控制力傳遞效率TA，從而為主動(dòng)控制懸置提供了理論依據(jù)。

02主動(dòng)控制懸置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)展過程

主動(dòng)懸置通過作動(dòng)器直接產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力以抵消發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到車身和由于路面不平度傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)力，理論上可使振動(dòng)響應(yīng)達(dá)到零，從而獲得最佳隔振效果。

在主動(dòng)控制懸置出現(xiàn)以前有一種性能優(yōu)越于被動(dòng)懸架的半主動(dòng)控制懸置，但幾乎所有的半主動(dòng)懸置的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)都很敏感，需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求和制造工藝來保障，并且半主動(dòng)懸置一般都用于改善低頻時(shí)車輛的減振性能，不能滿足車輛多工況的減振降噪要求。為了提高車輛的乘坐舒適性，主動(dòng)懸置逐漸成為汽車設(shè)計(jì)人員研究的熱點(diǎn)。

主動(dòng)懸置一般由被動(dòng)式液壓懸置、作動(dòng)器、傳感器和控制機(jī)構(gòu)組成。被動(dòng)式液壓懸置用于在低頻作動(dòng)器失效時(shí)支撐發(fā)動(dòng)機(jī)，高頻時(shí)作動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)作出快速反應(yīng)，提供主動(dòng)力用于衰減高頻振動(dòng)。因此，主動(dòng)懸置系統(tǒng)低頻時(shí)具有較高的剛度和較大的阻尼，能快速消除發(fā)動(dòng)機(jī)的大幅振動(dòng)；高頻時(shí)具有較低的剛度和較小的阻尼，用以隔絕高頻噪聲，能夠有效地提高車輛的乘坐舒適性。

Freudenberg公司在全輪驅(qū)動(dòng)汽車的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用了主動(dòng)控制式液壓懸置，取得了令人滿意的效果。1988年，PeterL.Graf等人設(shè)計(jì)了一種采用液壓作動(dòng)器的主動(dòng)懸置。該懸置利用液壓泵的壓力，驅(qū)動(dòng)液體在懸置的上、下液室之間流動(dòng)，使作用在上液室的支反力與施加在其上的發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡擾動(dòng)力相疊消。實(shí)驗(yàn)表明，使用該懸置后，汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲比被動(dòng)式懸置降低了5～10dB。

德國的MichaelMuller等人于1994年研究了帶有電磁作動(dòng)器的主動(dòng)液壓懸置，研究試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以降低駕駛員右耳處的聲壓至少10dB。1995年，日本的ToshiyukiShibayama 等人發(fā)表文章，介紹他們應(yīng)用壓電陶瓷作動(dòng)器的發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)懸置，他們應(yīng)用的是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在電壓的作用下產(chǎn)生位移。但是，壓電作動(dòng)器輸出的位移很小，只適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的高速區(qū)段，低頻率的振動(dòng)和噪聲問題仍然解決不了。

豐田公司在其LexusRX300 轎車上批量采用了主動(dòng)控制式液壓懸置系統(tǒng)。2002年，韓國的Y-W-Lee把電磁作動(dòng)器與液壓懸置的解耦盤連接，形成一個(gè)作動(dòng)的活塞，直接驅(qū)動(dòng)液壓懸置內(nèi)的液體，從而改變懸置的動(dòng)剛度，降低振動(dòng)的幅值。在直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)（25Hz頻率下），試驗(yàn)測試的傳遞力可以衰減到接近于零。

加拿大M.S.Foumani2002年利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種形狀記憶金屬式主動(dòng)懸置，該懸置是利用形狀記憶金屬的特性來改變液壓懸置的主簧剛度，從而提高懸置的隔振特性。

日本五十鈴公司采用了電磁作動(dòng)器與液壓懸置結(jié)合，對(duì)重型柴油機(jī)的振動(dòng)實(shí)施主動(dòng)控制，結(jié)果表明，在20～30Hz 范圍內(nèi)，可以衰減傳遞力25～46dB。

吉林大學(xué)鄭瑞清等人提出了一種電致伸縮作動(dòng)器液壓懸置，該研究的主動(dòng)懸置是在原有的被動(dòng)懸置的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。其原理是在被動(dòng)懸置上串聯(lián)一個(gè)電致伸縮陶瓷疊堆作為主動(dòng)控制作動(dòng)器，隔離發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的簡諧振動(dòng)。同時(shí)原有的被動(dòng)液壓懸置主要用來隔離發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況產(chǎn)生的低頻振動(dòng)和路面不平度激勵(lì)引起的振動(dòng)［2］。

03 發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)懸置的作動(dòng)器主要形式與原理

發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)懸置的作動(dòng)器是核心部件，是主動(dòng)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。作動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)作出快速反應(yīng)，提供主動(dòng)力用于衰減高頻振動(dòng)，低頻時(shí)具有較高的剛度和較大的阻尼，能快速消除發(fā)動(dòng)機(jī)的大幅振動(dòng)；高頻時(shí)具有較低的剛度和較小的阻尼，用以隔絕高頻噪聲，能夠有效地提高車輛的乘坐舒適性。根據(jù)目前比較成熟的作動(dòng)器的開發(fā)與應(yīng)用來看，作動(dòng)器主要有電磁式、壓電式和電致伸縮式等幾種形式。

3.1壓電陶瓷作動(dòng)器

該類型作動(dòng)器應(yīng)用最為廣泛。壓電式作動(dòng)器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，通過施加外部電場，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。壓電陶瓷作動(dòng)器響應(yīng)快，適應(yīng)的頻率范圍廣，對(duì)溫度變化不敏感。但它位移量較小，約為幾個(gè)微米；要求的驅(qū)動(dòng)電壓較高，約100～300V。壓電陶瓷作動(dòng)器有兩種類型，一種是薄膜型，另一種是疊堆型。前者粘接在結(jié)構(gòu)表面，產(chǎn)生彎矩，控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)；后者對(duì)結(jié)構(gòu)提供控制力來控制振動(dòng)。

3.2電致伸縮陶瓷微作動(dòng)器

電致伸縮陶瓷微作動(dòng)器是利用陶瓷的電致伸縮效應(yīng)工作的。電致伸縮效應(yīng)是指電介質(zhì)在電場的作用下由于感應(yīng)極化作用引起應(yīng)變，且應(yīng)變與電場方向無關(guān)，應(yīng)變的大小與電場的平方成正比。上述效應(yīng)可用公式表達(dá)為：

S=ME2（3）

式中：M為電致伸縮系數(shù)，m2/V2；E為電場強(qiáng)度，V/m；S為應(yīng)變。

3.3形狀記憶合金作動(dòng)器

形狀記憶合金就是具有形狀記憶功能的材料，所謂形狀記憶效應(yīng)即合金在經(jīng)受大的變形（一般最大可達(dá)到 6%～7%）以后，施加一定的溫度使其超過相變溫度，則變形消失，合金又可以恢復(fù)到初始形狀。SAM的變形量與其形狀和預(yù)變形有關(guān)，在允許的變形范圍內(nèi)，預(yù)變形越大，變形量就越大，但因SAM受熱傳導(dǎo)的限制，溫度是逐漸上升的，所以響應(yīng)慢。

3.4磁致伸縮材料作動(dòng)器

磁致伸縮材料屬于機(jī)敏材料的一種，它與常用的壓電材料、形狀記憶合金相比，具有響應(yīng)速度快、應(yīng)變大、使用頻帶寬、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)。

磁致伸縮材料在外加磁場的作用下，尺寸、體積等會(huì)發(fā)生改變，具有較好的抗沖擊性，能提高較大的控制力，并且在低電流產(chǎn)生的磁場中具有很好的線性度和對(duì)電場變化的響應(yīng)能力。磁致伸縮材料作動(dòng)器位移約為幾十微米。磁致伸縮材料作動(dòng)器既能承載，又能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用；既可作智能隔振器，又可作智能吸振器。

電流變液體（簡稱ERF）指的是在絕緣的連續(xù)向液體介質(zhì)中加入精細(xì)的固體顆粒而形成的懸濁液。該液體在電場的作用下，會(huì)顯示明顯的固態(tài)特性，而當(dāng)電場解除后液體又恢復(fù)到原來所具有的特性。

電流變液體的流阻可隨施加電場的電壓的改變而改變，因而能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、可逆的控制。再加上它對(duì)控制信號(hào)的高度可靠性及快速響應(yīng)性，從而使電流變液體在工程領(lǐng)域中可以解決許多難題。雖然在3～5ms內(nèi)可以使流體由不動(dòng)狀態(tài)變換為活動(dòng)狀態(tài)，但反向轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間卻要長一些，這嚴(yán)重限制了這類阻尼器的有用頻率范圍，是阻礙這種流體在振動(dòng)主動(dòng)控制中廣泛應(yīng)用的主要因素。

3.5液壓作動(dòng)器

液壓作動(dòng)器由一個(gè)液壓缸和一個(gè)伺服閥組成。它能夠在相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)尺寸下產(chǎn)生較大的位移和較大的作用力。但它需要專門的液壓系統(tǒng)，因而容易產(chǎn)生噪聲；并在伺服閥輸入電壓和作動(dòng)器的力或位移輸出之間產(chǎn)生非線性。另一個(gè)特別需要注意的問題是伺服閥要盡可能地靠近作動(dòng)器安裝，以最大限度地減小性能下降，尤其是頻率在20Hz以上的情況下。液壓作動(dòng)器在車輛主動(dòng)懸掛和直升飛機(jī)機(jī)艙的振動(dòng)主動(dòng)控制中已得到很好的應(yīng)用［3］。

3.6氣動(dòng)作動(dòng)器

氣動(dòng)作動(dòng)器的工作原理與液壓作動(dòng)器的一樣，只是氣動(dòng)作動(dòng)器的工作介質(zhì)是空氣。氣動(dòng)作動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)在于它們可與使用相同空氣源的被動(dòng)空氣彈簧控制并聯(lián)使用。但由于空氣的可壓縮性使得氣動(dòng)作動(dòng)器的帶寬較低（＜10Hz）。氣動(dòng)作動(dòng)器在鐵路車輛主動(dòng)懸掛中得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

04 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)懸置技術(shù)的研究還不很成熟，成本較高，其性能和可靠性有待于進(jìn)一步提高，但隨著控制技術(shù)水平和加工工藝的提高，主動(dòng)懸置必將成為新一代懸置系統(tǒng)的發(fā)展方向。

內(nèi)容來源：汽車NVH云講堂

審核編輯：湯梓紅