楊杭旭 馬 巖 孫 巍

(1.金華職業(yè)技術學院 金華321017； 2.東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術中心 哈爾濱 150040； 3. 一汽大眾汽車有限公司 長春130013)

基于木橡膠主簧的新型半主動式液壓懸置在汽車上的應用*

楊杭旭1馬 巖2孫 巍3

(1.金華職業(yè)技術學院 金華321017； 2.東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術中心 哈爾濱 150040； 3. 一汽大眾汽車有限公司 長春130013)

【目的】 針對目前汽車半主動式液壓懸置主要隔振元件——橡膠主簧(其材料主要是傳統(tǒng)橡膠)存在的隔振效果不理想、易老化、隔音效果不好等缺點，基于木橡膠理論，提出用木橡膠主簧代替液壓懸置中的橡膠主簧，并在一款常用的半主動汽車懸置上進行結構建模、軟件仿真及樣品試驗，為木質纖維材料在汽車發(fā)動機減振領域的應用提供技術支持?！痉椒ā?選用小興安嶺產密度0.439 g·cm-3、含水率12%～15%的紅松作為木橡膠主簧材質，借助東北林業(yè)大學林業(yè)與機械工程技術中心設計的厚度均在86 μm以下的木纖維，使其平均厚度達到50 μm左右，將其揉絲、加工制作后應用到半主動液壓懸置的主簧上。運用鍵合圖理論建立半主動液壓懸置的鍵合圖模型和數學模型，在Matlab/Simulink軟件中根據推導的狀態(tài)方程仿真計算懸置的動特性，并將仿真結果與試驗數據進行比較?！窘Y果】 在0～30 Hz的低頻范圍內，液壓懸置的動剛度變化在仿真及試驗結果中高度一致，參數幾乎相同，阻尼滯后角的變化趨勢也是如此； 在30～200 Hz的高頻范圍內，液壓懸置的動剛度在仿真及試驗結果中數值接近，阻尼滯后角的數值變化趨勢有一定不同。【結論】 1) 通過對木橡膠主簧半主動液壓懸置的試驗與建模仿真分析，木纖維橡膠材料作為半主動液壓懸置的隔振材料完全可行，利用鍵合圖數學模型研究懸置的隔振是合理的，尤其對于低頻隔振特性預測十分準確，低頻隔振仿真分析是懸置設計的必要環(huán)節(jié)； 2) 應用鍵合圖方法對木橡膠主簧半主動液壓懸置系統(tǒng)進行建模仿真是可行的，對所建模型的仿真與試驗結果很好地證明了這一點； 3) 在高頻段內雖然動剛度在仿真與試驗結果中接近，但阻尼滯后角的變化趨勢卻有一定不同，說明本文所建的基于木橡膠主簧的液壓懸置模型對懸置系統(tǒng)高頻段范圍內的動態(tài)特性研究存在一定局限性。

木橡膠； 主簧； 鍵合圖； 半主動； 液壓懸置

懸置作為汽車發(fā)動機的主要減振元件，在汽車乘坐舒適性方面具有十分重要的作用。目前，汽車大部分懸置都采用橡膠懸置和液壓懸置，液壓懸置又有被動式、半主動式和主動式之分(林逸等， 2002)，但不管是橡膠懸置還是液壓懸置，在直接與發(fā)動機接觸的主簧材料選擇方面采用的都是橡膠材料。橡膠作為減振器主要材質具有較好的彈性，但也存在易老化、隔音效果差、成本較高等問題。木材細胞具有較好的抗壓性以及類似橡膠的彈性，木材的隔音性能優(yōu)于橡膠，同時成本上相較橡膠或金屬橡膠更低，因此木橡膠減振器(木橡膠作為橡膠主簧主要材料)應用于汽車中具有廣闊前景。本文提出的木橡膠是結合現代微米加工理論(馬巖等， 2006； 2008)，以微米木絲為基材，采用熱壓模加工，擁有自主知識產權、具有橡膠力學特性的木基人造生物高彈性復合材料。該木橡膠區(qū)別于單純的木質材料與橡膠的復合物，主要取材于木材加工剩余物，通過將其加工成絲并經一定工藝處理后兼具木材及橡膠的某些性能。圖1和圖2分別為在東北林業(yè)大學林業(yè)與機械工程中心加工后的微米長細絲形態(tài)和粉碎后的微米長細絲形態(tài)。

圖1 加工后的微米長細絲形態(tài)Fig.1 Micron long filaments after processing

圖2 粉碎后的微米長細絲形態(tài)Fig.2 Micron long filaments after smashing

本文將該材料運用于汽車半主動液壓懸置橡膠主簧中，進行懸置建模、軟件仿真及樣品試驗，以期為木質纖維材料在汽車發(fā)動機減振領域的應用提供技術支持。

1 懸置建模

1.1 懸置結構 以國產某型轎車上采用的半主動式液壓懸置為例(閔海濤等， 2003)，通過改進設計，采用微米長細絲木橡膠材料制造主簧。具體結構如圖3所示。

圖3 木橡膠主簧式半主動液壓懸置結構Fig.3 Structure diagram for semi-active hydraulic mount of wood rubber spring1.定位銷 Locating pin； 2.橡膠襯片 Rubber liner； 3.上支架Upper bracket； 4.節(jié)流孔 Throttle hole； 5.支撐片 Backing sheet； 6.氣室皮碗 Air chamber； 7.下液室 Liquid chamber； 8.Inner bracket； 9.氣室下盤 The gas chamber； 10.鉚釘 Rivet； 11.懸置下壓板 Mount lower plate； 12.彈簧 Spring； 13.插入環(huán) Insert ring； 14.下支架 Lower bracket； 15. Movable valve； 16.活動閥上支架 Movable valve bracket； 17.慣性通道 Inertial channel； 18.中間隔板 Intermediate support； 19.隔板 Clapboard； 20.上液室 Upper liquid chamber； 21.緩沖限位盤 Buffer limit disk； 22.木橡膠主簧 Main spring of wood rubber； 23.連接螺柱 Connecting stud； 24.液壓懸置上壓板 Hydraulic mounting plate.

該半主動液壓懸置系統(tǒng)主要由控制模塊、帶活動閥的木橡膠懸置主體、電磁控制閥等組成。電磁閥的工作主要由控制模塊根據發(fā)動機工作的轉速信號來控制。當發(fā)動機處于非怠速工況時，上下液室間液體流動只通過慣性通道17來往復進行，由于慣性通道足夠大，使其在入口和出口處為了克服液體慣性損失了足夠多的能量，振動衰減效果明顯； 當發(fā)動機處于怠速工況時，大節(jié)流孔處于打開狀態(tài)，懸置內的液體主要集中在上液室20、下液室7間通過大節(jié)流孔4流動，少部分液體通過慣性通道17進入下液室，此時能大幅降低阻尼及動剛度，低頻振動衰減效果非常明顯。

上述結構具有以下特點：

1) 木橡膠主簧22作為與發(fā)動機接觸的減振元件，主要用于承受發(fā)動機的動、靜止載荷；

2) 通過支架、壓板鉚釘等固定并連接液室內外，密封良好，整個懸置在控制時通過調節(jié)大節(jié)流孔4的開度來完成，使其具有良好的動特性。

圖4 木橡膠主簧式半主動液壓懸置液力模型Fig.4 Hydraulic model for semi-active mount of wood rubber spring

1.3 懸置鍵合圖模型及數學模型構建 1) 鍵合圖模型 鍵合圖方法主要適用于各種類型信號傳遞以及功率流動系統(tǒng)，對于處理非線性函數關系效果較好，在非線性液壓領域中多采用該法進行處理(許滄栗等， 2006)。汽車發(fā)動機液壓懸置系統(tǒng)同時包含液壓與機械，因此，采用鍵合圖方法進行數學描述和動態(tài)特性研究非常合適。參考酈光明(2005)關于液壓懸置鍵合圖模型的闡述，建立如圖5所示的半主動發(fā)動機液壓懸置的鍵合圖模型。

運用鍵合圖理論，在圖5的模型中針對每一個不同速度用“1”結點來表示。將不同的慣性元件添加到相關的“1”結點處，同時充分利用“0”結點將各涉及力的元件串在2種速度之間。確定功率的流向后進行化簡即得到半主動液壓懸置鍵合圖模型的機械部分(圖5a)。

結合液壓系統(tǒng)的結構，鍵合圖的產生如下:

兩“0”結點分表代表懸置上液室和下液室的壓力，將“1”結點插入任意一對“0”結點之間。將在液壓懸置元件中模擬解耦作用的慣性元件md、阻性元件Ro和容性元件kd添加到“1”結點上，將模擬慣性通道的阻性元件Ri、慣性元件Ii也一并添加到“1”結點上，即可得到半主動液壓懸置鍵合圖模型的液壓部分(圖5b)。

半主動液壓懸置由“TF”(鍵合圖元件，起到主簧活塞功能)連接液壓與機械2部分，系數為Ap，總鍵合圖模型如圖5所示。

圖5 半主動液壓懸置鍵合圖模型Fig.5 Bond graph model of semi-active hydraulic mount

2) 數學模型 鍵合圖方法以狀態(tài)方程作為其數學模型的表達方式(王中雙等， 2008)。結合圖5所示的模型進行狀態(tài)方程推導：

(1) 選擇能量變量{X}和輸入變量{U}：

{U}={F}({F}為力輸入變量)；

(2) 寫出儲能元件e13，e7的鍵合組成率方程及各能量變量的導數方程式，推出初步方程式組：

(3) 列出結構方程。由鍵合圖因果關系可以得如下關系式：

由“1”結點性質得：f9=f10=f11=f12，

由“0”結點性質得:f14=f13-f12，

其中，f13=f12+f14=f11+f15。

又e14=e13，e13=e6，

因此，e15=e7-e13，

由TF二通口性質可得：f6=f3·Ap，

其中，e9=e7，e12=e13，

④機械部分，由“1”結點性質可得：

e4=e1-e5-e2-e3。

其中，e1=F，

整理可得：

最終得到狀態(tài)方程如下：

2 試驗與仿真

2.1 試驗方案 對于發(fā)動機懸置這樣的彈性隔振元件來說，動特性一般可通過“力-位移試驗法”直接測量(呂振華等， 2002)。本次試驗利用電液伺服系統(tǒng)進行，其試驗原理如圖6所示。

圖6 半主動液壓懸置動特性試驗原理Fig.6 Experimental principle diagram of semi active hydraulic mount

2.2 試驗內容 采用美國Delta公司生產的RMC75液壓伺服系統(tǒng)，根據該款車的零部件標準制訂試驗方案。

圖7 液壓懸置試驗Fig.7 Experimental diagram of s hydraulic mount

整個試驗裝置由試驗臺架及控制裝置構成，如圖7所示。

1) 試驗臺架： 在臺架上安裝固定液壓懸置，在此載體上測量懸置的動剛度。

2) 控制裝置： 通過實現節(jié)流孔開度變化控制模擬液壓懸置系統(tǒng)的工作情況。

具體到試驗中，通過可產生負壓的真空泵使大節(jié)流孔打開。同時，將壓力表與可調開關串接在真空泵與進氣管間，隨時調節(jié)液壓懸置的進氣壓力。為確保試驗準確性，需將組裝的試驗裝置在(20±3) ℃下放置18 h以上。

2.3 試驗結果分析 通過試驗得到反映液壓懸置減振性能的主要參數——阻尼滯后角、動剛度在模擬懸置系統(tǒng)實際工作狀態(tài)下的數值，具體如表1所示。

表1 模擬懸置系統(tǒng)實際工作狀態(tài)下的動剛度與阻尼滯后角

由表1可知，在0～30 Hz頻率范圍內，液壓懸置動剛度等參數隨頻率變化呈現出非線性，最大阻尼滯后角達到50°。在5～15 Hz頻率范圍內阻尼滯后角在高點附近波動，對于液壓懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)附近的振動衰減效果明顯，有利于衰減懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)附近的振動，其性能優(yōu)于一般橡膠主簧懸置。這說明采用半主動控制式的木橡膠主簧液壓懸置，在發(fā)動機振動的較低頻段內(怠速激振點)，可有效調控懸置系統(tǒng)的動特性，調控后的液壓懸置能有效衰減發(fā)動機怠速時的振動，提高舒適性。

2.4 懸置動特性仿真與試驗對比分析 在Matlab/Simulink軟件中仿真計算出液壓懸置的動特性，并將仿真結果與試驗結果進行比較，如圖8、圖9所示。

圖8 低頻段(0～30 Hz)仿真與試驗結果對比Fig.8 Contrast curve of simulation and experimental results during low frequency section (0-30 Hz)

圖9 高頻段(30～200 Hz)仿真與試驗結果對比Fig.9 Contrast curve of simulation and experimental results during high frequency section (30-200 Hz)

從圖8、圖9可看出，在0～30 Hz的低頻范圍內，液壓懸置的動剛度變化在仿真及試驗結果中高度一致，參數幾乎相同，阻尼滯后角的變化趨勢也是如此； 在30～200 Hz的高頻范圍內，液壓懸置的動剛度在仿真及試驗結果中數值接近，但阻尼滯后角的數值變化趨勢卻有一定不同。

3 結論與建議

3.1 結論 本文嘗試設計了一種基于木橡膠主簧材質的主動液壓懸置，并應用鍵合圖理論對其進行了建模、仿真以及試驗分析。對比仿真與試驗結果可以得到如下結論：

1) 通過對木橡膠主簧半主動液壓懸置的試驗與建模仿真分析，木纖維橡膠材料作為半主動液壓懸置的隔振材料完全可行，利用鍵合圖數學模型研究懸置的隔振是合理的，尤其對于低頻隔振特性預測十分準確，低頻隔振仿真分析是懸置設計的必要環(huán)節(jié)；

2) 應用鍵合圖方法對木橡膠主簧半主動液壓懸置系統(tǒng)進行建模仿真是可行的，對所建模型的仿真與試驗結果很好地證明了這一點；

3) 在高頻段內雖然動剛度在仿真與試驗結果中接近，但阻尼滯后角的變化趨勢卻有一定不同，說明本文所建的基于木橡膠主簧的液壓懸置模型對懸置系統(tǒng)高頻段范圍內的動態(tài)特性研究存在一定局限性；

4) 為木橡膠材料在汽車減振控制領域的應用提供了理論及實踐基礎。

3.2 建議 本文用木質材料替代傳統(tǒng)橡膠在汽車上進行了應用，并用鍵合圖方法對木橡膠主簧式半主動液壓懸置系統(tǒng)進行了建模，盡管提出了一種很好的思路，但是畢竟對于高頻振動方面效果不是很好。因此建議積極探索其他智能控制方法在液壓懸置領域的應用，同時進一步研究和改善木橡膠材料的結構與性能。

酈光明．2005.發(fā)動機用電流變液力懸置的研究．杭州： 浙江大學碩士學位論文．

(Li G M. 2005. Study on electrorheological fluid engine mount of engine. Hangzhou: MS thesis of Zhejiang University. [in Chinese])

林 逸，馬天飛，姚為民，等．2002．汽車NVH特性研究綜述．汽車工程，24(3): 177-181，186．

(Lin Y, Ma T F, Yao W M,etal. 2002. The summary of study on vehicle NVH performance. Automotive Engineering, 24(3): 177-181,186.[in Chinese])

劉福水,葛蘊珊，唐志偉,等.2000.半主動控制液力懸置的模擬和實驗研究．北京理工大學學報，20(5):570-575.

(Liu F S, Ge Y S, Tang Z W,etal. 2000. Simulation and experimental study of semi-active control hydraulic mount. Journal of Beijing Institute of Technology，20(5):570-575. [in Chinese])

呂振華，梁 偉，上官文斌. 2002.汽車發(fā)動機液阻懸置動特性仿真與試驗分析.汽車工程，24(2): 105-111.

(Lü Z H，Liang W，Shangguan W B. 2002. Simulation and experimental analyses of dynamic characteristics of automotive engine’s hydro-elastic mount. Automotive Engineering，24(2): 105-111. [in Chinese])

馬 巖，潘承怡.2008.微米木纖維模壓制品形成的試驗裝備與工藝．林業(yè)科學，44(6): 113-117.

(Ma Y, Pan C Y.2008.Experimental equipment and technology of forming of micron wood fiber mould product. Scientia Silvae Sinicae, 44 (6): 113-117. [in Chinese])

馬 巖，楊春梅.2006.微米長澊片木纖維切削加工功率的理論計算方法與效益分析．林業(yè)科學，42(3):44-47.

(Ma Y，Yang C M.2006.The theory computational and beneficial analysis on wood cutting power. Scientia Silvae Sinicae, 42 (3): 44-47. [in Chinese])

閔海濤,林 逸，熊云亮，等.2003.輕型客車動力總成液壓懸置的動態(tài)特性．吉林大學學報：工學版，33(2):6-10.

(Min H T,Lin Y, Xiong Y L,etal. 2003.Study on dynamic characteristics of light passenger car’s hydraulic mounting. Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition,33(2): 6-10. [in Chinese])

王中雙，陸念力. 2008. 鍵合圖理論及應用研究若干問題的發(fā)展及現狀. 機械科學與技術,27(1):72-77.

(Wang Z S， Lu N L. 2008. A review bond graph theory and its application. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，27(1):72-77. [in Chinese])

謝元凱.2004.半主動控制液壓懸置的動特性仿真與實驗研究．長春： 吉林大學碩士學位論文.

(Xie Y K. 2004. Simulation and experimental study on dynamic characteristics of semi-active control hydraulic mount. Changchun: MS thesis of Jilin University. [in Chinese])

許滄栗,黃承修，酈光明.2006.鍵合圖理論在發(fā)動機電流變液力懸置中的應用．機械工程學報，42(5): 219-223.

(Xu C L,Huang C X, Li G M. 2006. Application of bond graph theory in electrorheological fluid engine mount. Chinese Journal of Mechanical Engineering，42(5): 219-223. [in Chinese])

(責任編輯 石紅青)

Application of the New Type Semi-Active Hydraulic Mount on the Vehicle Based on the Main Spring of Wood Rubber

Yang Hangxu1Ma Yan2Sun Wei3

(1.JinhuaPolytechnicJinhua321017； 2.ForestryandWoodworkingMachineryEngineeringTechnologyCenter,NortheastForestryUniversityHarbin150040； 3.Faw-VolkswagenAutomotiveCo.LtdChangchun130013)

【Objective】 In view of the main vibration isolation element on the car-rubber spring (the material is the traditional rubber), there are lots of disadvantages such as vibration isolation effect is not ideal, easy aging and sound insulation effect is not good, etc. Based on the theory of wood rubber, the rubber spring in the hydraulic suspension was put forward, and the structure modeling, software simulation and sample experiment were carried out in a commonly used semi active vehicle suspension, which can provide technical support for the application of the wood fiber material in automobile engine vibration reduction.【Method】In specific wood rubber spring material selection, the Korean pine cut from Xiaoxing’an Mountains was used, the density was 0.439 g·cm-3and moisture content was 12%-15%. Using the microns long filament cutting machine of forestry and mechanical engineering technology center in Northeast Forestry University, the thickness of wood fiber below 86 μm was cut and the average thickness reached about 50 μm. Then rubbing filaments and the manufacture product was applied on the main spring of semi active hydraulic mount device. The bond graph model and mathematical model of the semi-active hydraulic mount was established based on the bond graph theory. The simulation results obtained by Matlab/Simulink simulation tool were compared with the state equation of bond graph.【Result】In the low frequency range of 0-30 Hz, the dynamic stiffness of the hydraulic mount was highly consistent with the results of simulation and experiment, and the change trend of the damping lag angle was almost the same. In the high frequency range of 30-200 Hz, the dynamic stiffness of the hydraulic mount was similar to that of the simulation and the experimental results, however, the values of the damping lag angle were showed different.【Conclusion】1) The application of wood rubber materials on the main spring of semi active hydraulic mount was completely feasible. The analysis of the vibration isolation characteristics of wood fiber rubber material was reliable, especially for the low frequency vibration isolation simulation. 2) Using bond graph method, the modeling and simulation of semi active hydraulic mount system of the main spring were feasible, and the simulation and test results of the model were good. 3) In the high frequency range, the simulation results were consistent with the experimental results, but some errors in the damping lag angle were found.

wood rubber； main spring； bond graph； semi-active； hydraulic mount

10.11707/j.1001-7488.20170116

2015-09-10；

2016-02-03。

國家自然科學基金項目(31170517)； 浙江省科學技術廳2014年公益技術研究工業(yè)項目(2014C31013)。

S781.2； U463

A

1001-7488(2017)01-0128-07