鄭玲劉巧斌猶佐龍龐劍陳代軍

（1.長安汽車工程研究院，汽車振動噪聲和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401120；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）

汽車發(fā)動機半主動懸置技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望＊

鄭玲1，2劉巧斌2猶佐龍2龐劍1陳代軍1

（1.長安汽車工程研究院，汽車振動噪聲和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401120；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）

在總結(jié)和分析研究了國內(nèi)外近20年在半主動懸置方面的專利、研究報告和學(xué)術(shù)論文的基礎(chǔ)上，從控制技術(shù)和原理上將半主動懸置分為結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式和性能參數(shù)控制式兩大類，分別對其結(jié)構(gòu)形式、性能特點以及控制策略進行綜述，最后對半主動懸置的發(fā)展趨勢進行了展望。為半主動懸置的結(jié)構(gòu)選型和整車匹配設(shè)計提供參考。

1 前言

發(fā)動機懸置是隔離發(fā)動機與車架之間振動傳遞的主要部件，由于橡膠懸置在性能上的局限性，逐步被液壓懸置取代。盡管被動液壓懸置在一定頻段內(nèi)顯著提高了乘坐舒適性，但由于其在高頻激勵時存在的動態(tài)硬化，使其仍然無法滿足現(xiàn)代中高級轎車對車內(nèi)舒適性的要求，因此人們開始研究半主動和主動懸置[1～4]。

主動懸置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要連續(xù)提供能量，以實現(xiàn)寬頻主動隔振，但其成本較高，目前僅限于在少數(shù)高級轎車上應(yīng)用。半主動懸置針對單個或有限頻率，能耗較低，控制策略比較簡單，可靠性更好，更容易在工程上進行大批量應(yīng)用。本文主要針對半主動懸置的結(jié)構(gòu)、動特性以及控制策略進行分析和評述，以指導(dǎo)半主動懸置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和整車匹配。

2 半主動懸置分類

目前，半主動懸置已經(jīng)在各種中高端轎車上應(yīng)用，比較典型的有寶馬725、通用凱迪拉克ATS、現(xiàn)代維拉克斯、本田雅閣、奔馳ML250、奧迪Q5/A4等，其中前4種為真空控制式，后兩種為電控式。而采用主動懸置的僅有奧迪S8、保時捷911等豪車。

半主動懸置根據(jù)動特性改變的方式不同，可分為結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式和性能參數(shù)控制式[4]。結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式是通過改變懸置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)動特性改變，如控制節(jié)流通道或控制空氣彈簧壓力等。此外，根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)的能量供應(yīng)形式，可分為真空式和電控式兩種類型。性能參數(shù)控制式半主動懸置主要是通過改變液壓懸置的流體阻尼特性來實現(xiàn)動特性改變，如電流變或磁流變懸置。圖1是半主動懸置的分類。

圖1 半主動懸置的分類

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置

結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置依靠真空或電磁閥等來改變半主動懸置內(nèi)部的節(jié)流通道流通面積、長度以及解耦膜下方空氣室的開閉，來實現(xiàn)不同模式之間的切換，是目前普遍采用的半主動懸置結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)控制力的來源不同，其分為真空可調(diào)式和電磁可調(diào)式兩種。

3.1 真空可調(diào)式半主動懸置

真空式半主動懸置主要通過真空負壓來改變懸置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同模式之間的切換，又分為控制節(jié)流通道式和控制氣體彈簧壓力式。

3.1.1 控制節(jié)流通道式

本田雅閣轎車和寶馬725所使用的前懸置是控制節(jié)流通道式半主動懸置，這種半主動懸置通過真空閥控制懸置上下液室之間的旁通道，從而改變上下液室的貫通形式，實現(xiàn)怠速工況下的小剛度，以衰減怠速抖動。圖2所示為一種真空控制節(jié)流通道式半主動懸置的結(jié)構(gòu)圖[5]。通過真空可以控制半主動懸置節(jié)流孔的開閉，從而實現(xiàn)動特性的改變。

閔海濤等采用鍵合圖理論和試驗相結(jié)合的方法對此種懸置的動特性進行了深入研究[6]。圖3是該懸置的動特性曲線。在怠速工況下，節(jié)流孔閉合和開啟兩種狀態(tài)下懸置的動剛度的比值為3倍左右，阻尼滯后角比值為4倍左右。

圖2 真空控制節(jié)流通道式半主動懸置示意

圖3 真空式半主動懸置動特性曲線

3.1.2 控制氣體彈簧壓力式

控制氣體彈簧壓力式半主動懸置是通過控制氣室的真空度改變橡膠主簧和上液室的接觸狀況，從而實現(xiàn)橡膠懸置和液壓懸置兩個模式的切換。氣室位于橡膠主簧和上液室之間。在正常工況（非怠速）下，真空閥打開，橡膠主簧和上液室直接接觸，此時懸置的動特性與液壓懸置類似，其動特性如圖4a所示[7]。在怠速工況下，真空閥關(guān)閉，氣室內(nèi)充滿空氣，由于空氣的不可壓縮性導(dǎo)致橡膠主簧的振動無法直接傳遞至上液室，此時懸置動特性與傳統(tǒng)橡膠懸置類似，如圖4b所示。

3.2 電磁可調(diào)式半主動懸置

電磁可調(diào)式半主動懸置主要通過電磁閥等電動裝置來改變懸置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同模式之間的切換，其有控制節(jié)流通道式和控制氣體彈簧壓力式等形式。

圖4 氣體彈簧壓力式半主動懸置動特性

3.2.1 控制節(jié)流通道式

控制節(jié)流通道式是通過改變節(jié)流通道（節(jié)流孔或慣性通道）的幾何特征，來實現(xiàn)液壓懸置動態(tài)特性改變的。

a.節(jié)流通道數(shù)量控制式

張云清等人對控制多慣性通道進行了研究[8]，Benjamin Barszcz也對多慣性通道式液阻懸置進行了研究[9]。圖5所示為多慣性通道式半主動懸置的動特性曲線，其中1、2兩條曲線分別表示該半主動懸置可能實現(xiàn)的兩種不同動特性。由圖5可知，調(diào)節(jié)多慣性通道中各慣性通道的開閉可實現(xiàn)懸置動特性曲線谷值頻率的移動。若將某一狀態(tài)的谷值點調(diào)至怠速點，在怠速時切換慣性通道，就能保證怠速時懸置的小剛度特性；而在非怠速時，多慣性通道式懸置可切換回按其它工況要求所設(shè)計的模式，進而實現(xiàn)了不同模式之間的切換。

圖5 多慣性通道式半主動懸置動特性曲線[8]

b.節(jié)流通道長度控制式

節(jié)流通道長度控制式半主動懸置是通過控制慣性通道的長度來改變懸置的阻尼特性。圖6a是慣性通道長度的調(diào)整原理，其通過電控裝置改變上下液室的液體流通入口來實現(xiàn)慣性通道長度的改變。徐志軍[10]曾試制出這種懸置，并進行了整車試驗。試驗結(jié)果表明，該懸置具有寬頻帶的隔振減噪性能[10]。圖6b是4種模式下對應(yīng)的力傳遞率曲線。

圖6 節(jié)流通道長度控制式半主動懸置

c.節(jié)流通道面積控制式

節(jié)流通道面積控制式半主動懸置通過調(diào)控液壓懸置的節(jié)流通道面積來改變液壓懸置中液體流動的阻尼，從而實現(xiàn)其動特性的改變。

20世紀80年代，美國普渡大學(xué)、固鉑橡膠集團和福特汽車公司共同合作研究了節(jié)流通道面積調(diào)節(jié)式半主動懸置，并應(yīng)用于實車[11]。

d.節(jié)流通道長度、面積綜合控制式

加拿大滑鐵盧大學(xué)學(xué)者提出了同時控制慣性通道長度和解耦盤截面積開度的半主動懸置[12]，吉林大學(xué)王敏也對這種半主動懸置進行了研究[13]。

3.2.2 控制氣體彈簧壓力式

控制氣體彈簧壓力式半主動懸置又稱為空氣彈簧式半主動懸置或可變解耦膜剛度半主動懸置，這種半主動懸置是國內(nèi)主要采用的結(jié)構(gòu)形式。國內(nèi)眾多高校、懸置生產(chǎn)商以及整車廠都有這方面的研究[14～15]。

控制氣體彈簧壓力式半主動懸置是在解耦膜與下液室之間設(shè)置氣腔，通過電磁閥控制氣腔的密閉狀態(tài)，當氣腔密閉時，上液室剛度較大，動剛度較大。相反，當氣腔打開時，上液室剛度減小，動剛度隨之降低。這種半主動懸置結(jié)構(gòu)簡單可靠，能有效降低懸置動剛度，緩解怠速抖動帶來的不利影響。圖7和圖8分別為奧迪Q5和奔馳ML250使用的半主動懸置，其都是典型的控制氣體彈簧壓力式半主動懸置[16]。

圖7 奧迪Q5半主動懸置示意

圖8 奔馳ML250半主動懸置示意

3.3 半主動懸置動特性

液壓懸置中液體的液柱共振頻率為：

式中，k為液柱等效剛度；m為液柱等效質(zhì)量；K1為上液室體積剛度；L為液阻懸置節(jié)流通道等效長度；ρ為液體密度；A為節(jié)流通道等效面積。

半主動懸置均是基于ρ、K1、L和A4個參數(shù)的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。電、磁流變懸置通過ρ來調(diào)節(jié)其動特性，結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置則利用電磁或真空制動裝置，通過K1、L和A3個參數(shù)來調(diào)節(jié)其動特性。

圖9所示是兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置動剛度對比的示意圖。節(jié)流通道控制式半主動懸置提高液柱共振頻率，實現(xiàn)的是動剛度曲線谷值的右移以適應(yīng)怠速工況低動剛度的要求。控制解耦膜剛度式半主動懸置液壓懸置通過控制空氣彈簧的開閉來改變上液室體積剛度，從而實現(xiàn)懸置動特性的可調(diào)。

懸置上液室體積剛度對懸置動剛度的影響比較大。其動剛度可近似為：

式中，Kd是懸置動剛度；Kr是主簧剛度；K1A2p是上液室等效剛度。

可見，當上液室體積剛度K1變化時，懸置動剛度Kd也隨之變化。在怠速時，控制節(jié)流通道式半主動懸置剛度下降最多，說明僅對隔離怠速振動而言,控制節(jié)流通道式半主動懸置的效果比控制解耦膜剛度式半主動懸置明顯。

3.4 專利總結(jié)

3.4.1 中國專利

國內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置大部分為電磁式，大多是參考國外專利進行結(jié)構(gòu)改進。通用汽車公司申請的專利有三狀態(tài)和多狀態(tài)可切換，其它半主動懸置都是兩狀態(tài)或雙模式的。表1是近5年在國內(nèi)申請的結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置專利。

表1 中國專利

3.4.2 美國專利

國際上結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置相關(guān)專利有百余個。限于篇幅，僅選擇2000年后在美國申請的有代表性的專利列于表2，其中同時在中國申請的不再列出。其大多是在國外實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的半主動懸置產(chǎn)品，同一單位申請的多個專利之間一般有傳承關(guān)系，是在原有結(jié)構(gòu)上不斷完善而形成的，其對國內(nèi)開發(fā)半主動懸置產(chǎn)品具有很大的參考價值。

表2 美國專利

在以上專利中，有兩個方面值得注意。其一，美國庫博標準（Cooper Standard）公司申請的多狀態(tài)可調(diào)的半主動懸置是目前此類結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的。結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)式半主動懸置大部分是雙模式，很少采用多模式，僅有通用凱迪拉克ATS等個別車型采用多模式。其二，福特、本田和日本電裝等申請的專利還包括半主動懸置控制系統(tǒng)的專利，涉及到半主動懸置在整車上的控制策略等方面。

4 性能參數(shù)控制式半主動懸置

性能參數(shù)控制式半主動懸置主要通過調(diào)節(jié)懸置中的液體阻尼性能來改變懸置的動特性。其與結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置相比，具有更好的實時和寬頻帶的動特性可變特點[17]，其主要包括電流變和磁流變懸置。電流變液和磁流變液的基本性能如表3所列[18]?？芍?，與電流變液相比，磁流變液在工作溫度、控制電壓和最大屈服壓力等方面有較大的優(yōu)勢，因此磁流變懸置有更大的應(yīng)用前景。

表3 磁流變液和電流變液比較

電流變液和磁流變液按工作模式的不同，可分為擠壓模式、流動模式和剪切模式3種。通常懸置可以使用流動或擠壓等單一模式，或者流擠混合、流剪混合等混合模式。

4.1 電流變半主動懸置

在國內(nèi)，眾多高校都有關(guān)于電流變液及電流變懸置的相關(guān)研究，但多集中于電流變液性能研究和流動模式電流變懸置研究[19]；擠壓模式和混合模式電流變懸置的研究報道較少。國際上，韓國仁荷大學(xué)Choi S B教授課題組在電流變懸置方面進行了廣泛研究，提出了幾個有代表性的電流變懸置結(jié)構(gòu)[20]。

4.2 磁流變半主動懸置

近年來，磁流變懸置受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，重慶大學(xué)在磁流變懸置方面開展了深入研究，涉及磁流變懸置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型辨識、優(yōu)化設(shè)計、控制策略和整車匹配等[21～29]。在國外，洛德（LORD）公司、德爾福（DELPHI）公司以及韓國現(xiàn)代等都有磁流變懸置相關(guān)專利或產(chǎn)品[30]。

圖10所示是LORD公司的流動模式磁流變懸置[30]。磁流變液沿慣性通道和環(huán)形間隙流動。不通電時，磁流變液粘度較小，液體主要通過環(huán)形間隙在上下液室流動，懸置呈現(xiàn)小剛度、小阻尼特性；通電時，磁流變液粘度升高，環(huán)形間隙堵塞，液體主要通過慣性通道在上下液室之間流動，懸置呈現(xiàn)大剛度、大阻尼特性。由于環(huán)形間隙處的電磁場連續(xù)可調(diào)，磁流變懸置動特性也呈現(xiàn)連續(xù)變化的特點。

圖10 流動模式磁流變懸置示意

擠壓模式磁流變懸置是另一類單一模式的磁流變懸置[31～32]。該懸置中一個電極可動，另一個電極固定，電極之間的間隙隨激勵而變。擠壓模式磁流變懸置適合于高頻小振幅的激勵工況，并可承受較大的激勵力。

美國托雷多大學(xué)的學(xué)者研究了流動與擠壓混合模式磁流變懸置[33～36]。該混合模式磁流變懸置綜合了流動模式和擠壓模式的優(yōu)點，具有更好的減振效果。圖11所示是該混合模式磁流變懸置的隔振效果?？芍摯帕髯儜抑迷谔炫锟刂扑惴ㄏ掠泻芎玫母粽褡饔?。

圖11 流動與擠壓混合模式磁流變懸置隔振效果

5 控制策略與整車匹配

控制策略是發(fā)動機半主動懸置控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。發(fā)動機半主動懸置系統(tǒng)的激勵既有動力總成的簡諧激勵，又有路面的隨機載荷和沖擊載荷的作用，加上懸置本身的非線性、遲滯等，都對控制策略設(shè)計及整車匹配提出了諸多挑戰(zhàn)。

5.1 控制策略

由于大部分結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置都是雙模式或多模式的有級可切換懸置，故使用簡單的on-off控制或幾個模式的切換就可實現(xiàn)不同模式之間的轉(zhuǎn)換，工程應(yīng)用上比較可靠。如何針對不同的運行工況，結(jié)合整車動力學(xué)模型進行控制策略的設(shè)計，以實現(xiàn)多工況下的有效振動隔離，仍然有很多問題值得研究。

由于電/磁流變懸置的阻尼特性具有連續(xù)可調(diào)的特點，為了充分發(fā)揮其寬頻有效隔振的特性，其控制策略的研究和設(shè)計變得更為重要。目前，在電/磁流變懸置上應(yīng)用的控制策略有天棚、LQR、模糊、自適應(yīng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[34～36]。此外，由于不同控制方法的局限性，采用混合控制策略以改善控制系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性成為控制策略研究的一個趨勢。潘雷等[18]采用混合控制策略對電流變和磁流變懸置進行了仿真與試驗研究。結(jié)果表明，自適應(yīng)滑膜控制、模糊滑膜控制和自適應(yīng)模糊滑膜控制等混合控制策略在減振效果上明顯優(yōu)于天棚控制策略。Wang S等人[35]應(yīng)用雙層天棚控制策略實現(xiàn)了力傳遞率最低和位移傳遞率最低兩個不同目標之間的協(xié)調(diào)。

5.2 整車匹配

目前，結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置技術(shù)在國外已經(jīng)相當成熟，中高級轎車和SUV基本都使用一個或兩個半主動懸置。由于成本問題，電/磁流變懸置在整車上的應(yīng)用及匹配的研究報道還很少。無論是結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式或性能參數(shù)控制式半主動懸置，其半主動懸置與不同車型的性能匹配規(guī)范、半主動懸置安裝位置、與液壓懸置的混合匹配、發(fā)動機激勵和路面激勵對半主動懸置系統(tǒng)的影響機理方面都缺乏深入細致的研究，還有許多問題需要深入研究和進一步明確。

6 結(jié)束語

本文總結(jié)了國內(nèi)外近20年來在半主動懸置領(lǐng)域的研究成果，分別從結(jié)構(gòu)形式、性能特點以及控制策略等方面進行了綜述，并對半主動懸置的發(fā)展趨勢進行了展望。

結(jié)構(gòu)參數(shù)控制式半主動懸置在國外已經(jīng)非常成熟，各大懸置生產(chǎn)商都有相關(guān)產(chǎn)品。而國內(nèi)還處于研發(fā)和試生產(chǎn)階段，要實現(xiàn)大批量生產(chǎn)和實車應(yīng)用，還有很多的技術(shù)難關(guān)需要突破。為此，國內(nèi)各大汽車廠和相關(guān)減振零部件配套廠在半主動懸置的開發(fā)上投入了大量研發(fā)力量，取得了一定的成果，推進了這一技術(shù)的國產(chǎn)化研發(fā)及實車應(yīng)用。磁流變懸置具有優(yōu)異的動特性連續(xù)可調(diào)性能，為實現(xiàn)發(fā)動機的寬頻有效隔振提供了手段，但由于成本的原因，目前還無法實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，僅在豪華乘用車和一些特種車輛上有一定應(yīng)用。

無論是針對哪一類半主動懸置，掌握半主動懸置以及系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵核心技術(shù)并突破產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的瓶頸技術(shù)問題，仍然有大量的研究開發(fā)和工程技術(shù)問題需要解決。

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33 Mansour H,Arzanpour S,Golnaraghi M F,et al.Semi-ac?tive engine mount design using auxiliary magneto-rheologi?cal fluid compliance chamber.Vehicle System Dynamics, 2011,49（3）:449～462.

34 The Minh Nguyen.A novel semi-active magnetorheologi?cal mount for vibration isolation:[dissertation].Toledo:The University of Toledo,2009.

35 Wang S,Elahinia M,Nguyen T.Displacement and force control of a quarter car using a mixed mode MR mount.Shock&Vibration,2013,20（1）:1～17.

36 Ciocanel C,Schroeder C,Elahinia M H.Performance Eval?uation of a Semi-Active Magnetorheological Mount.SAE Technical Paper,2008.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年6月21日。

Current Situation and Outlook of Semi-Active Engine Mounts Development and Research for Automobile

Zheng Ling1,2,Liu Qiaobin2,You Zuolong2,Pang Jian1,Chen Daijun1
（1.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology,R&D Center of Chang′an Automobile Corporation Limited, Chongqing 401120;2.Chongqing University,Chongqing 400044;）

In this research,we firstly analyzed,studied and summarized the patents,research reports and academic papers on Semi-active Engine Mount(SEM)that were disclosed in the past 20 years both in China and foreign countries, then we divided the SEM into two types of structural parameter control and performance parameter control,which were summarized in aspects of structural type,performance characteristics,and control strategy.Finally we prospected the development trend of SEM.This research could provide reference for the selection of SEM structure and vehicle matching design.

Engine,Semi-active engine mount,Structure,Performance feature,Control strategy

發(fā)動機 半主動懸置 結(jié)構(gòu)形式 性能特點 控制策略

U463.33

A

1000-3703（2017）04-0029-07

汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室開放基金課題（NVHSKL-201405）。