崔茗涵

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院汽車工程學院，遼寧 沈陽 110165）

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的進步，汽車舒適度已經(jīng)成為各汽車廠家市場競爭的核心條件，而減震裝置的設計，是提升汽車舒適度的關(guān)鍵。汽車減震裝置廣泛存在于汽車的發(fā)動機總成、底盤傳動系統(tǒng)以及懸掛系統(tǒng)中。其主要原理是借助于阻尼運動理念，衰減震動動能。橡膠減震裝置，因其成本低、性能好、維護方便等優(yōu)點被廣泛應用于汽車各減震系統(tǒng)中。

橡膠是可逆形變的高彈性聚合物材料。在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產(chǎn)生較大形變，除去外力后能恢復原狀。橡膠屬于完全無定型聚合物，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，分子量往往很大，大于幾十萬[1]。橡膠減震裝置就是利用橡膠這種特性，緩沖衰減機構(gòu)的不利震動，因此在汽車上獲得廣泛應用。

1 發(fā)動機懸置減震系統(tǒng)

1.1 常規(guī)橡膠減震裝置

橡膠具有良好的減震效果，可有效保護振動源對周邊部件的損傷[2]。因此，橡膠減震裝置廣泛應用在發(fā)動機懸置的結(jié)構(gòu)中。

發(fā)動機前置前驅(qū)汽車，發(fā)動機懸置橡膠減震裝置可以采用壓縮/剪切結(jié)構(gòu)。壓縮 / 剪切結(jié)構(gòu)的橡膠減震部件受力時，即承受外部的壓縮力，同時也承受剪切應力[3]。三點支撐發(fā)動機，采用前端兩點、后端一點的支撐形式。發(fā)動機前端兩點懸置橡膠減震裝置，可以采用楔形懸置結(jié)構(gòu)。楔形懸置的三個方面剛度，可以根據(jù)空間尺寸、空間角度自由確定。這種結(jié)構(gòu)，可以將內(nèi)外金屬套管與橡膠硫化成型在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的徑向與軸向剛度比[4]。根據(jù)理論研究，基于橡膠材料應用的發(fā)動機減震設計，應當盡量保證高頻時動剛度低以及低頻時阻尼系數(shù)高[5]。圖1所示為汽車發(fā)動機的前懸置橡膠減震部件，圖2所示為汽車發(fā)動機的后懸置橡膠減震部件，前懸置橡膠減震部件為左右對稱結(jié)構(gòu)且承擔發(fā)動機主要重量，其剛度略大一些，而后懸置橡膠減震部件固定在變速器上，以承受剪切應力為主，在衰減發(fā)動機震動的同時，也消除傳動軸震動對車身的影響。

圖2 發(fā)動機后懸置減震部件

目前汽車設計向輕型化、經(jīng)濟化發(fā)展，采用小型、大功率發(fā)動機和輕量化的汽車材料使發(fā)動機振動激勵增大，車體剛度減少，從而導致車內(nèi)振動和噪聲特性惡化。傳統(tǒng)的橡膠懸置已經(jīng)不能很好地滿足汽車減振降噪的性能要求。為此派生出很多新型減震部件。

1.2 液壓懸置減震部件

表1描述的是影響乘坐舒適性的因素與減震橡膠的要求特性的關(guān)系。

表1 汽車舒適度對減震橡膠性能的要求

為了能夠使橡膠性能有效地滿足發(fā)動機選址高頻時低的動剛度，低頻時高的阻尼系數(shù)[4]，從1979年開始，使用了液體封入的結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)在這一技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可以通過不斷地改進，廣泛應用。

最早時，發(fā)動機的液壓懸置主要是單通道結(jié)構(gòu)，在液體封入前，其性能和一般的減震橡膠類似，在液體封入后，液壓懸置在低頻震動區(qū)受到外力的作用時，會產(chǎn)生受壓變形，將壓力傳導至液體，因此在低頻時，具有較好的減震效果。不過，如果外界所施加的震動頻率，超過液體的固有頻率，那么此時的液壓懸置動剛度就會增大，不能夠滿足需求。這時，就需要對液壓懸置進行改良，液壓懸置減震部件如圖3所示。

圖3 液壓懸置減震部件

主要是在開設低頻通道的同時，增加解偶膜。在不同的工作狀態(tài)下，發(fā)動機的震動頻率與振幅分布如下。

行駛過程中：頻率約為10Hz，振幅在±0.5mm ～±1mm。

發(fā)動機空轉(zhuǎn)時：振動頻率在20Hz～40Hz，振幅在±0.1mm左右。

發(fā)動機產(chǎn)生噪聲時：振動頻率在50Hz～200Hz，振幅在0.1mm以下。

汽車正常行駛的過程中，盡量保持較低的震動頻率，就可以增加可動板的移動量，從而讓液體只在低頻道流道，通道由于阻力作用，會產(chǎn)生較大的阻尼系數(shù)，利于減震。當外界施加的頻率超過50Hz時，可以在主體上，通過增加翼板的方式，讓液壓可動板結(jié)構(gòu)在達到極限后，跟隨主體震動，攪拌液室中的液體，降低動剛度，減少噪聲，有效防震。

1.3 可轉(zhuǎn)換裝置與主動裝置的最新設計

為了提高舒適度，在進行發(fā)動機懸置設計時，出現(xiàn)了一種可轉(zhuǎn)換裝置，主要是通過相應的設計，實現(xiàn)動剛度與阻尼系數(shù)的有效轉(zhuǎn)換。一種有效的設計是，在傳統(tǒng)液壓懸置的主體和主液室之間增加附加膜，當發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)時，附加膜會降低主體間的動剛度。當真空泵吸出空氣時，附加膜又會和主體通過連接，形成一個傳統(tǒng)液壓懸置，實現(xiàn)高阻尼，可轉(zhuǎn)換裝置液壓懸置結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

圖4 可轉(zhuǎn)換裝置液壓懸置結(jié)構(gòu)圖

除了可轉(zhuǎn)換裝置外，還可以通過主動裝置的設計，有效控制阻尼系數(shù)和動剛度。將通道壁設計成電極裝置，利用高電壓增加通道內(nèi)黏度，實現(xiàn)高彈性低阻尼的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高阻尼的狀態(tài)。主動裝置中，所使用的液體一般為導電硅油樹脂、硅酸鹽懸浮液等。

2 汽車底盤橡膠減震部件設計

2.1 減震橡膠支架設計

減震橡膠支架可用于麥克弗遜式的獨立懸架減震器支柱和車身之間的有效連接。在這一狀態(tài)下，其主要的震動源是底盤車輪，而利用橡膠的作用，可以讓車輪和路面之間的震動消減，從而防止震動通過底盤上傳到車身，如圖5所示。

圖5 減震器橡膠支架的工作狀態(tài)示意圖

2.2 緩沖塊設計

緩沖塊主要是用于汽車的前后懸掛系統(tǒng)，當汽車行駛時，車身是防震對象，而底盤是振動源，緩沖塊就是為了緩和振動源和防震對象之間的沖擊。橡膠具有較強的阻尼特性，防止車身金屬之間接觸產(chǎn)生噪聲。緩沖塊的設計，根據(jù)相關(guān)的實證研究，要注意兩點，第一是要將最大體積壓縮量控制在30%以內(nèi)，第二是應充分考慮永久變形小的橡膠配方，提高其耐久性。圖6為汽車懸架使用的緩沖塊。

圖6 止動/緩沖塊壓縮狀態(tài)

2.3 橡膠襯套設計

橡膠襯套是一種較為有效的可以減緩震動的汽車連接元件，其可以應用于汽車零部件之間的連接中。汽車減震系統(tǒng)中，需要使用襯套設計的有拉桿、穩(wěn)定桿、控制臂、板簧等。襯套按照制作工藝以及特性，可以劃分為三類，分別是：純橡膠襯套、內(nèi)金屬套橡膠襯套、內(nèi)外金屬套橡膠襯套。

純橡膠襯套如圖7所示。其特點是材料完全由橡膠材料組成，這種襯套的特點是結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝簡單，因此其成本低，價格低廉。主要用于使用壽命要求不高、受力不大、磨損小的減震裝置。

圖7 純橡膠襯套結(jié)構(gòu)

對很多徑向受力大，膠套孔中軸或銷相對膠套有轉(zhuǎn)動，為了提高受力面積，減少銷軸轉(zhuǎn)動對襯套的磨損，在原有純橡膠襯套基礎上，內(nèi)置一個金屬套管，工作時，金屬套管與軸銷相連接，如圖8所示。其強度、剛度較純橡膠襯套有明顯的提高，并且其壽命增長。在金屬襯套內(nèi)涂抹潤滑脂，可有效減少與銷軸之間的摩擦，即減少了阻力，同時延長了襯套的使用壽命。

圖8 內(nèi)金屬套橡膠襯套

當使用受力更大、更易磨損的減震懸掛裝置時，在原有內(nèi)置金屬套管的基礎上，在橡膠的外部又包裹金屬套管，如圖9所示。其強度和剛度更高。同時由于內(nèi)外金屬套管的保護作用，即便橡膠收到很大的沖擊力，也不容易損壞，提高了安全性能，發(fā)動機懸掛、部分轎車后部的半獨立懸架采用了該種襯套。

圖9 內(nèi)外金屬套橡膠襯套

2.4 減震輪胎設計

汽車行駛時，為減少地面不平對車身造成的沖擊，輪胎是必不可少的減震元件。輪胎作為車輛與道路之間的連接鏈，要承受所有的力和力矩，其傳力能力關(guān)系著車輛的安全性、操縱性和舒適性。輪胎與車輪是汽車行駛系中的重要部件，其功用包括支承整車；緩和由路面?zhèn)鱽淼臎_擊力；通過輪胎同路面間存在的附著作用來產(chǎn)生驅(qū)動力和制動力保證汽車正常行駛?，F(xiàn)代汽車幾乎都采用充氣輪胎。但充氣的壓力對輪胎緩沖效果影響很大，普通轎車的胎壓低于貨車，很大程度增強了緩沖效果，提高舒適性。另一方面輪胎的胎壓最好與輪胎的載荷相適應、與行駛的路面相適應，未來將設計智能輪胎，根據(jù)載荷及路況合理自動調(diào)節(jié)胎壓，從而達到最佳減震效果。

3 結(jié)語

橡膠在汽車減震中起到重要作用。平均每輛汽車的橡膠配件多達一百多種，數(shù)量有200～500個，其耗膠量可達60kg，占汽車總成本約為6%以上。汽車用橡膠配件，除輪胎是大件外，其他橡膠制品雖是小配件，但均安裝在關(guān)鍵部位上，如汽車的發(fā)動機、變速箱的懸掛。橡膠零件對汽車減震而言，是一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、不可或缺的零部件，作用巨大。該文從汽車整體減震的角度出發(fā)，對其減震設計進行了研究，希望能夠為汽車減震材料制品提供一種合理的設計方案。