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
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]。
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)
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。
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。
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(kù)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。
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。
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。
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??梢猿醪脚袛喈愴懺蚴墙饘贆M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
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?,F(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。
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??赡苡绊懩Σ廉愴懙脑蚩偨Y(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
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。