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汽车黑科技之动力总成主动悬置技术

发布：marjrh 来源：

PostTime：10-5-2024 19:22

一、技术背景随着我国综合国力的增强，人民生活水平显著提高，加之近年来00后、00后青年一代驾驶员增多，综合起来对汽车平顺性、舒适性都提出了新的要求。汽车的NVH(Noise,Vibration and Harshness，即噪声、振动与 ...

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一、技术背景
随着我国综合国力的增强，人民生活水平显著提高，加之近年来00后、00后青年一代驾驶员增多，综合起来对汽车平顺性、舒适性都提出了新的要求。汽车的NVH(Noise,Vibration and Harshness，即噪声、振动与声振粗糙度)性越发凸显其重要性，特别是轿车的主要性能指标，越来越成为评价一个汽车品牌的重要因素之一。研究表明，汽车故障中约1/3问题和NVH有关，国外各大公司每年花费将近20%的费用用于解决车辆NVH问题。此外，伴随汽车排放法规的日渐严厉和新能源混动车的快速发展，小型强化发动机逐渐成为研究热点。由于三缸发动机具有机械效率和燃烧热效率高、节能减排、节省布置空间、价格低廉等诸多优势逐渐又重新被各大主机厂所青睐。然而，三缸机最大的缺点是NVH问题突出。
众所周知，路面不平激励和发动机激励是汽车的两大振动噪声来源，如图1所示。来自车辆内部发动机的激励，经由悬置系统过滤后传递到副车架或车身，然后经方向盘和座椅等最终被车内人员所感知；来自车辆外部路面的激励，通过轮胎、悬架系统过滤后传递到车身被人体感知，以上两种激励所导致的车内振动通常是汽车振动噪声的最主要来源。

图1 车内振动主要来源

为了降低以上两大振源传递到车内的振动，汽车NVH工程师分别针对路面激励和发动机激励设置了悬架系统和悬置系统。而近年来，动力总成悬置系统由于种种原因越来越受到汽车工程师重视。其中主要包括：

（1）汽车NVH研究中对悬架系统研究较早，诸多技术已相当成熟；

（2）当前轿车动力总成设计既强调轻量化又追求高功率，使得其振动进一步加大；

（3）乘用车大都选取平衡性欠佳的四缸四冲程内燃机和承载式薄壁结构车身，也从侧面使得动力总成向车身传递振动增大。以上诸多因素直接导致了各主机厂对汽车动力总成悬置系统提出了新的更严厉的要求。

汽车动力总成悬置系统是为了隔离动力总成与车体之间的振动传递而特意安设的非常重要的弹性连接装置。其主要作用是支撑和固定动力总成，使其在汽车各种工况下均处于合理的设计位置；限制动力总成产生过大的位移，防止其与周围零部件发生碰撞或干涉；阻止动力总成向车架或车身侧传递振动。

悬置系统不仅能衰减来自动力总成的振动，还能在很大程度上隔离来自路面的激励。理想状态下，悬置系统应在较宽频率范围内高效隔振，以满足汽车所有工况下的减振降噪要求。因此它对于提高汽车NVH性及整车品质方面扮演着重要角色，是汽车NVH开发中的重要部分之一。然而在我国，汽车悬置系统的设计匹配及制造技术整体薄弱，其隔振性能普遍较差，直接导致了国产车乘坐舒适性欠佳和在市场上综合竞争力不高。
伴随汽车工业的不断发展和科技水平的不断提高，动力总成悬置已由最初的螺栓直接连接发展到目前的主动控制式悬置，其发展历程如图2所示。橡胶悬置虽然在低频段隔振效果较好，但阻尼较小且有高频动态硬化的问题；被动液压悬置一旦设计完成，其各参数均无法改变，不能满足汽车工况随时变化的要求；半主动悬置虽然能通过调节其性能参数或结构参数来改变其动特性，但往往也只能适应汽车部分工况的变化，无法满足汽车从启动到熄火全工况的变化。随着发动机混动、变缸和主动启停等节能减排技术的蓬勃发展，发动机产生的振动变得复杂而多变。发动机主动悬置（Active Engine Mount，AEM）系统是目前应对这一状况的主流方案。

图2 动力总成悬置发展历程

二、技术原理

主动控制式悬置系统通过控制作动器产生不同大小的主动控制力，能更好的适应路面和汽车多工况的变化，抵消或降低振动向车身侧的传递，从而获得最优的隔振效果。因此，设计合理且满足要求的主动悬置系统来降低动力总成和路面传递到车身的振动噪声是未来一段时间汽车主机厂急需解决的难题，探索并掌握性能优良且能较好的满足车辆NVH性能的新型汽车主动悬置系统技术非常有必要。

图3 主动悬置系统

主动悬置系统主要由被动悬置、作动器和控制器三大部分组成，其中作动器常直接封装于被动悬置底部。这样设计一来可避免在主动悬置系统失效（如传感器或控制器故障等）的情况下，系统仍能充当被动悬置使用；二来节省空间和能耗，使得悬置系统整体不至过大，能根据车辆本身可提供的能量范围直接发出主动控制力调节作动器。据此设计的主动悬置系统简化模型主要有三种结构，如图4所示。

图4 主动悬置系统简化模型

电磁线圈式主动悬置由于体积小、结构相对简单、响应精度高等特点，应用最为普遍，其结构是在已有被动液压悬置的基础上通过增加电磁作动器部分改造而来，如图5所示。其工作原理如下：其中液体通过惯性通道在主从液室间流动，振动膜通过橡胶与金属骨架连接，主从液室中心的振动膜与电磁作动器的活动线圈相连，这样，当振动膜受到电磁力或液体压力作用时，可沿悬置弹性主轴运动。振动膜运动既受发动机或路面振动导致主簧变形引起主从液室压力波动的影响，又受电磁作动器输出力的调节。另一方面，由于振动膜面积小于橡胶主簧等效面积，因此电磁作动器的作用力在一定程度上被放大了，这样设计使得电磁作动器对能耗的需求大大降低，达到了节能的目的。橡胶主簧用来支撑发动机重量，主要负责被动悬置隔振。在主动悬置的里面有由线圈和永久磁铁等组成的电磁作动器，主要用来在汽车不同工况下能根据控制器的调节产生作动力。当电磁作动器遇到故障时，运动线圈可随着振动膜在液体泵吸作用下震荡，此时主动悬置随即变成被动悬置，这样当主动悬置失效时，整个主动悬置系统还有一定的隔振功能。

1 橡胶主簧；2 主液室；3 振动膜；4 流道上盖板；5 可动板；6 流道下盖板；7 惯性通道；8 从液室；9 膜片；10 底座；11 线圈；12 内磁芯；13 隔磁套筒；14 气室；15 附加膜；16 真空气管；17 隔磁座；18 外磁芯
图5 电磁式主动悬置结构

图6 主动悬置控制结构

图7 大陆汽车电子研发的主动悬置及控制芯片

三、主动悬置种类
所谓主动悬置，可以简单理解为，在悬置结构中设计作动器，通过控制作动器输出的力的大小，来抵消发动机产生的波动的力，进而保证振动不能传递给驾驶员，提高整车的NVH特性。主动悬置是为追求极致的乘坐舒适性或者操纵性能而开发的，它能够根据实时路况和驾驶工况进行随时调整。当然，其能耗和成本也最高。目前，主动悬置主要有以下几种：
(1)电磁式主动悬置将电磁作动器集成到传统的液压悬置中，这就是电磁式主动悬置。电磁作动器是最常用，也是最先出现的作动器之一，其基本原理是当电流通过导体时，其周围的电磁场会相应地产生变化，与此同时，在磁场附近的通电导体也会受到相应的吸引力或排斥力。常见的作动器有螺线管作动器和音圈作动器。

图8 两种类型的电磁作动器

图9 奥迪S8电磁式主动悬置

(2)压电式主动悬置
压电式作动器是利用压电材料的逆压电效压，通过施加外部电场，将电能转换成机械能的装置。压电作动器的突出优点是反应时间短，响应速度快，频响可达几千赫兹或更高，驱动效率高，控制精度高，可在微米级或更低，可以与压电传感器做成一体。

图10　压电式主动悬置

(3)电致伸缩式主动悬置
电致伸缩作动器与压电作动器的原理相似，所不同的是电致伸缩材料的特性是伸长的位移与施加的电压平方成正比，且电致伸缩材料几乎没有迟滞损失。2005年，吉林大学史文库教授等人在主动控制作动器的智能悬置中采用电致伸缩材料，结构如图11所示。

图11　电致伸缩式主动悬置

(4)气动式主动悬置
气动式主动悬置是通过在气室中形成气体压力，实现液压悬置的动刚度和阻尼可调，从而使悬置满足不同激励频率段的隔振降噪要求。为了衰减更宽频率范围内的振动，2003年法国Hutchinson公司Gastineau等人提出了衰减振动频率范围是10〜90Hz气动式主动悬置。图12所示是法国Hutchinson公司生产的气动式主动悬置。2008年韩国东海橡胶Choijae-Yong等人研制了气动式主动悬置，通过控制器发出控制信号，控制电磁阀的开关，由于环境气体压力与真空压力存在压力差，当磁阀开启时，气流流入空气室。

图12　Hutchinson公司的气动式主动悬置

(5)液压伺服式主动悬置

液压伺服式主动悬置主要由被动液压悬置+液压作动器组成。被动液压悬置是靠上下两个液室压力差来推动液体在惯性通道和解耦通道内流动，利用液体的节流损失和沿程损失来耗散振动能量。为了更大程度的优化上下液室的压力，可以将两个液室与外界液压泵相连，利用泵的压力驱动液体在两个腔之间流动，使作用在上液压的支反力与施加在其上的不平衡扰动力相抵消。液压作动器由一个液压缸和一个伺服阀组成。它能够在相对较小的结构尺寸下产生较大的位移和较大的作用力。

(6)形状记忆金属式主动悬置
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA)是一种有特殊功能的合金，这种合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以变回到原来的形状。形状记忆合金利用这种形状记忆效应工作，表现为随着温度变化材料的金相产生转化，从而表现为宏观的位移。

图13 形状记忆金属式主动悬置

四、主动悬置应用

混合动力和电动汽车由于其自身动力总成的原因，其振动和噪音的特点是高频化、宽频带，客观上要求动力总成悬置在一定范围内具备自动调节其自身刚度和阻尼的性能，以适应动力总成的高频化、宽频带的隔振降噪要求。但随着增程式汽车技术和混动汽车技术的发展，加上人们对于美好生活的向往，消费者对汽车的NVH要求越来越高，对主动悬置技术又提出了新的要求，从而进一步推动主动悬置技术的发展。主动悬置通过作动器直接产生动态力以抵消发动机传递到车身和由于路面不平度传递到发动机的振动力，理论上可使振动响应达到零，从而获得最佳隔振效果。
目前，半主动悬置已经在各种中高端轿车上得到广泛应用，比较典型的有宝马725、通用凯迪拉克ATS 、现代维拉克斯、本田雅阁、奔驰ML250、奥迪Q5/A4 等，其中前4种为真空控制式，后两种为电控式。而主动悬置由于成本高、对控制精度要求高等原因，一直未得到广泛应用，目前采用主动悬置的仅有奥迪S6/S8/A8、保时捷911、雷克萨斯350、英菲尼迪QX50等豪车。但随着汽车驾乘体验升级和混动汽车技术的发展，未来一定会有越来越多的车型配置主动悬置。