汽车橡胶减震技术应用

橡胶减振件在汽车中的应用

汽车中的减振产品

* 悬置

* 副车架衬套

* 衬套

* 液压衬套液压衬套

* 曲轴扭转减振器

* 排气管吊耳

* 动力吸振器动力吸振器

* 支柱上支撑

一、动力总成悬置系统

（一）、功能

1、降低动力总成振动向车身的传递

2、衰减由于路面激励引起的动力总成振动衰减由于路面激励引起的动力总成振动

3、控制动力总成位移和转角

（二）、设计目标

1、系统的最高阶固有振动频率应小于发动机工作中的最小激振频率的动机工作中的最小激振频率的00.717717倍倍

2、系统的最低阶固有振动频率应大于发动机怠速动机怠速00.55阶激振频率阶激振频率

3、尽可能多的实现各自由度间的解耦

4、系统在系统共振频带内应有较大的阻尼值

5、动力总成在诸如汽车起步、制动、转向的特殊工况下位移值不能超过允许取值

（三）、前驱横置动力总成悬置系统常见布局形式

* 三点支承加扭转支撑杆

1、优点：悬置布置方便，便于安装

2、缺点：跳动与发动机扭矩有关跳动与发动机扭矩有关，纵摇与跳动相关纵摇与跳动相关，悬置载荷变化较大悬置载荷变化较大，对副车架的共振和冲击振动敏感

* 低扭矩轴系统

1、优点：悬置布置方便，便于安装，跳动与纵摇及扭矩分离良好

2、缺点缺点：纵摇模态和发动机转动较难平衡纵摇模态和发动机转动较难平衡，对副车架共振和冲击振动敏感对副车架共振和冲击振动敏感

* 平衡扭矩轴系统

1、优点：跳动和纵摇几扭矩解耦性良好

2、缺点缺点：：纵横模态和发动机转动之间调整较难纵横模态和发动机转动之间调整较难，悬置布置及连接较难悬置布置及连接较难

* 纯扭矩轴系统纯扭矩轴系统

1、优点：跳动和纵摇及扭矩完全解耦

2、缺点：：悬置布置连接困难悬置布置连接困难，特别对于手动变速箱特别对于手动变速箱（四）、动力总成悬置结构特点

* 长方形液压悬置

1、自动防故障装置的设计；

2、在垂直方向上刚度可调性较好在垂直方向上刚度可调性较好

3、静态刚度较低（前后方向，垂直方向）；

4、侧向刚度较高（（右图a的悬置侧向静态态刚度低））；

5、在垂直方向上有良好的隔振性能；

* 轴对称液压悬置轴对称液压悬置

1、自动防故障装置的设计；

2、在垂直和径向上刚度可调性较好在垂直和径向上刚度可调性较好；

3、静态刚度较低；

4、侧向刚度较高；

5、在垂直方向上有良好的隔振性能；

* Trucuck-Tuuff”液压悬置

1、自动防故障装置的设计

2、没有载荷通过卷轴

3、限位行程更长；

4、为了调节刚度，可以很容易调整悬置的安装角度

* 衬套型液压悬置

1、自动防故障装置的设计

2、在垂直方向上刚度可调性较好；

3、静态刚度较低；

4、在垂直方向上有良好的隔振性能；

5、动静态性能（同液压拉杆类似液压拉杆衬套）。

* 液压衬套拉杆

1、自动防故障装置的设计；

2、在垂直方向上刚度可调性较好在垂直方向上刚度可调性较好；；

3、静态刚度较低，其他方向刚度很小；

4、在垂直方向上有良好的隔振性能；

半主动悬置

* 半主动悬置

1、改变液体流向2单双流道开关机理

3、静刚度可变型半主动悬置

4、磁流变半主动悬置

半主动悬置半主动悬置-单双流道开关机理

-

半主动悬置-空气弹簧原理

在怠速工况，螺线圈开，空气允许通大气，振动膜变软，刚度减小；在行驶工况，，螺线圈关，在振动膜下面形成空气弹簧，，振动膜变硬，阻尼加大。

半主动式悬置-静刚度可变型半主动悬置

半主动式悬置-磁流变半主动悬置* 特点

1、对被动式液阻悬置的惯性通道进行改进设计，加电极，在高压的作用下，液惯性通道中液体的粘度可以在瞬间发生变化。从无阻尼到有阻尼可以在1ms 内完成。

2、性能不是很稳定，长时间使用以后，油液沉淀。。

二、底盘衬套

（一）、副车架衬套、车身衬套（悬置）

* 功能

1、安装于副车架和车身之间，起二级隔振作用，典型应用于横置动力总成布置；

2、撑悬架和动力总成载荷支撑悬架和动力总成载荷，隔离来自副车架的振动和噪声隔离来自副车架的振动和噪声；

3、辅助功能：承受动力总成扭矩，动力总成静态支撑，承受转向、悬架载荷，隔离发动机机和路面激励

* 设计原则

1、隔离频率或者动态刚度，阻尼系数

2、静态载荷及范围静态载荷及范围，极限变形要求极限变形要求

3、态载荷（常规使用）、最大动态载荷（严重工况）

4、碰撞要求，约束和加载，空间约束，希望和要求的装配要求；

5、悬置方法（包括螺栓尺寸、类型，方向和防旋转要求等）

6、悬置位置（高导纳区域，不敏感）；

7、耐腐蚀要求，温度使用范围，其它化学要求等；

8、疲劳寿命要求，已知重要特性要求（尺寸和功能）；

9、价格目标

* 装配

1、上面为承载型衬垫

2、下面为RRebboundd衬垫衬垫

3、上金属隔板:

* 支撑承载型衬垫膨胀* 控制装配高度

4、整车载荷和悬置刚度控制车身负载高度整车载荷和悬置刚度控制车身负载高度

5、下衬垫控制车身Rebound位移；

6、下衬垫总是受压

（二）、副车架衬套、车身衬套（悬置）

（三）、悬架衬套

* 用途

1、用于悬架系统，提供扭转和倾斜的柔性，并用于轴向和径向的位移控制；

2、低的轴向刚度具有良好的隔振性能，而软的径向刚度具有更好的稳定性；* 结构类型结构类型：：机械粘接式衬套

–应用：板簧，减震器衬套，稳定杆拉杆；

–优点：便宜，不必关注粘接强度问题；

–缺点：轴向容易脱出，且刚度难调。

* 结构类型结构类型：：单边粘接式衬套

–应用：减震器衬套，悬架拉杆和控制臂

–优点：相对于普通双边粘接式衬套便宜，衬套总是会旋转到中性位置

–缺点：轴向容易脱出，为了保证压出力，须飞边设计

* 结构类型结构类型：：双边粘接式衬套

–应用：减震器衬套，悬架拉杆和控制臂

–优点：相对于单边粘接和机械粘接疲劳性能更好，且刚度更易于调节；–缺点：但价格也比单边粘接和双边粘接更加昂贵。

* 结构类型：：双边粘接式衬套——阻尼孔式

–应用：控制臂，纵臂衬套

–优点：刚度很容易调节

–缺点：阻尼孔在扭转力（> +/- 15 deg ）的作用下存在潜在的失效模式；需要定位特征供压力装配，增加费用

* 结构类型：：双边粘接式衬套——球形内管

–应用：控制臂；

–优点：锥摆刚度低锥摆刚度低而径向刚度大径向刚度大；

–缺点：相对于普通双边粘接式衬套昂贵

* 结构类型：双边粘接式衬套——带刚度调节板

–应用：控制臂；

–优点优点：可以将径、轴向刚度比从5-10:1提高到15-20:1，使用较低的橡胶硬度即可达到径向刚度要求，且扭转刚度也可得到控制；

–缺点：相对于普通双边粘接式衬套昂贵，且在缩径时，内管与刚度调节板之间的拉应力无法得到释放，致使疲劳强度存在问题。

（四）、稳定杆衬套

* 稳定杆：：

1、稳定杆作为悬架的一部分，当汽车急剧转弯时，提供扭转刚度以避免汽车过量横摆量横摆；；

2、稳定杆的两端通过稳定杆拉杆与悬架（如控制臂）相连；

3、同时中间部分使用橡胶衬套套与车架车架相连

* 稳定杆衬套的功能

1、稳定杆衬套作为轴承的功能将稳定杆拉杆与车架相连；

2、为稳定杆拉杆提供额外的扭转刚度；

3、同时防止在轴向上发生位移；

4、低温时须避免异响产生。

（五）、差速器衬套

* 功能–四驱发动机，差速器一般通过衬套与车身相连，用于减少扭转振动；；

* 系统目标

1、20~1000Hz的隔振率

2、刚体模态(Roll, Bounce, Pitch)

3、控制由于温度变化引起的刚度波动

（六）液压衬套

* 结构原理：

1、在液压阻尼方向上两个充满液体的液腔有一条相对长、窄的通道（称为惯性通道）相连；

2、在液压方向上的激励作用下，液体发生共振并伴随着体积刚度的放大，产生较高的阻尼峰值。

设计原则

* 稳定和安全性

1、动静态载荷

2、转向精度，侧向柔性转向和Toe Correction ，径向柔性转向精度，

3、路面的撞击激励，碰撞和滥用工况

* 驾驶舒适性

1、振动阻尼

2、动力总成和路面引起的噪声

* 空间和装配

1、空间约束，重量优化

2、易于装配，拆卸和回收

* 典型应用：

1、控制臂衬套径向阻尼方向；

2、拉杆轴向阻拉杆轴向阻尼方向方向；；

3、控制臂径向阻尼方向但垂直安装；

4、副车架衬套径向方向阻尼但垂直安装副车架衬套径向方向阻尼但垂直安装

5、扭力梁径向阻尼方向倾斜安装；

6支柱上支撑，轴向阻尼方向垂直安装

7、衰减由前轮刹车不平衡力导致的Judder激励

8、衰减副车架的径向和侧向振动模态，阻尼方向为径向方向。

9、后扭力梁液压衬套，用于抑制当车辆行驶在粗糙路面上的激励，同时保证toe correction.

10、液压支柱上支撑，用于控制车轮的10~17Hz的Hop模态，其动态特性的作用独立于筒氏减震器。

三、扭转减振器((Torsional Vibration Dampper))

（一）曲轴系统与减振器功能

1、曲轴承受由于气缸压力和往复惯性力产生的弯曲和扭转振动；

2、TVD 减少曲轴扭转振动以保持曲轴动应力在可接受范围而不至于破坏；

3、TVD传递曲轴输出扭矩、减小扭矩波动；

4、TVD提高整车的NVH性能；

（二）曲轴振动源

1、气缸压力产生的激励

2、惯性质量如活塞、连杆与曲柄产生的惯性力

3、运动部件重力引起的激励

（三）工作原理

–曲轴系统简化成2自由度系统，，MM ,, MM ,, KK 和和KK 分别为曲轴与减振器的等效

质量和等效刚度

（四）设计原则

1、通过过调整系统的转动惯量、扭转刚度及其其分布布而调整曲轴系统的固有有频率；

2、装配扭转减振器吸收曲轴前端的扭转振动；

3、扭转减振器提供大量的阻尼，损耗能量；

4、扭转减振器利用其动态效应，使共振扭矩峰值偏移，并改变曲轴系统的固有频率；

5、通常，配置减振器对减小曲轴系统振动最为有效、经济。

（五）TVD类别

1、单扭转模态TVD

* 减少曲轴扭转振动

2、双扭转模态TVD

* 减少曲轴扭转振动

* 平滑皮带轮运动

3、双模态（扭转+弯曲）TVD

* 减少弯曲振动及悬置、车内振动；

* 减少扭转振动；

4、硅油与硅油橡胶型减振器TVD

* 硅油减振器则是大功率硅油减振器则是大功率、高转速车用发动机最常用的高转速车用发动机最常用的一种减振装置种减振装置。

* 通过硅油增大减振器阻尼，吸收一部分振动能量使之转变成热气耗出去，进一步降低发动机的扭振振幅和噪声步。

四、排气管吊耳

（一）排气系统的振动源

1、发动机的扭矩激励

2、发动机气流冲击

3、声波激励

4、路面激励

（二）排气管吊耳的作用

1、悬挂排气系统于车身

2、隔振隔振

3、位移控制

（三）排气管吊耳系统及零件设计原则

1、阶垂直弯曲和横向弯曲模态应该与发动机的激励频率解耦，并与车身的固有频率解耦固有频率解耦；；

2、尽量采用比较直的排气系统以减少模态密度；

3、F/A模态要解耦并且无纵向预紧模态要解耦并且无纵向预紧；；

4、排气管吊耳须布置在排气管的模态节点；

5、排气管吊耳须布置在车身硬点排气管吊耳须布置在车身硬点；

6、吊钩需要足够硬以避免与连接结构共振；

7、应选择更多吊耳点，使解耦更好，并须有更好的阻尼

（四）设计要求

1、小尺寸；

2、高可靠性；

3、刚度可调性好；

4、垂直和横向没有相关性；

5、容易装配；

6、耐久性好；

7、耐高温

8、良好的隔振性能

（五）结构特点

1、上轴销孔与车身侧支架相连；–下轴销孔与排气管侧吊钩相连；

2、冲击工况时，上下限位块起着可以限制排气系统的位移，提高疲劳；

3、弹性支撑橡胶主要起减振作用；

4、金属骨架可以限制位移；

* 设计原则

–鉴于吊耳一般工作在较高的温度环境，须选择耐高温和耐环境性能良好的材料，如EPDM 和VQM；

–从耐久性能考虑，须考虑材料的强度、预载和位移要求，以选择合适的耐高温或强度更好的材料、是否设置限位、零件的静刚度和是否设置骨架等；

–基于NVH要求，希望零件的动刚度足够低，并且在较宽的频率范围（1- 400Hz）内无共振现象发生；

五、动力吸振器

* 用途

1、经常被用于由共振导致的噪声或振动问题，这些问题一般通过单纯的隔振策略无法解决略无法解决；；

2、作为二阶系统进行减振降噪；

3、在车上的一般应用包括，在变速箱上添加动力吸振器抑制动力总成的弯曲模态；在方向盘上设置动力吸振器抑制转向管柱的模态；在后差速器、排气管、车身、传动轴等。

* 设计原则

1、按照温度要求选择适当的材料，如排气管需要考虑高温要求，VQM用的较多；

2、基于空间要求须对体积进行控制基于空间要求须对体积进行控制，须选择密度大的材料作为质量块的材料须选择密度大的材料作为质量块的材料。如方向盘由于安装安全气囊且要求的动力吸振器的质量又较大，须使用铅等重金属才能满足要求属才能满足要求；

3、被作用系统对动力吸振器的固有频率非常敏感，但橡胶的实际性能又很难控制，因此控制橡胶的稳定性是设计和制造的重点因素因此控制橡胶的稳定性是设计和制造的重点因素；

4、同时须考虑动力吸振器支架对固有频率的影响。

六、支柱橡胶支撑((Upppper Strut Mount))

* 功能

–连接车身和悬架，减少振动和噪声传递；

–USM 的柔性允许支柱角度随着的柔性允许支柱角度随着下球铰的位移球铰的位移而发生变化发生变化；

–承受车身反力，传递弹簧和车身载荷；

–在USM里边加入轴承，具有上旋转点并形成转向轴，当前轮Strut mount转向时，整个支柱将以下轴承和USM的轴线旋转。

–单通道-- 支柱和弹簧力由相同的橡胶截面隔离，较长的线性段可以提高NVH性能，同时设置限位块提高疲劳性能

–双通道——支柱和弹簧力由不同的橡胶截面隔离

双通道——车身弹簧和筒氏减震器的力通过两个通道传递到车身. 内部：获得良好的减振降噪功能，并提高车身的Roll性能，高刚度可以提供横向位移控制功能；外部：：弹簧力通过外部通道直接到车身，，一般刚度较高。

–双通道双隔振——支柱和弹簧力由不同的橡胶截面隔离，，每个截面都有两层隔振。这种设计提供更好的隔振，但是比双通道更加复杂并且价格昂贵。

–集成式USM——支柱与外部的部件直接卡紧。刚度非常容易调整，并且耐久并性也非常好。但价格昂贵，且性能稳定性不是很好。

七、汽车减振应用中的橡胶种类及特点

* 1、天然橡胶NR

–优点：回弹性非常好、强度高、撕裂和抗磨损性能好、用于Snap时弹性好、且低温柔性较好低温柔性较好，与织物或者金属的粘接性能好与织物或者金属的粘接性能好

–缺点：抗热、抗臭氧和太阳光照射等性能较差，同时对油、汽油和溶剂的抵抗性不足。–应用：通常用于悬置、衬套和轮胎。

2、丁苯橡胶SBR

–良好的回弹性，卓越的碰撞强度，良好的拉伸和磨损性能；

–但是抗臭氧和阳光直射性能较差，且耐油、汽油和溶剂性能也较差；

–价格低，用于一般的批量较大的聚合物。

3、丁基合成橡胶IIR

–优点：与气体和蒸汽互不渗透性能好，高能量吸收（高阻尼），良好的抗臭氧和太阳光辐射和太阳光辐射，相当好的抗热和抗氧化特性相当好的抗热和抗氧化特性，良好的抗水和蒸汽良好的抗水和蒸汽

–缺点：但压缩永久变形大，弹性差，且对油、汽油和溶剂的抵抗性差

–应用：用于车身用于车身、驾驶室驾驶室、副车架衬套副车架衬套、防撞块等防撞块等4、三元乙丙橡胶三EPDM

–EPDM是另一种优良的橡胶减振材料，广泛应用于各种减振产品中。它具有较好的耐氧化好的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力抗臭氧和抗侵蚀的能力。EPDMEPDM对各种恶劣气候的适应能力较强对各种恶劣气候的适应能力较强，其物理性能稳定，且成本较低。EPDM的另一个优势是易于硫化，因此与金属黏合时附着性好属黏合时附着性好。EPDM的缺点是耐高温性能不如的缺点是耐高温性能不如VQM ，可承受的最高工作温度为150℃。

5、氯丁橡胶CR

–优点：耐火性能好，具有一定的抗油和抗汽油特性，与金属粘接性能好，耐候性、耐臭氧和耐老化性能好耐臭氧和耐老化性能好；；

–缺点：低温柔性一般；

–应用：软管护套套，悬置等等。

6、硅橡胶VQM

–VQM具有硅-氧链状结构，其键能是443.5KJ/MOL，比一般碳-碳键能（355KJ/MOL)355KJ/MOL)高得多高得多，因此因此VQMVQM具有极好的耐高具有极好的耐高、低温特性低温特性，其工作温度区间其工作温度区间可在-60℃～300℃之间。VQM还具有较好的耐臭氧特性和生物惰性，使零件不易因氧化失效易因氧化失效，且使用过程中不释放对人体有害的物质且使用过程中不释放对人体有害的物质。但机械强度相对较差但机械强度相对较差。因此一般可用于排气系统的热端、部分承受高温的动力吸振器，甚至最新报道的被用于液压悬置的主簧道的被用于液压悬置的主簧。

八、汽车橡胶减振相关的检测手段

* 动态性能测试

1、MTS813道路载荷实验室在线模拟

2、双轴向加载轴向加载

3、700Hz

4、MTS813动态实验测试

5、单轴向加载

6、200，400，700，1000Hz

* 通用材料测试机器

1、计算机控制

2、单轴向加载单轴向加载

3、准静态

* 道路载荷模拟实验道路载荷模拟实验

1、道路载荷数据采集

2、道路载荷实验室在线模拟道路载荷实验室在线模拟

3、三轴向加载

4、温度控制

5、50Hz

* 多轴道路载荷模拟多轴道路载荷模拟

1、道路载荷数据采集

2、道路载荷实验室在线模拟道路载荷实验室在线模拟

3、三轴向加载

4、温度控制

5、50Hz

* 耐久试验

1、单轴

2、双轴轴（（平动平动+平动或平动平动或平动+转动转动））

3、道路实验模拟

4、温度控制

* 消声室和转鼓

1、车内噪声测量

2、振动测量振动测量

3、传递路径测量

* 模态测试和& 2 Postost Rigg

1、模态测试

2、传递路径分析传递路径分析

* 液压伺服动态仪

1、频率: 100Hz, 200Hz，400Hz, 1000Hz及以上

2、测量减振器的动、静态特性静态特性

** 盐雾实验盐雾实验

* 臭氧实验

* 耐高温测试耐高温测试

九、汽车橡胶减振相关的分析手段

（一）、橡胶材料动静态参数测试及拟合

* 材料应力应变测试

* 材料应力应变测试结果及拟合

（二）、橡胶静刚度分析

* 力--位移分析

1、橡胶的静态特性的预测需要进行材料的超弹性基本实验，目前认为比较有代表性的实验组合为单轴拉伸、双等轴拉伸、平面拉伸（纯剪切））实验，至少用使用包含单轴拉伸的两种以上实验才能获得比较精确的预测结果；

2、由于Muillin效应的存在，橡胶材料出现应力软化现象，在Mullin效应的作用下，橡胶悬置的初始循环的刚度较稳定状态的刚度高5~10%左右，Mullin效应的影响不可忽略；；

3、须根据实际应变选择材料实验应变水平。

4、在汽车的减振应用中可认为橡胶是为不可压缩材料，体积变形的影响体几乎可忽略（三）橡胶动刚度分析

* 实验参数获取（（多选一））

1、简单剪切实验（频域）

2、应力松弛实验（时域））

3、应力松弛实验

* 动态计算

–计算橡胶减振器随频率和振幅变化的动态特性

（四）橡胶流固耦合分析

–预测橡胶-液阻减震器的随频率变化的动态刚度和阻尼角态刚度和阻尼角

（五）系统级分析

*悬置系统分析

1、模态解耦优化

2、悬置系统位移控制悬置系统位移控制

3、频响分析

4、悬置系统稳定性设计

* 系统敏感性分析

* 混合建模技术（（测试和分析、）