車用硅油扭振減振器技術(shù)綜述

賀燕萍

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

引言

自曲軸扭轉(zhuǎn)振動減振器發(fā)明以來,其技術(shù)和質(zhì)量得到不斷提升,現(xiàn)已成為汽車發(fā)動機上的必備裝置,并有效地提高了發(fā)動機的工作可靠性和使用壽命。雖然，橡膠減振器是汽車發(fā)動機曲軸上最早使用的一類扭轉(zhuǎn)減振器，它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點，但是，橡膠減振器總成的橡膠層既有彈性又有阻尼，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低；而且因阻尼較小，一般不能滿足最佳參數(shù)匹配的要求；此外，橡膠的彈性和阻尼隨溫度變化較大，故其性能不穩(wěn)定。另外，隨著汽車發(fā)展的小型化和高速化,受到橡膠低阻尼的限制及橡膠散熱差、易出現(xiàn)炭化等現(xiàn)象,橡膠減振器逐漸被具有較高黏性阻尼的硅油扭振減振器及其他結(jié)構(gòu)的減振器所替代。硅油扭振減振器由于具有阻尼大、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、性能穩(wěn)定等特點,使用范圍越來越廣。研究、開發(fā)先進(jìn)的硅油扭振減振器,使其更有效地抑制曲軸扭轉(zhuǎn)振動,是發(fā)動機設(shè)計和技術(shù)創(chuàng)新的一項重要研究課題，故本文將就國內(nèi)外對硅油扭振減振器的專利申請狀況進(jìn)行技術(shù)綜述分析，以希對上述重要研究課題貢獻(xiàn)綿薄之力。

一、車用硅油扭振減振器簡介及技術(shù)分解

（一）車用硅油扭振減振器簡介

硅油扭振減振器由殼體、慣性圓盤和起軸承作用的減磨襯套等組成。慣性圓盤裝在殼體內(nèi),可繞光滑耐磨的減磨襯套自由轉(zhuǎn)動。慣性圓盤與殼體間有一定的間隙,間隙內(nèi)充滿硅油。硅油扭振減振器的殼體固聯(lián)在曲軸前端,與曲軸系統(tǒng)一起運動。當(dāng)曲軸系統(tǒng)發(fā)生扭振時,由于慣性圓盤轉(zhuǎn)動慣量較大,它的運動總是滯后于殼體的運動,此時間隙中硅油的黏性阻尼就會消耗振動能量,從而達(dá)到減弱曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的目的。

（二）車用硅油扭振減振器技術(shù)分解

本小節(jié)的技術(shù)分解是對于所分析的硅油扭振減振器該技術(shù)領(lǐng)域做進(jìn)一步的細(xì)化和分類，對于行業(yè)狀況、檢索專利信息以及檢索結(jié)果處理都具有非常重要的意義，有助于了解行業(yè)整體情況以及選取研究重點。在對檢索得到的樣本進(jìn)行分析提煉的基礎(chǔ)上，對硅油扭振減振器該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)分解，一級分支分為單級減振與復(fù)合減振。

硅油扭振減振器由于具有阻尼大、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、性能穩(wěn)定等特點,使用范圍越來越廣，因此，硅油扭振減振器取代傳統(tǒng)橡膠減振器作為單級減振器也得到了廣泛使用，其中，硅油扭振減振器的組成部件的具體結(jié)構(gòu)性能，如慣性環(huán)、殼體的結(jié)構(gòu)尺寸、硅油或其他阻尼液的使用等皆會直接或間接影響減振器的慣量、扭轉(zhuǎn)剛度及阻尼，從而對減振效果產(chǎn)生影響，因此，自硅油扭振減振器問世以來，國內(nèi)外申請人分別就其組成部件進(jìn)行改進(jìn)并申請專利。因此，在單級減振該一級分支的基礎(chǔ)上，二級分支主要從其組成部件進(jìn)行分類，具體分為：慣性環(huán)、殼體、硅油以及其他。

此外，隨著對車用減振器的研究和發(fā)展，也有申請人結(jié)合硅油扭振減振器與其他類型減振器的特點，進(jìn)行優(yōu)勢互補，設(shè)計出硅油復(fù)合減振器進(jìn)行復(fù)合減振，例如硅油-橡膠復(fù)合減振器、硅油-離心力擺復(fù)合減振器等。鑒于復(fù)合減振該一級分支的減振器類型紛雜，故在該一級分支下不另設(shè)二級分支進(jìn)行分析。

二、車用硅油扭振減振器總體申請狀況

（一）逐年申請量分析

根據(jù)專利申請年份對全球申請量進(jìn)行的趨勢分析統(tǒng)計，主要分為兩個時期。

1.第一時期（1911-1994 年）

第一時期從英國工程師Frederick W.Lanchester 于1911 年就硅油扭振減振器申請第一份專利開始，之后硅油扭振減振器的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷萌芽期（1911-1940 年）、穩(wěn)定發(fā)展期（1941-1958 年）、快速發(fā)展期（1959-1990 年）以及成熟期（1991-1994 年）之后已發(fā)展成熟，申請量也相應(yīng)達(dá)到最大。在此期間，人們就硅油扭振減振器的各個組成部件進(jìn)行了深入研究改進(jìn)，并且結(jié)合計算控制手段對其振動性能進(jìn)行了相應(yīng)模擬實驗和試驗研究，具體地可參見下述對各個技術(shù)分支的申請狀況分析。

2.第二時期（1995 年之后）

在上述第一時期期間，國內(nèi)并沒有關(guān)于硅油扭振減振器的進(jìn)行過專利申請，直到20 世紀(jì)80 年代，因為引進(jìn)國外康明斯等企業(yè)的硅油扭振減振器的需要，國內(nèi)才開始進(jìn)行硅油扭振減振器的研究，并陸續(xù)開始申請專利，也是在該時期，德國HASSE &WREDE 公司以及日本豐田等公司開始在中國提交PCT 申請進(jìn)行專利布局，此外，隨著新型阻尼液材料如磁流變液、電流變液等在減振器領(lǐng)域的應(yīng)用以及自動化手段的進(jìn)度，人們開始采用磁流變液或電流變液取代硅油或摻雜硅油并結(jié)合測試控制手段在傳統(tǒng)硅油扭振減振器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，因此，在經(jīng)歷短暫的申請量回落之后，硅油扭振減振器的申請量在1995 年之后又開始進(jìn)入一個新的發(fā)展時期。

（二）申請國別分析

自硅油扭振減振器問世以來，因其優(yōu)良的減振性能而受到各個汽車相關(guān)企業(yè)的青睞。日本汽車工業(yè)發(fā)展比較早而且百花齊放，一直處于較為領(lǐng)先的水平，其對于減振器的研究成果也比較多，在國際上其專利申請量占比為38%，位列第一；至于國內(nèi)申請，其占比位列第二，主要是因為在硅油扭振減振器發(fā)展的第二時期的集中爆發(fā)式申請的緣故，而且申請類型以實用新型居多；此外，汽車行業(yè)發(fā)展比較繁榮的德國，其申請量占比為14%，位列第三；緊隨其后的為美國和英國，申請量占比分別為9%和7%。

（三）申請人分析

硅油扭振減振器全球?qū)＠琶笆闹匾暾埲朔謩e為：三菱MITSUBISHI、HASSE &WREDE、HOUDAILLE、TOYOTA、寧波賽德森減振系統(tǒng)有限公司、HOLSET、CATERPILLAR、江蘇宏豐奧凱機電有限公司、現(xiàn)代HYUNDAI、NOK 株式會社。

三、車用硅油扭振減振器技術(shù)分支申請狀況

（一）一級分支專利申請概述

一級分支專利申請量對比可知，關(guān)于硅油扭振減振器的研究重點還是集中在單級減振改進(jìn)上，其申請量是復(fù)合減震的八倍以上，而由于各種類型減振器的結(jié)構(gòu)上的差異，要將其他類型的減振器與硅油減振進(jìn)行復(fù)合減振獲得良好減振性能，需要克服的技術(shù)障礙比較多，因此，關(guān)于復(fù)合減振的研究不夠深入，其中最常見的還是前述硅油-橡膠復(fù)合減振器。因此，下述章節(jié)將重點對單級減振下屬各二級分支的申請情況進(jìn)行分析。

（二）二級分支專利申請概述

各二級技術(shù)分支申請量對比結(jié)果可知，雖然，針對硅油扭振減振器的各個組成部件皆有專利申請，但是側(cè)重點還是在其慣性環(huán)的改進(jìn)方面，其專利申請量占比達(dá)到了63%。因為硅油扭振減振器的減振基礎(chǔ)即是其慣性環(huán)和殼體的相對運動，作為核心部件，慣性環(huán)的外徑、內(nèi)徑、寬度等各種因素的變化皆直接或間接影響減振器的減振性能。其次，殼體的申請量高達(dá)31%，位居第二。

1.慣性環(huán)二級分支

最早由英國工程師Frederick W.Lanchester 于1911 年就硅油扭振減振器申請專利之后，研究者們相繼開始就硅油扭振減振器的慣性環(huán)的改進(jìn)設(shè)計，由此，從1911 年起，一直到1989 年，專利申請一直呈上升趨勢，至1989年達(dá)到頂峰；在此期間，就慣性環(huán)的結(jié)構(gòu)、外形等進(jìn)行了全面改進(jìn)并相應(yīng)進(jìn)行了專利申請，導(dǎo)致1990 年起很長一段時間內(nèi)，關(guān)于慣性環(huán)的技術(shù)研發(fā)遇到瓶頸期，專利申請量也相應(yīng)減少；之后，隨著國內(nèi)引進(jìn)康明斯等國外企業(yè)產(chǎn)品的需要，20 世紀(jì)80 年代開始，國內(nèi)企業(yè)院校陸續(xù)開始對硅油扭振減振器進(jìn)行投入研究，并相應(yīng)申請發(fā)明專利和實用新型，其中以實用新型申請居多。

2.殼體二級分支

雖然，已于1911 年進(jìn)行硅油扭振減振器的相關(guān)申請，但是于1947 年才開始致力于殼體上的改進(jìn)，進(jìn)一步地，在硅油扭振減振器工作過程中，是依靠硅油阻尼把振動能量轉(zhuǎn)化為熱能的，在此過程中，為保證減振器的正常工作，硅油溫度不能過高，設(shè)計時應(yīng)考慮減振器的散熱能力，在此基礎(chǔ)上，Brush Electrical Machines 公司首先于1948 對殼體進(jìn)行改進(jìn)并申請專利，在其專利中，通過在殼體上設(shè)置各種形狀的散熱片以幫助將傳導(dǎo)到殼體上的熱量通過空氣對流散發(fā)出去；在之后的很長一段時間內(nèi)，關(guān)于殼體的專利申請數(shù)量都僅維持在個位數(shù)，而且基本上也都是關(guān)于殼體散熱片的改進(jìn)；直到2000 年以后，國內(nèi)企業(yè)開始進(jìn)行專利申請，關(guān)于殼體的申請量才于2009 年開始突破兩位數(shù)，但是，同慣性環(huán)的專利申請情況一樣，也是以實用新型居多，而且改進(jìn)點還是局限在殼體散熱功能。

3.硅油二級分支

硅油作為硅油扭振減振器的減振阻尼介質(zhì)，人們對它的力學(xué)特性的認(rèn)識和理解依然很粗略，據(jù)此，針對硅油改進(jìn)的專利申請量很小，而研究硅油的力學(xué)性能，關(guān)鍵是確定流變參數(shù)和建立本構(gòu)方程，因此，關(guān)于硅油的研究還都是集中在理論研究層面。1970 年，HOLSET 公司通過在硅油中添加1-4wt%的β-SiC 纖維對硅油力學(xué)性能進(jìn)行改進(jìn)，能夠抵抗殼體和慣性環(huán)相對運動產(chǎn)生的剪切和彈性力；之后，隨著一些新興材料在減振器領(lǐng)域的運用，人們開始嘗試采用磁流變液取代來改善硅油扭振減振器的減振性能，采用磁流變液取代硅油的專利申請，首先由FACET ENTERPRISES 公司于1977 年提出；之后每年一件的專利申請也是致力于磁流變液作為硅油扭振減振器阻尼液方面的改進(jìn)；至1998 年，日本NOK 株式會社提出了兩篇專利申請，其中一篇轉(zhuǎn)換思維，采用磁流變液摻雜到硅油中，并配合設(shè)置在殼體腔室內(nèi)的磁體來改善硅油扭振減振器的減振性能；進(jìn)一步隨著電流變液在減振器上的應(yīng)用，由天津大學(xué)于2014 年提出一篇采用電流變液取代硅油作為阻尼液，并相應(yīng)配合設(shè)置在慣性環(huán)上的導(dǎo)電線圈實現(xiàn)硅油扭振減振器減振性能的改善。

4.其他二級分支

“其他二級分支”在本文中自定義為除慣性環(huán)、殼體和硅油之外的與硅油扭振減振器其他方面相關(guān)的專利申請，主要涉及的是計算、測試、監(jiān)控等控制方面的專利。19 世紀(jì)末到20 世紀(jì)初，隨著各種斷軸事故的分析報告及有關(guān)文章逐漸出現(xiàn)，對于軸系扭轉(zhuǎn)震動的研究也逐漸深入。在1916 年德國蓋格爾發(fā)表了機械式蓋格爾振動儀測量軸系扭轉(zhuǎn)振動的文章后，扭轉(zhuǎn)振動的研究開始了實驗和試驗階段，在此基礎(chǔ)上，人們也開始就自己的研究成果進(jìn)行專利申請，并于1934 年由申請人PARCIVAL THEGE EDVIN OSSIAN 提出了一份涉及計算模型的專利申請，到20 世紀(jì)50 年代末，扭轉(zhuǎn)振動的研究逐漸成熟，三菱公司于1986 年提出三份專利申請，在其專利申請中，皆是通過設(shè)計計算模型確定慣性環(huán)和殼體之間間隙的經(jīng)驗公式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出小尺寸輕質(zhì)硅油扭振減振器；之后，人們的研究方向開始由計算模型的研究方向轉(zhuǎn)向硅油扭振減振器的測試和監(jiān)測方面，德國HASSE&WREDE 公司于2008 年提出專利申請，通過在慣性環(huán)上設(shè)置溫度傳感器以對硅油扭振減振器進(jìn)行實時測試和控制。