汽車橡膠材料減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

崔茗涵

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

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的進(jìn)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(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)總成、底盤傳動(dòng)系統(tǒng)以及懸掛系統(tǒng)中。其主要原理是借助于阻尼運(yùn)動(dòng)理念，衰減震動(dòng)動(dòng)能。橡膠減震裝置，因其成本低、性能好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)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(fù)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(jī)構(gòu)的不利震動(dòng)，因此在汽車上獲得廣泛應(yīng)用。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)振動(dòng)源對周邊部件的損傷[2]。因此，橡膠減震裝置廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的結(jié)構(gòu)中。

發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，即承受外部的壓縮力，同時(shí)也承受剪切應(yīng)力[3]。三點(diǎn)支撐發(fā)動(dòng)機(jī)，采用前端兩點(diǎn)、后端一點(diǎn)的支撐形式。發(fā)動(dòng)機(jī)前端兩點(diǎn)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(gè)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(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)減震設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)盡量保證高頻時(shí)動(dòng)剛度低以及低頻時(shí)阻尼系數(shù)高[5]。圖1所示為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的前懸置橡膠減震部件，圖2所示為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)力為主，在衰減發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)的同時(shí)，也消除傳動(dòng)軸震動(dòng)對車身的影響。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置減震部件

目前汽車設(shè)計(jì)向輕型化、經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，采用小型、大功率發(fā)動(dòng)機(jī)和輕量化的汽車材料使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)增大，車體剛度減少，從而導(dǎo)致車內(nèi)振動(dòng)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(dòng)機(jī)選址高頻時(shí)低的動(dòng)剛度，低頻時(shí)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。現(xiàn)在這一技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可以通過不斷地改進(jìn)，廣泛應(yīng)用。

最早時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)區(qū)受到外力的作用時(shí)，會產(chǎn)生受壓變形，將壓力傳導(dǎo)至液體，因此在低頻時(shí)，具有較好的減震效果。不過，如果外界所施加的震動(dòng)頻率，超過液體的固有頻率，那么此時(shí)的液壓懸置動(dòng)剛度就會增大，不能夠滿足需求。這時(shí)，就需要對液壓懸置進(jìn)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(shè)低頻通道的同時(shí)，增加解偶膜。在不同的工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)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(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)：振動(dòng)頻率在20Hz～40Hz，振幅在±0.1mm左右。

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生噪聲時(shí)：振動(dòng)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(dòng)頻率，就可以增加可動(dòng)板的移動(dòng)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(dāng)外界施加的頻率超過50Hz時(shí)，可以在主體上，通過增加翼板的方式，讓液壓可動(dòng)板結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限后，跟隨主體震動(dòng)，攪拌液室中的液體，降低動(dòng)剛度，減少噪聲，有效防震。

1.3 可轉(zhuǎn)換裝置與主動(dòng)裝置的最新設(shè)計(jì)

為了提高舒適度，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)懸置設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)了一種可轉(zhuǎn)換裝置，主要是通過相應(yīng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)剛度與阻尼系數(shù)的有效轉(zhuǎn)換。一種有效的設(shè)計(jì)是，在傳統(tǒng)液壓懸置的主體和主液室之間增加附加膜，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，附加膜會降低主體間的動(dòng)剛度。當(dāng)真空泵吸出空氣時(shí)，附加膜又會和主體通過連接，形成一個(gè)傳統(tǒng)液壓懸置，實(shí)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(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，有效控制阻尼系數(shù)和動(dòng)剛度。將通道壁設(shè)計(jì)成電極裝置，利用高電壓增加通道內(nèi)黏度，實(shí)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(dòng)裝置中，所使用的液體一般為導(dǎo)電硅油樹脂、硅酸鹽懸浮液等。

2 汽車底盤橡膠減震部件設(shè)計(jì)

2.1 減震橡膠支架設(shè)計(jì)

減震橡膠支架可用于麥克弗遜式的獨(dú)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(dòng)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(dòng)消減，從而防止震動(dòng)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(shè)計(jì)

緩沖塊主要是用于汽車的前后懸掛系統(tǒng)，當(dāng)汽車行駛時(shí)，車身是防震對象，而底盤是振動(dòng)源，緩沖塊就是為了緩和振動(dòng)源和防震對象之間的沖擊。橡膠具有較強(qiáng)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(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)的實(shí)證研究，要注意兩點(diǎn)，第一是要將最大體積壓縮量控制在30%以內(nèi)，第二是應(yīng)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(dòng)/緩沖塊壓縮狀態(tài)

2.3 橡膠襯套設(shè)計(jì)

橡膠襯套是一種較為有效的可以減緩震動(dòng)的汽車連接元件，其可以應(yīng)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(shè)計(jì)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(diǎn)是材料完全由橡膠材料組成，這種襯套的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝簡單，因此其成本低，價(jià)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(dòng)，為了提高受力面積，減少銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)對襯套的磨損，在原有純橡膠襯套基礎(chǔ)上，內(nèi)置一個(gè)金屬套管，工作時(shí)，金屬套管與軸銷相連接，如圖8所示。其強(qiáng)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(shí)延長了襯套的使用壽命。

圖8 內(nèi)金屬套橡膠襯套

當(dāng)使用受力更大、更易磨損的減震懸掛裝置時(shí)，在原有內(nèi)置金屬套管的基礎(chǔ)上，在橡膠的外部又包裹金屬套管，如圖9所示。其強(qiáng)度和剛度更高。同時(shí)由于內(nèi)外金屬套管的保護(hù)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(dòng)機(jī)懸掛、部分轎車后部的半獨(dú)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(shè)計(jì)

汽車行駛時(shí)，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(dòng)力和制動(dòng)力保證汽車正常行駛。現(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(qiáng)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(yīng)、與行駛的路面相適應(yīng)，未來將設(shè)計(jì)智能輪胎，根據(jù)載荷及路況合理自動(dòng)調(diào)節(jié)胎壓，從而達(dá)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(dá)一百多種，數(shù)量有200～500個(gè)，其耗膠量可達(dá)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(dòng)機(jī)、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(jià)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(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，希望能夠?yàn)槠嚋p震材料制品提供一種合理的設(shè)計(jì)方案。