陈代军付江华袁杰沈中元刘瑞

（1长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院；2汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室）

空气弹簧式半主动悬置设计与匹配研究

陈代军1,2付江华1,2袁杰1,2沈中元1,2刘瑞1,2

（1长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院；2汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室）

设计了一种通过电磁阀控制解耦膜刚度的空气弹簧式半主动悬置。建立了基于AMESim仿真平台的半主动液压悬置模型，分析了动刚度和阻尼角曲线。在整车上根据起动、怠速、加速、冲击等工况下激励的不同对悬置工作模式进行了匹配。分析结果表明，该悬置可以在较宽频率范围内明显改善乘坐舒适性及降低车内噪声和振动，具有刚度阻尼可调范围大、响应速度快、结构简单、制造成本低等优点。

1 前言

半主动悬置类型主要包含变流道式[1]、磁流变液式[2]和空气弹簧式[3]3种。变流道式半主动悬置结构复杂、制造成本高；磁流变液式半主动悬置刚度阻尼可变范围低；而空气弹簧式半主动悬置则具有刚度阻尼可调范围大、响应速度快、结构简单、制造成本低、易于实现产业化生产等优点。因此，本文以空气弹簧式半主动悬置为研究对象。

目前，国内、外学者对半主动悬置的研究主要为对单体动特性的仿真与测试[4，5]，对于半主动悬置在整车上的匹配研究相对较少。本文设计了空气弹簧式半主动悬置结构，建立了基于AMESim仿真平台的半主动液压悬置模型，仿真了动刚度和阻尼角曲线。在整车上根据起动、怠速、加速、冲击等工况下激励的不同对悬置工作模式进行了匹配。试验结果表明，该半主动悬置具有结构简单、制造成本低、刚度阻尼可调范围大及响应速度快等优点。通过对整车不同工况下悬置工作模式的合理匹配，该悬置既能在怠速及加速工况下具有良好的隔振性能，又能在起动及冲击路面工况下具有良好的减振性能，可以在较宽频率范围内明显改善乘坐舒适性及降低车内噪声和振动，可以实现大规模产业化。

2 空气弹簧式半主动悬置结构设计

本文设计的空气弹簧式半主动液压悬置结构如图1所示，其解耦膜与隔板形成一个空气腔，通过控制该空气腔的开闭来实现解耦膜的刚度控制，进而改变上液室的体积刚度，达到改变液压悬置动态特性的目的。

图1中空气腔的开闭由电磁阀控制，电磁阀通过电线与发动机电子控制单元连接，电子控制单元以发动机不同工况下的转速作为输入信号控制电磁阀的开闭。当电磁阀接通电源时，中心轴在电磁力的作用下克服弹簧的弹性力作用向前运动，将液压悬置空气腔与外界大气的通孔密封，此时该空气腔为密闭空气腔，解耦膜刚度增大，悬置性能表现为高动刚度、高阻尼，此工作模式为ON模式。电磁阀电源关闭时，电磁阀的电磁力失效，在弹簧弹性力作用下，中心轴被拉回到初始位置，液压悬置空气腔与外界大气连通，解耦膜刚度降低，悬置性能表现为低动刚度、低阻尼，此工作模式为OFF模式。

3 空气弹簧式半主动悬置动特性分析

3.1 动特性仿真模型

根据半主动液压悬置的基本结构和工作原理，建立基于AMESim多领域仿真平台的半主动液压悬置模型如图2所示。

模型中各个模块模拟的对象如表1所示。从表1中可以看出，该模型很好的模拟了空气弹簧式半主动液压悬置的主簧、上液室、解耦膜、惯性通道、空气腔和下液室等结构的工作原理，并通过模拟空气腔的开放和封闭状态来实现悬置ON、OFF两种工作状态的切换，进而实现对悬置动特性的控制。

表1 空气弹簧式半主动液压悬置仿真模型模拟对象及参数

3.2 动特性仿真结果

进行模型仿真时，首先对悬置施加-1.3 kN的预载，进而通过信号输入端加载谐波位移激励，激励频率范围为1～50 Hz，频率步长为1 Hz，幅值为1 mm。通过信号控制端控制悬置的ON、OFF模式；通过力响应端提取力信号。由此获得半主动液压悬置在ON、OFF模式时的动刚度和阻尼角曲线，与台架试验对比结果如图3、图4所示。

从图3和图4中可以看出，仿真与试验结果整体吻合较好，误差在可接受的范围内，可以验证所建半主动液压模型的准确性。

3.3 动特性台架试验

在MTS台架上进行振幅为1mm的动刚度和阻尼角测试，试验中悬置的ON、OFF模式用直流稳压电源进行手动控制。ON模式20Hz以上动刚度为OFF模式2倍左右，10Hz左右阻尼角为OFF模式的2.5倍左右，可知本文设计的半主动液压悬置刚度和阻尼可变范围比较大。

在台架上进行动特性试验时，为了验证该半主动悬置工作模式切换响应速度，通过外接直流电源的通电和断电来回切换进行ON、OFF模式切换试验，所测动刚度曲线如图5所示。

从图5中可以得知，两种工作模式来回切换时动刚度值与单独进行两种模式试验所测刚度值几乎完全吻合，由此可以验证本文所涉及的半主动液压悬置在不同工作模式之间切换时响应速度比较快，可以通过即时切换工作模式达到理想的动特性。

4 整车匹配与试验

需要根据悬置在发动机起动、怠速、加速、冲击路面等工况下受到的激励不同而匹配相应的工作模式。工作模式利用控制器以车速信号和发动机转速信号为控制输入，具体工作控制逻辑如表2所示。

表2 空气弹簧式半主动液压悬置工作模式匹配逻辑

控制逻辑匹配完成后，对该半主动悬置进行了整车NVH验证试验。在不同工况下对比测试了半主动悬置在ON、OFF模式时车内驾驶员右耳处噪声和座椅导轨Z向振动。

4.1 点火起动工况

发动机点火起动时，发动机整机的惯性力施加在悬置上，激励表现为低频大振幅的特性，极易出现起动抖动现象。该工况下要求悬置有较高的刚度以限制动力总成翻转位移，因此半主动悬置采用ON模式。ON、OFF模式下点火起动所测得的座椅导轨Z向加速度曲线如图6所示。

从图6中可以看出，在起动工况下，半主动悬置采用ON模式相对OFF模式而言，座椅导轨振动明显降低，即采用ON模式能有效改善起动抖动问题。

4.2 怠速工况

怠速工况下，悬置受到的激励主要来自发动机的小振幅振动。此时要求悬置的主要作用为隔振，所以工作模式选择OFF模式。ON、OFF模式下座椅导轨Z向怠速振动加速度频谱曲线如图7所示。

从图7中可以看出，怠速工况下，半主动悬置采用OFF模式相对ON模式而言，座椅导轨振动明显降低即半主动悬置采用OFF模式能有效改善车内怠速振动。

4.3 加速工况

在中高速加速工况下，激励主要来自高频小振幅的扰动。悬置的主要作用为隔离动力总成传递至车内的结构噪声，要求悬置具有低动刚度和低阻尼，因此工作模式采用OFF模式。ON、OFF模式下加速工况车内噪声声压级曲线如图8所示。

从图8中可以得知，在加速工况下采用OFF模式相对ON模式而言，车内噪声声压级低1.5dB（A），即半主动悬置采用OFF模式能有效改善车内加速噪声。

4.4 冲击路面工况

整车经过减速带等冲击路面时，悬置的主要作用是限制动力总成的位移，即要求悬置具有高动刚度、高阻尼，因此半主动悬置采用ON工作模式。半主动悬置ON、OFF模式下座椅导轨在整车以30km/h的速度通过减速带时Z向加速度曲线如图9所示。

Design and Matching of Air Spring Semi-active Moun

Chen Daijun1,2,Fu Jianghua1,2,Yuan Jie1,2,Shen Zhongyuan1,2,Liu Rui1,2
（1.Changan Automotive Engineering Institute,Changan Automobile Co.,Ltd;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology）

An air spring semi-active mount which controls the decoupling membrane stiffness with solenoid valve is developed.The dynamic stiffness and damping angle curve are analyzed with the semi-active hydraulic mount model established based on the AMESim.The mount operating mode is matched to vehicle according to different excitations under the condition of starting,idling,acceleration and impact.The results of analysis show that the semi-active mount can improve the ride comfort,reduce the interior noise and vibration significantly in a wide frequency range,and it features the advantages of wide adjustment range,fast response speed,simple structure and low manufacture cost,etc.

Air spring semi-active mount,Dynamic characteristics,Simulation,Matching

空气弹簧式半主动悬置 动态特性 仿真 匹配

U463.33

A

1000-3703（2015）05-0001-03