第１７卷增刊２００４年８月
振动工程学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．１７ＮＯ．Ｓ
孙景工牛福李若新
（军事医学科学院卫生装备研究所天津，３００１６１）
摘要概述了金属弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧、油气弹簧、液压式隔振器、钢丝绳隔振器、磁悬浮隔振器、电流变隔振器和磁流变隔振器的结构、功能、特点以及在汽车工程中的应用概况与前景。 关键词：振动；汽车；隔振器
中圈分类号：Ｕ２７０．３３７；ＴＢ５３５．１
汽车是由多个系统组成的复杂的振动系统，在行驶中，，因路面不平、车速和运动方向的变化，车轮、发动机和传动系的不平衡，以及齿轮的冲击等各种外部和内部的激振而极易产生整车或局部的强烈振动。汽车的振动使其动力性得不到充分发挥，影响汽车的操纵稳定性和平顺性，使车载仪器设备功能失效甚至损坏，缩短汽车的寿命。随着汽车向高速、重载方向的不断发展，对车辆的隔振要求越来越高，因此合理应用隔振器对解决汽车振动问题非常重要。
隔振器按是否需要能源，可分为被动式隔振器和主动式隔振器［１］。被动隔振器由于不需外界能源，结构比较简单，易于实现，经济性与可靠性较好，已得到广泛应用。但由于阻尼不可调，隔振能力有限；主动式隔振器通过传感器感受隔振对象的振动，并将输出信号传至控制器，由作动器发出动作指令，利用外界能源改变隔振器的刚度和阻尼，达到隔振的目的。这种隔振器克服了被动式隔振器阻尼不可调的缺陷，但因机械系统结构复杂，价格较昂贵，主要用于部分高级轿车或重型汽车的隔振；近年来，智能材料的不断发展，为研制新型智能隔振器提供了研究基础。智能隔振器刚度和阻尼调节范围大、能耗小、机械系统结构较简单、制造成本较低、可靠性高、响应实时、可控性好，因而在汽车隔振技术领域具有巨大的应用潜力。
加湿器结构
ｌ隔振器在汽车工程中的应用
１．１金属弹簧
金属弹簧是最常见的被动式隔振器，它有螺旋
收稿日期：２００４—０４—２０式、板条式和扭杆式三种类型。由于金属弹簧具有工作行程大、承载大、性能稳定、可靠性高等诸多优点，应用非常普遍。但因阻尼较小，隔振能力有限，对于隔振要求高的场合不太适用。
为增加阻尼，常在金属丝外表面敷设粘弹性材料，或与橡胶或油液隔振器配合使用。另外，由金属弹簧与一个在弹簧内的细金属丝网状座垫构成的新型钢丝网隔振器也是近年来开发的新型隔振器，具有大阻尼、非线性刚度的特点［２］。
螺旋弹簧（图１）被广泛用于汽车独立悬架中，特别是前轮独立悬架之中，部分轿车的非独立后轮悬架中也采用螺旋弹簧。另外，螺旋式弹簧也被用于车载各种机械设备、座椅等的常规性隔振。当螺旋弹簧钢丝直径、螺距、弹簧中径渐变，或者不同弹簧叠加时，可使弹簧刚度渐变而具有非线性，经合理设计可产生较理想的隔振效果。 图１螺旋弹簧在汽车悬架中的应用
板弹簧（图２）由多根金属板叠加在一起构成，略呈弓形，结构较简单。它不仅有良好的弹性，而且可以利用金属板变形时在金属板之间产生摩擦阻尼，起到一定的减振作用。板弹簧能够承受横向与纵向
载荷，能使作用力合理地分布到车架和车身上，是唯
万方数据
增刊孙景工等：隔振器在汽车工程中的应用与展望
一集隔振、缓冲、导向三项功能于一体的悬架弹簧。该簧小负荷时表现为线刚度，主要应用在货车以及大中型客车上，在部分轿车的后悬架上也采用板弹簧。由于金属板互相摩擦产生噪音，因而重视乘坐舒适性的现代轿车很少使用。
玻璃冷凝器１．卷耳；２．弹簧夹；３．板弹簧；４．中心螺栓
图２板弹簧在汽车悬架中的应用
扭杆弹簧一般是圆形断面或矩形断面的具有扭醢刚度的杆件，也有～些是用钢片叠合而成的。扭杆弹
簧扭杆１一端固定在车架上，另一端上通过摆臂２与车轮相连（图３），车轮上下运动时产生弹性扭转变形，以吸收车轮的振动。在各金属弹簧中，扭杆弹簧的重量最轻。扭杆弹簧主要应用在轿车纵置或横置扭杆以及横向稳定杆上，雪铁龙汽车公司于１９３４年生产的７Ａ型轿车首次通过扭杆弹簧实现单轮隔振，上海大众生产的帕萨特１．８Ｔ、中国一汽生产的马自达６型等轿车后桥均加装了横置扭杆弹簧。
１．扭杆；２．摆臂
图３扭杆弹簧
１．２橡胶弹簧
橡胶弹簧具有高阻尼、弹性后效和易实现非线性等特性，能较好地吸收高频振动，形状不受限制，刚度、阻尼可自由设计，可承受压缩载荷和扭转载荷。与金属弹簧相比，它具有较大的阻尼系数（ｏ．１５～ｏ．３），在共振频率附近有较好的隔振效果；缺点是受外界环境影响大，怕油污，高低温性能难统一控制。橡胶弹簧根据受力条件的不同，可以分为伸缩型、剪切型和伸缩剪切复合型等。据统计一辆轿车上橡胶弹簧的数量已达５０～６０件，主要用作汽车悬架的副簧、缓冲块和橡胶衬套，以及汽车动力总成、车载机械设备等的隔振。
液阻型橡胶隔振器是在传统橡胶弹簧基础上增加内部液体阻尼机构而成的隔振元件，与传统韵橡胶弹簧相比，具有低频域大阻尼、高动刚度，高频域小阻尼、低动刚度的特性，较多地应用在汽车动力总成的隔振。近年来，在国际上先后又出现了半主动控制式和主动控制式液阻型橡胶隔振器［３］。
１．３空气弹簧
空气弹簧属于主动式隔振器，它是以密封在橡胶囊中的空气作为弹性介质，利用气体的可压缩性吸收振动，具有理想的非线性刚度、极低的固有频率、恒定的回弹频率以及优良的稳定性，这使其呈现出较好的隔振特性。另外通过高度调节系统，空气悬架能根据负荷不同自动调整车身高度，有效地提高乘坐舒适度。空气弹簧在承受轴向载荷的同时，也可承受一定的径向载荷与扭转载荷，用于振动主动控制。
空气弹簧按气囊的结构形式可分为囊式和膜式两种，如图４所示。
（ａ）囊式空气弹簧（ｂ）膜式空气弹簧
图４空气弹簧
囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的可压缩空气所组成。气囊由帘线层、内外橡胶层、钢环以及上下密封盖板硫化而成。囊式空气弹簧分单腔、双腔和多腔式三种。腔与腔之间围有钢
环，以避免气囊中部径向扩张，并防止两腔之间的相互摩擦。腔数越多，弹性越好，但随着腔数的增加，弹簧的稳定性变差，合理地选择腔数可获得满意的弹簧刚度和稳定性。膜式空气弹簧由橡胶膜片和金属压制件组成，有效面积变化率比囊式小。它比囊式空气弹簧的弹性曲线更为理想，固有频率更低，且尺寸
小，便于布置因而多用于轿车上。 万方数据
振动工程学报第１７卷
空气弹簧技术是１９０９年英国考文汽车厂提出的，但技术不成熟未能应用。２０世纪３０年代，美国Ｆｉｒｅｓｔｏｎｅ公司成功开发出空气弹簧并用于车辆悬架。２０世纪５０年代，空气弹簧开始应用在载重车、小轿车、大客车上。到了６０年代，德国、美国等国生产的大部分公共汽车均装有空气弹簧悬架。目前，国外生产的旅游车，客车几乎都使用空气弹簧悬架，部分轿车也在使用空气弹簧悬架，如德国的奔驰３００ＳＥ和奔驰６００等。另外在重型载货汽车上近年来也得到了广泛的应用，美国产重型载货汽车的空气悬架配置率达８５％左右，大客车超过９０％。德国康迪泰克（ＣｏｎｔｉＴｅｃｈ）空气弹簧公司被业界认为是全球最大的空气弹簧生产商，它为上海磁悬浮列车提供的空气弹簧系统，有效地消除了列车的振动和冲击。另外美国Ｆｉｅｓｔｏｎｅ公司、德国Ｅｎｉｄｉｎｅ公司也致力于空气弹簧的生产与开发。德国奥迪、宝马、奔驰的部分车型以及２００３款林肯城市轿车均装有空气弹簧悬架系统。
中国早在２０世纪６０年代就设计生产了空气弹簧悬架，但使用效果不甚理想，以后在很长一段时期产品也没有进一步的发展。国外空气弹簧公司通过产品代理，为中国提供空气弹簧悬架产品。目前，国内多家客车厂生产的豪华大客车装有空气悬架，如桂林大宇、合肥现代、杭州客车等。由一汽轿车公司和美国福特公司联合设计开发的红旗旗舰系列轿车装有空气弹簧悬架系统。２００２年６月，东风汽车悬架弹簧公司成功开发出了空气悬架弹簧，并实现小批量配套装车，填补了国内空气悬架弹簧
开发的空白，其技术含量在国内居领先水平。液压隔振器有各种形式的节流口及阀口，可使其具有非线性阻尼特性。
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１．５油气弹簧
传统的油气弹簧属于被动式隔振器，它是以气体（一般为惰性气体如氮气）作为弹性介质，以油液作为传力介质，再用活塞推动油液来压缩气体，油液在运动过程中经过节流阀节流时产生阻尼，使振动衰减。油气弹簧具有空气弹簧的特点，具有较好的非线性，而且易实现车身高度调节。
油气弹簧按其结构可分为不带隔膜式、带隔膜式以及带反压气室式油气弹簧，如图６所示。带隔膜式油气弹簧，它将气体和液体分开，便于充气并可防止油液乳化。带反压气室式油气弹簧，它有一个反压气室，相当于在简单油气弹簧上加上一个方向相反的小筒单油气弹簧，用以提高空载时弹簧刚度，使空载满载自然振动频率变化不大。目前此种弹簧多用于重型车和部分小客车上。近年来，随着电子技术在悬架上的应用，已把油气弹簧设计成主动悬架结构。
１．４液压式隔振器
堡譬管液辱式苎振器属于被动式隔振器。在汽（。）不带隔膜式（ｂ）带隔膜式（。）带反压气室式
车悬架系统中广泛采用的是筒式液压隔振器（图５），
图６油气弹簧
其作用原理是当车架与车桥作往复相对运动，而活
图５筒式液压隔振器
塞在缸筒内往复移动时，液压油在节流孔或阀的前后形成一定压差，利用油的粘性阻尼作用衰减和吸收振动。液压隔振器具有非线性刚度特性，由于油液几乎不可压缩，因此其刚度较大，属于强力隔振器。
ＤＣＫａｒｎｏｐｐ于２０世纪６０年代后期发明的油气弹簧隔振器首先在轿车和赛车上获得应用。在油气弹簧技术方面，国外如美国、英国、德国、日本等研究比较全面，已有大量应用产品。国内在此方面起步较晚。油气弹簧隔振器的进一步发展方向是如何采用电脑控制，形成主动隔振系统，使油气弹簧隔振器由被动向主动发展。
１．６钢丝绳隔振器
钢丝绳隔振器是二十世纪七十年代出现的新型被动式隔振器，它由多股不锈钢钢丝拧结为弹簧绕
激光除锈
在上下支承板而成，支承板上钻有安装孔（图７（ａ））， 万方数据
增刊孙景工等：隔振器在汽车工程中的应用与展望
可减缓任意方向的振动与冲击。隔振器弹簧的等效刚度随变形的增加迅速减小，具有强非线性特性，可产生较好的缓冲效果。隔振器靠钢丝绳股间摩擦力产生的阻尼，随外界激振频率的变化而改变。在共振频率附近，可产生较大的阻尼，有效地抑制共振。随着激振频率远离共振点，阻尼迅速降低，具有较好的隔振效果。其隔振效果主要取决于其非线性迟滞特性。
德国Ｅｎｉｄｉｎｅ公司为满足工程应用上的需要，开发了一系列新型钢丝绳隔振器。如为加大钢丝绳隔振器的阻尼，用橡胶等材料将钢丝绳隔振器封装起来（图７（ｂ）），可有效地衰隔振动。最近，该公司又开发出一个专利产品：简约性钢丝绳隔振器（图７（ｃ））。该隔振器结构设计对称、
简约、小巧，易于单点安装，使用经济、高效，可广泛应用于小型精密仪器、电子设备的隔振［２］。美国Ａｅｒｏｆｌｅｘ公司下属的ＫｏｒｆｕｎｄＤｙｎａｍｉｃ子公司最近开发出了具有革新意义的ＣＣＡ型系列圆环形钢丝绳隔振器［３］，如图７（ｄ）所示。这一新型隔振器与传统型钢丝绳隔振器相比，拥有较大的阻尼、较小的刚度，具有较强的稳定性和可靠性，安装更方便，应用领域更广泛。
（Ｃ）简约型（ｄ）ＣＣＡ型
图７钢丝绳隔振器
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钢丝绳隔振器具有强适应性、体积小、结构简单、易于安装及稳定可靠等优点，因此被广泛应用于车载发电机、动力总成悬置，座椅、救护车担架支架以及其它精密仪器设备的隔振［４￣８］。军事医学科学院卫生装备研究所研制的野战急救车就应用了钢丝绳隔振器对担架支架进行隔振。
１．７磁悬浮隔振器
磁悬浮隔振器利用磁体相斥原理和高度磁敏反应实现磁悬浮，使隔振体稳定悬空，达到柔性隔振，具有无直接接触、无噪声、无摩擦、刚度呈非线性以及可根据负载自动调整刚度和高度等特点。磁悬浮技术在汽车工程上具有较广阔的应用前景，已逐渐成为研究的热点。
磁悬浮隔振器可分为电磁悬浮和永磁悬浮两种类型。电磁悬浮通过控制电磁铁的电流来控制隔振器的刚度和阻尼，实现振动主动控制。永磁悬浮隔振器属于被动式隔振器，它利用永磁体的磁感现象以及永磁体之间的斥力和引力来实现悬浮，达到隔振的目的。
目前，磁悬浮技术正被研究应用于汽车主动悬架、座椅、救护车担架隔振领域之中［９］。
１．８电流变隔振器
自从美国学者Ｗｉｎｓｌｏｗ于１９３９年发现电流变效应以来，电流变技术逐渐为世界各国所关注，当今被人们公认为有巨大发展前途和潜在市场的高新技术。所谓电流变效应是指某种特殊液体在电场作用或控制下，表征液体流动属性的粘度，在一定的剪切速率下，在毫秒级的时间内，可发生快速、明显变化的现象，实现其液态一固态的转变，这种转变具有瞬时、可控、连续无级的和可逆的特点。电流变隔振器是在传统液压式隔振器的基础上，应用电流变技术开发的一种新型智能隔振器（图８）。它利用电流变流体这一智能材料作为工作液，通过高电压产生的外电场改变流体的抗剪应力和粘度，从而获得可变的阻尼。其特点是在一定范围内阻尼无级可调，响应快、运动部件少，重量轻、体积小、噪音低，但电流变流体的剪切强度（硬度）较小，只能达到１０ｋＰａ左右。由香港科学技术大学和中国科学院物理研究所研究人员共同研制的一种新型“巨电流变流体”，其剪切强度可达１３０ｋＰａ，这一研究成果在２００３年１０月５日ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ上发表，被认为是电流变技术的重大进展，立即受到该领域专家的广泛关注Ｅ１０］。
法兰锻造图８电流变隔振器 万方数据
振动工程学报第１７卷
英国人Ｂｌｏｃｋ于２０世纪８０年代首先研制成功无水电流变流体，使得电流变技术能快速地应用于工程技术领域。日本森下信等设计的电流变隔振器已应用于车辆隔振，证明使用电流变隔振器可有效改善车辆的平顺性。美国福特公司、德国Ｂａｙｅｒ公司一直致力于汽车用电流变隔振器的开发与
生产。美国Ｌｕｂｒｉｚｏｌ公司和Ｒｈｅａｃｔｉｖｅ公司联合开发出一种电流变隔振器，已在Ｔｈｕｎｄｅｒｂｉｒｄ型轿车上成功应用。英国Ａｉｒ－－Ｉ．ｏｇ公司为重型汽车的扭杆弹簧悬架系统而开发了旋转式电流变隔振器。美国海军某研究部门基于电流变技术，已成功地研制出一种轻型的多孔吸声材料，可应用于车辆的隔振降噪。
２０世纪８０年代，国内首先由北京理工大学致力于电流变技术的研究，并获得多项资助，申请多项电流变隔振器专利。此外，西北工业大学等也积极开展电流变技术的研究并获得多项电流变隔振器专利。尽管如此，中国的电流变隔振技术还未在汽车工程中获得实际应用。
１．９磁流变隔振器
美国Ｒａｂｉｎｏｗ于１９４８年首先提出磁流变（ＭＲ）流体的概念，Ｗｉｎｓｌｏｗ在提出电流变效应的同时也提出过磁流变效应。磁流变流体在外磁场作用下的行为与电流变流体基本类似，即它的粘滞性可以随外磁场的改变在毫秒级时间内变化，并且这种变化是可逆的。磁流变隔振器就是在传统液压式隔振器的基础上，应用磁流变流体的这一磁场效应开发的一种新型智能隔振器（图９）。它具有结构紧凑、功耗低、阻尼大、动态范围广、响应速度快等特点，且阻尼可通过外加磁场调节，可用于汽车悬挂系统以及其它车载仪器、设备的振动主动控制。
利用磁流变体开发的许多汽车零部件已经进入实用阶段［１¨。美国Ｌｏｒｄ公司是磁流变技术开发与
商业化的领导者，利用磁流变技术来控制汽车悬架系统、座椅悬挂系统、医疗电子设备等的振动与冲击。磁流变技术最重要的商业化应用是Ｄｅｌｐｈｉ公司与Ｌｏｒｄ公司合作开发的ＭａｇｎｅＲｉｄｅ汽车磁流变悬架系统。Ｄｅｌｐｈｉ公司以Ｌｏｒｄ公司Ｒｈｅｏｎｅｔｉｃ磁流变流体开发的ＭａｇｎｅＲｉｄｅ隔振器，在通用公司２００２年生产的Ｃａｄｉｌｌａｃ以及２００３年生产的Ｃｈｅｖｒｏｌｅｔ轿车上的使用，代表了汽车工业最先进的可变阻尼技术，Ｄｅｌｐｈｉ公司也成为第一个将磁流变技术大量应用于汽车隔振的制造商。ＭａｇｎｅＲｉｄｅ汽车磁流变悬架系统由磁流变单筒隔振器、传感器以及在线控制器构成。来自Ｌｏｒｄ公司的磁流变技术能实时控制系统，无需电子管。在线控制器在毫秒级时间内连续调节阻尼力，根据悬架上位移传感器、车侧加速度传感器以及方向盘角辨向器。通过控制阻尼器活塞内磁流变流体的流动，达到连续无级改变阻尼的目的㈨。
中国武汉盘古隔振技术有限公司自２０世纪９０年代以来一直致力于磁流变技术的研究，并成功研制出基于“局域化磁流变流体”和“网络化磁流变流体”的智能隔振器。目前该系列隔振器已成功用于柳工集团的高速装载机隔振，在体现了传统油液悬架特点的同时，实现了车辆悬架主动振动控制ｎ３ｉ。
２结束语
图９磁流变隔振器
金属弹簧和橡胶弹簧，由于其结构简单、安装方便、可靠性好等优点，因此在汽车以及车载仪器设备
常规隔振领域应用广泛，若能合理设计或结合使用，开发出多种适应特定领域的异型变刚度隔振器，可有效提高隔振效果。钢丝绳隔振器具有非线性刚度、阻尼特性，在被动式隔振器中性能优越，特别适用于车载精密仪器、电子设备的隔振，有广阔的应用前景。油气弹簧、液压式隔振器性能稳定，常与金属弹簧一起广泛用于汽车悬架系统，正在逐步向主动式隔振器发展。空气弹簧属于主动式隔振器，隔振效果好，已被应用于高级汽车悬架。磁悬浮隔振器有一定的应用前景。基于智能材料结构的电（磁）流变隔振器是汽车工程应用最为理想的隔振器，随着电（磁）流变流体性能的不断改善，电（磁）流变技术的不断进步，相信会获得广泛的应用。
参考文献
１顾仲权，马扣根，陈卫东．振动主动控制．北京：国防工业
出版社，１９９７
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