【讲堂】都知道悬架重要，那有人在乎悬置吗？首先，它是啥？（上）

前段时间有句流行的鸡汤：“所谓的岁月静好，不过是有人为你负重前行”。听起来貌似有点矫情，但是用到今天我要跟大家讲的这个主角上，再合适也不过了。来，本期踢车帮《讲堂》继续给爱车的你聊技术，讲知识。...





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前段时间有句流行的鸡汤：“所谓的岁月静好，不过是有人为你负重前行”。听起来貌似有点矫情，但是用到今天我要跟大家讲的这个主角上，再合适也不过了。来，本期踢车帮《讲堂》继续给爱车的你聊技术，讲知识。

看了这么多期的踢车帮，各位可能已经发现夏老师在评价一款车的动态性能时，常提到的就是这车怠速时抖不抖，尤其注重直接从方向盘或座椅上得到的感受。这也是咱们普通消费者购车时比较看重的地方。我们知道，对于前置前驱的汽车而言，发动机隔着一层防火墙跟前排乘客相邻，距离比较近，因而也更容易感受到来自发动机的振动。

一款NVH调教的很好的车，怠速是几乎感觉不到任何的方向盘抖动的。那么，厂商采用了什么方法能够把由发动机传递来的振动控制的这么好呢？仅仅是因为发动机本身进行了平衡处理吗？

其实不是的，这里面有一个作用非常重要，又最容易被大家忽视的部件。前段时间夏老师在解读缤越1.5TD三缸发动机时着重强调了这一点。

可以这么讲，在传统内燃机汽车上，尤其对于三缸机汽车，如果不把它调教好，基本就没有NVH性可聊了。说到这儿，了解过汽车构造的朋友可能大家已经猜到了，是的，就是它——发动机机脚，又名：发动机基座，学名：动力总成悬置。

对于一般的乘用车而言，发动机与副车架相连，中间是要通过隔振装置进行减振的，这个隔振装置，也就是所谓的动力总成悬置。

但是这个看着不起眼的小玩意儿却特别容易被大家忽略，车开的时间长了抖得厉害，到4S店又是让你换机油，又是让你清积碳，一顿操作，反而效果并没有明显改善。

这时考虑一下是不是这些悬置件出了问题。换个新的悬置，可能一切又回归平静！所以，多了解点汽车知识，就是在保护你的钱包啊~来，详细介绍之前呢，先看看今天的主角长啥样。

这个就是普通轿车上最常用的橡胶悬置，里面的金属芯轴与发动机上安装的悬置支架相连，芯轴外面包裹着橡胶，橡胶件硫化到金属支架上，金属支架通过悬置连接点与（副）车架相连。

发动机的振动就是通过悬置进行传递的，由于橡胶的存在，振动会得到一定程度的衰减，进而实现减振降噪。大家可能会想这也太简单了，不就是个橡胶垫吗？好，看点复杂的。

上图是保时捷Cayenne上用的液压悬置，这里面的结构相对比较复杂，不仅有橡胶，还有流动的液体以及结构上特殊的设计，整体的功能就是为了实现更好的减振降噪，当然成本也会跟着上来。

此外，还有效果的更好的半主动悬置和主动悬置，其对应的结构、控制则更加复杂，减振效果更好，价格也更高，一般配置在豪华品牌上。

下图是奥迪S6配的发动机主动悬置，结构上还加了个作动器，需要更加复杂的控制系统。怎么样，看起来结构是不是复杂的多了。

好了，悬置的类型、外观大致讲完了，大家也对这些元件有了初步的认识，那么，悬置还有哪些作用？它是根据什么原理设计的？这里面又涉及到哪些知识呢？上面主要讲了悬置的隔振作用，减少将振动由发动机传递到车架上，就单单发挥这一个作用吗？No！

悬置还要承担动力总成的静载，起到支承的作用；

悬置要限制动力总成的位移，避免它在发动机舱内窜动过大，撞击车架，损坏发动机；

此外，悬置还起到被动隔振的作用，也就是说路面激励经悬架传递到车架的振动一样可以传递到发动机上，而悬置此时就可以起到被动隔振的作用，避免损坏发动机。

所以你看，就小小的一个悬置件，尤其是橡胶悬置，看起来结构很简单，如果把它去掉，把发动机直接连到副车架上面，这车就没法开了。然而，在20世纪初期，汽车设计的早期阶段，发动机确实是直接与车架相连的，但是，由于实在是受不了这个“酸爽”体验而且连接部位很容易损坏，所以加装了布垫、皮革等，后来工程师们发现橡胶这个东西蛮不错的嘛，安排！这就是橡胶悬置的雏形。

随着技术的进一步提升以及消费者对舒适性的要求，慢慢开展了液压悬置、半主动悬置以及主动悬置的研究，因此整车开发的NVH水平得到不断的提升。这就是悬置发展的一段历史，所以，新技术都是从无到有，慢慢成熟，市场会对其进行选择，适者生存。

当然，这些题外话就是为了让大家了解悬置技术的发展历史。好了，说回悬置本身，它到底是如何起作用的呢？

想要搞明白悬置如何发挥作用，第一个需要了解的就是隔振原理，弄清楚振动是怎么被隔离的，请看下面隔振原理图。

发动机+悬置系统，其本质上就是弹簧质量系统。只不过是它的弹簧数目比较多，因为悬置一般都是三、四或者五点布置，根据车型结构不同悬置点数目不同。为了便于大家理解，咱就以一套弹簧质量为例进行说明。

看起来很复杂对不对，别担心，慢慢解释明白你就会发现它是很有意思且非常有用的一个公式。这个图就比较有意思了，大家先别被吓到，仔细看哈，这个图的横坐标就是咱们前文提到的频率比，纵坐标就是力传递率。我把不同阻尼大小的隔振曲线都画了出来，用不同颜色来进行区分。旁边标注的数字就是阻尼比的大小。

当阻尼比为0时，隔振率曲线在频率比为1时出现了无穷大的值，也就是说，当外界激励频率等于系统固有频率时，系统的响应为无穷大，此时发生共振，振动传递率为无穷大也就意味着不仅没有把振动缩小，反而放大了无穷多倍。这在工程上是要避免的；共振到底有多可怕，看下面这个图就知道了！美国塔科马海峡吊桥，通车4个月，由于设计考虑不充分，最终在风力作用下，发生共振而垮塌，好在人没事，就只可惜了车里的一只可卡犬这个结论有什么用？好，我们前面分析了无阻尼系统的固有频率是由系统的刚度k和质量m决定的，因此，我们在进行悬置的刚度设计时，其中要满足的一个条件就是发动机固有振动的频率与常用激励频率满足上面的隔振要求。具体怎么评价，后文会给大家介绍。

再来看，当阻尼比不为0时，从0.2变化到1时，共振峰值对应的频率比向左偏移，且在进入隔振区之前，随着阻尼增大，振动的传递率降低；然而，一旦进入隔振区之后，阻尼越大，振动传递率反而越大，阻尼越小，隔振效果反而越好。这也就意味着在隔振区内，阻尼越小越好。也就是说，对于隔振，我们是希望低频大阻尼，高频小阻尼。

好了，为了让大家都能看明白，用了较多的篇幅给大家介绍了隔振原理。搞明白这个原理对于我们设计发动机悬置是非常有帮助的。但是仅仅靠它还不够，接下来我将引入另外两个概念：振动的解耦和耦合。我们都知道物体在空间有6个自由度，沿X,Y,Z轴的平移运动和绕X,Y,Z轴的转动。对于发动机而言，我们是希望它6个自由度尽量避免耦合，这样有利于振动的控制。这里的振动耦合是什么意思呢？看图说话。上面一个规则的质量块由四个相同的弹簧k支撑，四个弹簧对称位于质量块的四个底角上，此时处于平衡状态。当沿Z轴作用一个力F，且正好通过质心时，我们很容易就可以推断，此时质量块只会沿Z轴方向振动，也就是只有一个自由度参与了运动。这也就意味着，此时的Z向运动与其他5个自由度都是解耦的，就是没有耦合关系。

好，咱们再看下面这种情况。

这幅图跟上一张唯一不同点在于，左侧的两个弹簧往质心中间靠了靠，与右侧的两个弹簧不再沿XOZ平面对称。作用力还是F，大小方向作用点都不变。此时质量块的振动形式，就不再只有垂向运动了，还多了一个绕X轴的转动。因为在受重力平衡的基础上，当物体的垂向出现一个垂向位移时，各个弹簧的反作用力是相同的，但是他们对于质心O的反作用力矩不同，因此会导致上述现象的发生。也就是说，由于弹性元件布置形式改变了，导致垂向运动和绕X转动同时出现，这就是所谓的振动的耦合，这种现象不利于单个方向的振动控制，也是在发动机悬置设计过程中，我们不愿意看到的结果。好了，上面已经把隔振和解耦讲完了，对于悬置的开发设计有什么用呢？

通常来讲，悬置的设计方法有很多，应用最多的就是悬置解耦设计和固有频率分布。也就正好对应咱们上文讲的两部分内容。

固有频率分布：由于发动机在发动机舱内有6个运动自由度，因此也就存在6个自由振动固有频率。一般悬置设计时要求系统的6个固有频率间隔1Hz以上，以避免同一个激励频率同时引起几个方向一起振动。悬置解耦设计：光有隔振还不够，还要保证解耦。这个可以用解耦率来表示。这里的解耦率是一种能量表示方法，就理解为解耦的程度，且越高越好。由于悬置解耦计算以及匹配设计又是一套复杂的公式和理论，所以这儿不展开细讲，把上面讲的隔振和振动耦合理解到位，其他的计算就是方法应用的问题了，大家不必为此纠结。当应用到发动机悬置系统的匹配设计时，基本的原理都是一样的，我们需要做的就是，通过优化悬置的位置和每个橡胶的三向刚度，来实现各个自由度之间尽可能的解耦。因此，开篇介绍的最简单的橡胶悬置要设计成“人”字形，就是为了保证各向刚度不同，已达到较好的隔振效果。一般要求比较重要的方向，比如人体比较敏感的垂向和绕曲轴转动的方向，其解耦率要在90%以上。一般工程用悬置匹配结果可以参考下表，其中包括各个方向振动的固有频率以及对应方向的解耦率。希望固有频率合理分布，同时解耦率越高越好，以避免由于耦合而进一步加剧振动，因为这些振动传递到车架上，就会引发一系列NVH问题了。怎么样，是不是看起来不起眼的悬置件，里面的门道还是很多的吧！所以，关注踢车帮，学习新知识，是一个明智的选择啊~好了，讲了那么多理论知识，习惯性给大家补充点实践的内容。因为读者朋友毕竟很关心如何去判断自己爱车的悬置是否出了问题，几个很明显的症状如下：1）发动机振动剧烈：这个在坐出租时体验最为明显，由于使用年限比较长，所以坐在前排很明显就感受到发动机的抖动，发动机一般不会出大的问题，既然振动传上来了，大概率是悬置出了问题。

2）发动机的错位：掀开引擎盖，如果发现发动机已经较明显偏离了新车时的装配位置，可以考虑把老化的橡胶悬置换一换了，以防止出现更大的问题。

3）发动机的损坏：使用时如果发现发动机损坏了，一般而言是发生了撞击，如果悬置没问题，是不会出现这种情况的。悬置设计不好或者损坏，过个坑把发动机颠掉的情况，也不是没发生过。

4）较大的噪声：振动必然是伴随着噪声的产生，当悬置老化时，发动机可能会发生碰撞等一系列问题，进而把产生的噪声传到驾驶室，这是需要检查是不是该换一套悬置件了。

当然，上述都是一些比较严重的情况，作为爱车一族的各位，平时可以多留意，多观察，防患于未然。好了，讲到这儿，关于悬置的隔振、解耦、匹配设计原则以及日常检查维护，就给大家讲完了。也是为了方便读者理解，絮絮叨叨多写了一些。本打算把后续的液压悬置以及半主动、主动悬置技术也给大家讲明白，全都放在一起，内容就太多了，估计能读到这儿的朋友已经是少数了。毕竟振动的相关知识，理解起来相对抽象一点，但是不管怎样，踢车帮《讲堂》都会给你讲明白。也是希望大家能够从踢车帮了解产品以及行业的同时，也能从这里收获更多的汽车知识。

下期《讲堂》，我将带大家了解为什么高档车型上用的都是液压、半主动或主动悬置，看它们的设计都有什么巧妙之处，是如何获得更好的隔振效果，又是如何为汽车的NVH性能改善发挥作用的。下期《讲堂》，咱们不见不散。参考文献：[1]Ozturk, U., Ucar, L., Shahidi, K., Ersoy, N. et al., "Custom Design Multi-Axial Engine Mount Load-Cell Development for Road Load Identification and Fatigue Life Estimation," SAE Int. J. Mater. Manf. 9(3):642-648, 2016, https://doi.org/10.4271/2016-01-0413.
[2]https://www.total911.com/technology-explained-porsche-active-drivetrain-mounts/
[3]http://www.partinfo.co.uk/articles/169

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撰文丨杨仕祥

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