CN101725796B

CN101725796B - 具有动态刚度的双怠速等级下降频率的液压支架

Info

Publication number: CN101725796B
Application number: CN2009102072925A
Authority: CN
Inventors: P·李
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: US20100102492A1; US8157250B2; DE102009049976A1; CN101725796A

Abstract

本发明涉及一种具有动态刚度的双怠速等级下降频率的液压支架。一种液压支架提供动态刚度的双怠速等级下降频率，所述怠速等级下降是内燃发动机的对应于一次和二次点火频率的振动阶次。通过采用对怠速惯性通道进行共振调谐以提供第一振动阶次的第一怠速等级下降和对可调空气管道进行共振调谐以提供第二怠速等级下降的方式来获得双怠速等级下降。

Description

具有动态刚度的双怠速等级下降频率的液压支架

技术领域

本发明涉及例如用于机动车中的发动机安装件的液压支架，更具体地涉及一种具有动态刚度的一对怠速等级下降(idle ratedip)频率的液压支架。

背景技术

液压支架是涉及两方面的设备。在第一个方面，液压支架提供对诸如机动车发动机的一个物体相对于诸如机动车框架的第二个物体的定位。在第二个方面，液压支架在第一个和第二个物体之间提供低动态刚度或振动衰减，诸如相对于机动车框架的发动机振动的衰减或隔离。

例如，用于机动车应用中的液压支架已经在美国专利4828234、5215293和7025341中有记载。

美国专利5215293公开了一种具有螺栓接合至发动机的刚性上部构件和螺栓接合至车架的下部发动机构件的液压支架，其中，上部和下部构件相互弹性连接。上部构件连接至弹性主橡胶元件。响应于发动机振动的主橡胶元件的振动传递给相邻的上部流体腔室。上部流体腔室与具有怠速惯性通道的刚性顶板相邻，怠速惯性通道穿过刚性顶板，并且怠速惯性通道与怠速流体腔室连通。怠速流体腔室通过怠速隔膜与怠速空气腔室分开。为了选择性地抽空怠速空气腔室，怠速空气腔室选择性地连接至大气或发动机真空系统。在抽空怠速空气腔室的情况下，怠速隔膜是固定不动的。跳振(bounce)惯性通道形成在顶板中并且与填充有流体的下部流体腔室连通。膜壳(bellows)将下部流体腔室和通向大气的下部空气腔室分开。

怠速惯性通道具有比跳振惯性通道更大的横截面积和更小的长度，使得这种比率在相应选择的共振频率下提供共振频率衰减。在这方面，流过怠速惯性通道的流体的共振频率设置为高于流过跳振惯性通道的流体的共振频率。这样，基于跳振惯性通道中的大量流体的共振，该现有技术液压支架能够有效衰减低频范围内的频率相对较低的振动，诸如发动机颤抖或跳振，同时，在另一方面，基于怠速惯性通道中的大量流体的共振，怠速惯性通道被调谐，从而使得液压支架相对于高频范围内的频率相对较高的振动-诸如发动机怠速振动表现出充分减小的动态刚度。

在操作中，高频范围内的振动通过下列方式隔离：即上部流体腔室中的流过怠速惯性通道的流体振荡的操作和主弹性元件及怠速隔膜的弹性变形，此时，怠速空气腔室处于大气压下。对于低频范围内的振动，怠速空气腔室通过连接至发动机真空系统而被抽空，此时，上部流体腔室的流体振荡传播通过跳振惯性通道并因此在结合主弹性元件和膜壳的弹性变形的情况下被衰减。

尽管这些液压支架工作良好，但也存在问题，即每个通道-怠速惯性通道和跳振惯性通道都提供低动态刚度并只在各自预定的振动频率范围内提供衰减。具体来说，对怠速惯性通道而言，“怠速等级下降”频率是单一的，其被选择为通常适合具体的发动机。例如在图4B中所示，该图是现有技术液压支架的动态刚度与发动机振动频率的图表300’(后面还将进一步论述)，其中，曲线302’在频率是50Hz时具有单个怠速等级下降304’。

发动机怠速振动具有一个以上的阶次(每旋转一周的振动)。例如，众所周知的物理学原理是，简单的质量弹簧系统(mass-spring system)中的未衰减固有频率f_n通过如下方式得出：

f_{n} = \frac{1}{2 π} \sqrt{k / m} - - - (1)

其中，k是弹簧刚度，m是簧上质量。

内燃发动机的与液压支架设计相关的方面包括：1.动态刚度K^*(复合的动态刚度)；2.弹性模量(弹性动态刚度)K’；3.异相模量(损耗模量或损耗动态刚度)K”，其中，术语

K^{*} = \sqrt{(K^{'' 2} + K^{' 2})};

4.损耗角θ＝Tan^-1(K″/K′)；5.衰减系数(C)，其中tanθ＝Cω/K’，其中，ω＝2πf，并且其中，f＝频率；6.惯性通道中的液柱的共振频率，该频率是在异相模量(K”)达到最大值时的频率；7.等级(动态刚度)下降频率，该频率等于在K^*达到最小值时的频率，其中，等级下降频率比最大K”频率要低若干Hz(频率)；8.用于噪音和振动(N和V)的两个区域：控制和隔离；9.控制区域，也就是低于1.414xf_n(固有频率)的频率，其中，在控制区域内，需要进行衰减以减少振动、发动机跳振和颤抖或粗糙路面颤抖(即低频-控制区域)，需要高衰减来减少振动；10.隔离区域，也就是高于1.414xf_n(固有频率)的频率，其中，在隔离区域内，需要低动态刚度来隔离振动、发动机怠速颤抖(即高频-隔离区域)，需要低动态刚度隔离振动，其中，在隔离区域内，衰减增强振动；11.惯性通道中的流体的固有频率，其取决于通道中流体的质量和刚度(上部腔室和下部腔室的体积/容积刚度)；和12.怠速时的发动机RPM，例如，在900RPM时，第一阶次频率是15Hz(例如900/60＝15)，其中，不同发动机的发动机点火阶次/频率在下面的表格I中示出。表格I

发动机	1x点火	2x点火	3x点火......
				I4	第2阶次(30Hz)	第4阶次	第6阶次......
V6	第3阶次	第6阶次	第9阶次......
				V8	第4阶次	第8阶次	第12阶次......

一次和二次发动机点火频率的示例是：对于V6内燃发动机来说，第3和第6发动机振动阶次具有最不期望的振动，而对于V8发动机来说，第4和第8发动机振动阶次具有最不期望的振动。因此，如图4B所示，被调谐的等级(即动态刚度)下降频率的选择是一次和二次发动机点火频率的怠速等级下降频率的最佳折衷选择。

从不期望的动态刚度的意义上说，与怠速空气腔室互连的真空管道系统引入了不期望的噪音因素。因此，在现有技术中，真空管道系统的存在被认为会产生问题，通常需要引入相关抵消措施来减少由真空管道系统所致的动态刚度，或者将不期望的动态刚度移动到相对于优化怠速等级下降而言可以不予考虑的频率范围内。

据此，在本领域中，期望能够提供动态刚度的双怠速等级下降频率，此外，还期望能够将真空管道系统的不期望的动态刚度的问题予以消除。

发明内容

本发明是液压支架，该液压支架提供动态刚度的双怠速等级下降频率，这是通过将现有技术中的真空管道系统的噪音问题转化为本发明的可共振调谐空气管道而实现的，每个怠速等级下降都是位于各自的振动阶次上。通过对怠速惯性通道进行共振调谐来提供一次发动机点火频率下的第一怠速等级下降并额外地通过对可调空气管道进行共振调谐来提供二次发动机点火频率下的第二怠速等级下降，便能够获得所述双怠速等级下降。

根据本发明的液压支架可以具有任意合适的结构，例如总体上与上文针对美国专利5215293所述的结构一样，在所述结构中，上部构件与下部构件以弹性方式互连，其中包括：与上部构件处的振动源(即发动机)相对应的主弹性(即橡胶)元件，该振动传至相邻的上部流体腔室。上部流体腔室经由怠速惯性通道与怠速流体腔室连通，怠速流体腔室通过怠速隔膜与怠速空气腔室分开。怠速空气腔室通过空气管道组件的可调空气管道连接至大气，连接部能够选择性地连接至大气或发动机真空系统，以便在与跳振惯性通道的共振衰减有关时使怠速隔膜固定不动。

根据本发明，上部构件相对于下部构件的振动传送给主弹性元件。在可调空气管道通向大气的情况下，怠速惯性通道被共振调谐，并与主弹性元件和怠速隔膜的弹性变形响应性结合，以提供动态刚度的第一怠速等级下降，此外，例如基于开口管道中的空气共振的物理学特性、通过数学建模或经验来对可调空气管道进行共振调谐，以提供第二怠速等级下降，其中，第一和第二怠速等级下降优选地选定为分别与一次和二次发动机点火频率的振动阶次一致。

据此，本发明的一个目的在于提供一种的液压支架，该液压支架提供动态刚度的双怠速等级下降频率，每个怠速等级下降都位于各自的振动阶次上，其中，通过对怠速惯性通道进行共振调谐来提供一次发动机点火频率下的第一怠速等级下降并通过对可调空气管道进行共振调谐来提供二次发动机点火频率下的第二怠速等级下降，从而获得双怠速等级下降。

本发明的所述以及另外的目的、特征和优点将通过下面对优选实施方式的详细描述而变得更清楚。

附图说明

图1是根据本发明的提供了双怠速等级下降共振频率衰减的液压支架的部分剖切的示意性侧视图，其中示出了怠速空气腔室和通过电磁阀通向大气的可调空气管道。

图1A是可调空气管道的沿着图1的1A-1A线的剖视图。

图2是根据本发明的如图1所示的液压支架的部分剖切的示意性侧视图，此时示出了怠速空气腔室和连接至发动机真空系统的可调空气管道。

图3是根据本发明的用于调谐以提供液压支架的动态刚度的双怠速等级下降频率的算法。

图4A是示出了根据本发明的液压支架的怠速动态刚度与频率的图表，其中示出了动态刚度的双怠速等级下降频率。

图4B是示出了现有技术液压支架的怠速动态刚度与频率的图表，其中示出了动态刚度的单怠速等级下降频率。

图5A至5C示出了怠速等级下降调谐的多个方面，其中，图5A是现有技术中的用于直列4缸(I4)内燃(IC)发动机的第二振动阶次的调谐，图5B是现有技术中的用于I4 IC发动机的第四振动阶次的调谐，图5C是根据本发明的I4 IC发动机的第二和第四振动阶次的调谐。

具体实施方式

现在参阅附图，将详细描述根据本发明的双怠速等级下降液压支架的多个方面。

首先参阅图1至2，其中示出了双怠速等级下降液压支架100的一个示例，作为举例说明，该液压支架100具有与美国专利5215293所公开的基本相同的某些结构特征；然而，应当理解的是，该结构可以是不同于所图示的和描述的其他结构，并且下文从结构和功能方面描述的空气管道组件130对于本发明来说是特有的。

上部构件102与下部构件104弹性地互连。上部构件102包括刚性上部安装构件106，藉此，例如螺栓106a提供例如到发动机托架(未示出)的连接。下部构件104包括冲压式刚性下部壳体108，藉此，例如螺栓108a提供例如到车架(未示出)的连接。

上部和下部构件102、104之间的弹性互连由连接至上部安装构件106的主弹性元件110来提供，该主弹性元件例如由橡胶材料构成。与上部安装构件106相对的主弹性元件110与填充有诸如乙二醇的液压流体114的上部流体腔室112相邻。上部流体腔室由主弹性元件和密封界面连接的刚性顶板116限定。刚性顶板116具有形成在其中的怠速惯性通道118和跳振惯性通道120。

怠速惯性通道118与怠速流体腔室122连通，其中，上部流体腔室的液压流体114与怠速惯性通道和怠速流体腔室连通并对其进行填充。怠速流体腔室122通过例如由橡胶材料构成的弹性怠速隔膜126与怠速空气腔室124分开。怠速隔膜连接至刚性分隔构件128，使得怠速空气腔室124由怠速隔膜和分隔构件以密封方式限定。怠速空气腔室124经由空气管道组件130选择性地连接至大气或发动机真空系统，其中空气管道组件的可调空气管道140穿过分隔构件128，空气管道组件的结构特征和功能特征将在下文中进行详细论述。

跳振惯性通道120与填充有液压流体114的下部流体腔室132连通。诸如由橡胶材料构成的膜壳134连接至分隔构件128并将下部流体腔室与下部空气腔室136分开，该下部空气腔室通过通风孔138与大气通风。

外部壳体160连接至主弹性元件110、顶板116、分隔构件128和下部壳体108中的每个。

怠速惯性通道118具有比跳振惯性通道120更大的横截面积和更小的长度，使得这种比率在相应选择的共振频率下提供共振频率衰减。在这方面，流过怠速惯性通道的流体114的共振频率设置为高于流过跳振惯性通道的流体的共振频率。这样，基于跳振惯性通道中的大量流体的共振，液压支架100能够有效衰减低频范围内的频率相对较低的振动，诸如发动机颤抖或跳振，同时，在另一方面，基于怠速惯性通道中的大量液压流体的共振，怠速惯性通道被调谐，从而使得该液压支架相对于高频范围内的频率相对较高的振动-诸如发动机怠速振动表现出充分减小的动态刚度。

上文提及的空气管道组件130包括：可调空气管道140(其部分穿过分隔构件128)；例如能够在被编程而响应于液压支架的操作的控制器144的作用下在第一和第二状态之间转换的电磁阀142，该电磁阀在其入口142a处连接至可调管道；连接至电磁阀的第一出口142b的排出装置146；连接至电磁阀的第二出口142c的真空罐148；和仅允许气流朝发动机进气口152流动的单向止回阀150。

当电磁阀处于第一状态时，可调空气管道朝着大气打开，当电磁阀处于第二状态时，怠速空气腔室被连接至发动机进气真空系统。在电磁阀处于第一状态的情况下，高频振动(即发动机怠速频率)在动态刚度的两个怠速等级下降频率下被隔离：第一怠速等级下降是通过流过怠速惯性通道118的、上部流体腔室112内的液压流体的振荡与主弹性元件和怠速隔膜的弹性变形响应性地结合而产生的，而第二怠速等级下降是进一步通过响应于通向大气的可调空气管道140内的怠速隔膜126的振动的空气振荡而产生的。对于低频振动(即发动机颤抖和跳振频率)，电磁阀处于第二状态，使得怠速空气腔室124通过经由发动机进气口152连接至真空源的可调空气管道140而被抽空，其中，上部流体腔室112的液压流体振荡此时传播通过跳振惯性通道120并且在与主弹性元件110和膜壳136的弹性形变响应性结合的情况下被衰减。

有利地，真空罐148在通过处于第二状态的电磁阀142连接至可调空气管道时向可调空气管道提供可靠且平稳的真空源，使得怠速空气腔室124内的空气被抽空并且使怠速隔膜126固定不动，如图2所示。另外，有利的是，单向止回阀150仅允许空气流(见箭头A)自真空腔室148朝发动机的进气口152流动。这一特征防止燃料蒸汽进入可调空气管道140和怠速空气腔室124，从而使怠速隔膜126保持与燃料蒸汽不接触。

图3中的算法200举例示出了如何对怠速惯性通道118进行共振调谐以提供动态刚度的第一怠速等级下降频率，并且其中怠速空气腔室124中的空气响应于怠速隔膜126的振动而以脉冲方式被推入可调空气管道140中，以及如何对可调空气管道140进行共振调谐以提供动态刚度的第二怠速等级下降频率。

首先，在方框202中，确定动态刚度的两个怠速等级下降频率，所述两个怠速等级下降频率在一次和二次发动机点火频率的不良振动阶次方面与特定发动机相关。

例如，如图4A所示，该图是根据本发明的液压支架的动态刚度与发动机振动频率的图表300，其中，曲线302在频率为50Hz时具有第一怠速等级下降304，并且在频率为100Hz时具有第二怠速等级下降306，第一怠速等级下降与一次发动机点火频率的第二阶次振动相关，第二怠速等级下降与二次发动机点火频率的第四阶次振动相关。关注的是，将这个图表与上文提及的现有技术的图4B的图表相比较，其中，下面的表格II提供了相应曲线的测试参数。表格II

附图	真空连接器尺寸，mm	怠速通道面积，mm²	怠速通道长度，mm	怠速隔膜的肖氏硬度A	管长度，mm	管直径，mm	怠速真空腔室容积，mm³
								4A	3.5	472	35	65	800	5.7	5121
4B	3.5	472	28	41	600	4.3	2222

在执行方框202时，对动态刚度的怠速等级下降频率的确定优选与发动机的怠速点火频率相匹配，从而使乘员能够感受到的机动车框架的振动最小化。

接下来，在方框204中，对怠速惯性通道118进行共振调谐以提供动态刚度的第一怠速等级下降频率。在这方面，怠速惯性通道相对于与其以振动方式相互作用的液压支架元件在尺寸上被进行调节(即横截面积和长度)，所述元件包括主弹性元件110、液压流体114、怠速流体腔室122、怠速隔膜126、怠速空气腔室124和可调空气管道140。例如，这部分共振调谐通常可以或多或少地根据现有技术中公知的方法来执行，诸如美国专利5215293所例举的方法。

然后，在方框206中，在考虑包括上文提及的振动式相互作用的怠速惯性通道的共振调谐的情况下，通过尺寸调节(即内部容积尺寸)对可调空气管道140进行共振调谐以提供动态刚度的第二怠速等级下降频率，这种调谐可包括共振领域公知的任何共振技术。

举例说明，动态刚度的第二怠速等级下降频率的频率例如基于可调空气管道140在通过处于第一状态的电磁阀通向大气时的声学共振的公知物理学特性、通过经验性测试或数学建模来进行共振调谐。

由于可调空气管道140的共振调谐此时可能改变在方框204处提供的怠速惯性通道118的共振调谐，因此在判定方框208处进行询问，通过调谐而得到的第一和第二怠速等级下降频率是否与在方框202中所确定的相同。如果询问的答案为是，那么该算法结束。然而，如果询问的答案为否，那么该算法返回到方框204处，直到通过调谐得到的怠速等级下降频率与在方框202中所确定的相同为止。

图5A至5C对照比较了现有技术的怠速等级下降液压支架共振调谐方法和本发明的方法，本发明的方法用于使分别与I4 IC发动机的第二和第四振动阶次402，404相关的一次和二次发动机点火频率最小化，其中，虚线表示向大气通风的怠速空气腔室，实线表示被抽空的怠速空气腔室。

在现有技术中，怠速下降的折衷兼顾按照下列方式进行。在图5A中，在第二振动阶次402的怠速等级下降A2处提供最小振幅导致在第四振动阶次404的怠速等级下降A4处振幅不期望地增大。如图5B所示，对二者的兼顾减小了第四振动阶次404的怠速等级下降A4’处的振幅，但是接着也减小了第二振动阶次402的怠速等级下降A2’处的振幅改善程度。这种兼顾是为了达到两个振动阶次的怠速振动的振幅减小，但是振动的振幅在第二振动阶次处仍旧是高的。结果，如图4B的304’代表性地示出的，现有技术的方法仅提供了动态刚度的单个怠速等级下降频率。

然而，如图5C所示，本发明有利地在第二振动阶次402的怠速等级下降A2”处和第四振动阶次404的怠速等级下降A4”处同时使振幅最小化。结果，如图4A的304、306代表性地示出的，本发明的方法提供了动态刚度的双怠速等级下降频率。

在图1所示的操作中，电磁阀142转换至第一状态，使得如图1所示，可调空气管道140通向大气，于是，不期望的一次和二次发动机点火频率的发动机振动(以及与它们相关的振动阶次)通过流过怠速惯性通道118的上部流体腔室112内的流体振荡(第一怠速等级下降)和流过可调管道140的空气振荡(第二怠速等级下降)的操作而隔离，所述流体振荡还响应性地与主弹性元件和怠速隔膜的弹性形变相结合而产生作用。

如图2所示的操作中，通过转换至第二状态的电磁阀142而将怠速空气腔室124抽空，在第二状态下，可调空气管道140经由真空罐148、单向阀150和发动机进气口152连接至发动机真空系统。此时，上部流体腔室112的流体振荡传播经过跳振惯性通道120并在响应性地结合主弹性元件和膜壳136的弹性形变的情况下而被衰减。

对于本领域技术人员来说，上述优选实施方式可以进行改型和变型。所述改型和变型可在不偏离本发明的范围的情况下进行实施，本发明的范围意在仅由所附权利要求的范围限定。

Claims

1.一种液压支架，包括：

主弹性元件；

上部流体腔室；

与所述上部流体腔室相邻的顶板；

形成在所述顶板中的怠速惯性通道，所述怠速惯性通道与所述上部流体腔室连通；

与所述上部流体腔室相对且与所述怠速惯性通道连通的怠速流体腔室；

与所述怠速流体腔室相邻的怠速隔膜；

填充到所述上部流体腔室、所述怠速惯性通道和所述怠速流体腔室中的液压流体；

与所述怠速流体腔室相对地设置且与所述怠速隔膜相邻的怠速空气腔室；和

与所述怠速空气腔室连通且包括可调空气管道的空气管道组件，其中，所述空气管道能够通过所述空气管道组件连接至大气；

在可调空气管道开向大气的情况下，怠速惯性通道被共振调谐，并与主弹性元件和怠速隔膜的弹性变形响应性结合，以提供动态刚度的第一怠速等级下降；并且在可调空气管道开向大气的情况下，可调空气管道被共振调谐，以提供第二怠速等级下降。

2.如权利要求1所述的液压支架，还包括：

形成在所述顶板中的跳振惯性通道，所述跳振惯性通道与所述上部流体腔室连通；

与所述上部流体腔室相对地设置且与所述跳振惯性通道连通的下部流体腔室，所述液压流体还填充到所述下部流体腔室和所述跳振惯性通道中；

与所述下部流体腔室相邻的膜壳；和

与所述下部流体腔室相对地设置且与所述膜壳相邻的下部空气腔室，其中，所述下部空气腔室通向大气。

3.如权利要求2所述液压支架，其中，所述空气管道组件还包括：

连接至所述可调空气管道的电磁阀；

连接至所述电磁阀的真空罐；和

介于所述真空罐和发动机进气口之间的连接部；

其中，所述电磁阀可在第一状态和第二状态之间转换，在第一状态中所述可调空气管道通向大气，在第二状态中所述可调空气管道连接至所述真空罐。

4.如权利要求3所述的液压支架，还包括设置在所述进气口和所述真空罐之间的单向止回阀，其中，所述单向止回阀允许空气自所述真空罐向所述进气口单向地流动。

5.一种为液压支架提供动态刚度的双怠速等级下降的方法，其中，该液压支架包括：主弹性元件；上部流体腔室；与所述上部流体腔室相邻的顶板；与所述上部流体腔室连通且形成在所述顶板中的怠速惯性通道；与所述上部流体腔室相对地设置且与所述怠速惯性通道连通的怠速流体腔室；与所述怠速流体腔室相邻的怠速隔膜；填充到所述上部流体腔室、所述怠速惯性通道和所述怠速流体腔室中的液压流体；与所述怠速流体腔室相对地设置且与所述怠速隔膜相邻的怠速空气腔室；和与所述怠速空气腔室连通且包括可调空气管道的空气管道组件，其中，所述空气管道能够通过所述空气管道组件连接至大气；所述方法包括以下步骤：

确定动态刚度的第一怠速等级下降频率；

确定动态刚度的第二怠速等级下降频率；

当可调空气管道开向大气时，对所述怠速惯性通道进行共振调谐，以提供所确定的液压支架的动态刚度的第一怠速等级下降；和

当可调空气管道开向大气时，对所述可调空气管道进行共振调谐，以提供所确定的液压支架的动态刚度的第二怠速等级下降。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述共振调谐的步骤还包括重复所述共振调谐的步骤，直到所述怠速惯性通道提供所确定的液压支架的动态刚度的第一怠速等级下降同时所述可调空气管道提供所确定的液压支架的动态刚度的第二怠速等级下降。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述共振调谐的步骤在响应性地结合所述主弹性元件和所述怠速隔膜的弹性变形的情况下被执行，同时所述可调空气管道通向大气。

8.如权利要求7所述的方法，其中，在所述确定步骤中，所述动态刚度的第一怠速等级下降频率和所述动态刚度的第二怠速等级下降频率分别是内燃发动机的一次和二次点火频率的振动阶次。