車(chē)內(nèi)聲學(xué)特性對(duì)車(chē)輛的舒適度產(chǎn)生顯著影響，噪音、振動(dòng)和機(jī)械沖擊會(huì)對(duì)行駛車(chē)輛中乘員的健康產(chǎn)生不利影響。人類(lèi)能在較高的頻率范圍內(nèi)感應(yīng)到振動(dòng)，在低頻（0.1至20Hz）能感覺(jué)到振動(dòng)而無(wú)法聽(tīng)到聲音；隨著頻率上升到約100 Hz，可以同時(shí)感覺(jué)到振動(dòng)和聽(tīng)到聲音；當(dāng)振動(dòng)頻率高達(dá)幾千赫茲時(shí)，人耳感受到的則是噪音。

諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、滾動(dòng)輪胎或風(fēng)噪（由車(chē)身及其附件引起的氣動(dòng)激勵(lì)）等振源均在乘客艙外部，為了優(yōu)化乘客體驗(yàn)的舒適度，需要對(duì)從外部激勵(lì)源到乘客身體和耳朵位置的傳遞路徑進(jìn)行詳細(xì)分析，以使車(chē)輛聲學(xué)工程師設(shè)計(jì)出合適的減振和隔振裝置。

圖1：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置高頻動(dòng)剛度測(cè)試臺(tái)架

大眾，德國(guó)沃爾夫斯堡

車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的主要任務(wù)是盡可能堅(jiān)固地支撐重量和驅(qū)動(dòng)反作用力，另外，為了達(dá)到車(chē)廂內(nèi)的最大舒適性，懸置還必須將發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與車(chē)身分離。因此，懸置的振動(dòng)傳遞特性和寬頻范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)剛度對(duì)車(chē)輛聲學(xué)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

目前德國(guó)m+p國(guó)際公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種全新的試驗(yàn)臺(tái)架來(lái)研究發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在高達(dá)2000Hz頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)剛度，臺(tái)架被允許在測(cè)試臺(tái)上模擬由重量或反作用力產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)載荷，并可以連續(xù)監(jiān)測(cè)其它參數(shù)，包括懸置溫度和橫向張力。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和車(chē)身懸置通?；旧鲜菑椥泽w-金屬?gòu)?fù)合材料，它們的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)傳遞特性不僅對(duì)駕駛動(dòng)力學(xué)特性和車(chē)輛安全性有直接的影響，亦對(duì)乘坐舒適度有直接的影響。傳遞行為主要由復(fù)合元件的幾何形狀和所使用的彈性體材料的物理性質(zhì)決定。彈性體特性，即剛度和衰減通常由整車(chē)技術(shù)的要求決定，但它們強(qiáng)烈依賴(lài)于負(fù)載類(lèi)型（預(yù)載荷，主應(yīng)力/剪切應(yīng)力）、振動(dòng)頻率及溫度，負(fù)載歷史（老化）和可能的過(guò)載或先前的損壞也可能對(duì)彈性體特性產(chǎn)生影響。

圖2:不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置

左圖為彈性體-金屬?gòu)?fù)合材料懸置，右圖為液壓懸置

彈性體的阻尼是影響傳遞特性的重要因素，隨著振動(dòng)速度的近乎線性增加，這種效應(yīng)被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)硬化”。因此，具有材料大阻尼值的彈性體不太適用于高頻工況下的的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置。

替代設(shè)計(jì)是液壓懸置，其中使用液壓元件（節(jié)流）實(shí)現(xiàn)低頻下的振動(dòng)衰減，阻尼效應(yīng)取決于振動(dòng)位移，因此其阻尼會(huì)隨著頻率的增加而減小，從而消除了動(dòng)態(tài)硬化效應(yīng)。液壓懸置還可實(shí)現(xiàn)頻率選擇性阻尼功能。

目前也發(fā)開(kāi)了其它懸置類(lèi)型，例如自適應(yīng)懸置，主動(dòng)懸置和主動(dòng)隔震阻尼器，以應(yīng)對(duì)來(lái)自新的驅(qū)動(dòng)概念（包括停缸技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)自啟停和混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)）不斷增長(zhǎng)的技術(shù)需求。

確定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置傳遞特性的最重要參數(shù)是動(dòng)剛度，這可以用符合VDA675480標(biāo)準(zhǔn)的合適試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估，以預(yù)定頻率的穩(wěn)態(tài)正弦位移信號(hào)激勵(lì)測(cè)試樣品，并測(cè)量相關(guān)的反作用力。力與位移推導(dǎo)出遲滯回線，從中可以為每個(gè)測(cè)試頻率確定剛度和阻尼。圖3說(shuō)明了測(cè)量和分析方法。

圖3：依據(jù)VDA675480標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試彈性體懸置

在測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)的正弦掃振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)量懸置振動(dòng)位移和反作用力隨時(shí)間的變化曲線，隨后用傅里葉分析確定懸置動(dòng)態(tài)剛度和相位角，這樣就可以在更短的時(shí)間、更寬的頻率范圍內(nèi)高效測(cè)量懸置動(dòng)態(tài)特性如：懸置動(dòng)剛度和隔離度等參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的典型動(dòng)剛度值為100-300N/mm。

進(jìn)一步可以考慮該懸置的的隔離度參數(shù)i：

這表明了采用大阻尼材料彈性體懸置的動(dòng)態(tài)硬化特性，一般未經(jīng)調(diào)校的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置典型的本征頻率位于10Hz附近，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，本征頻率恒定的懸置系統(tǒng)的隔離度幾乎以平方的速度上升至1。因此，隨著激勵(lì)頻率的增加，傳遞到車(chē)體的振動(dòng)將減少。然而，對(duì)于具有速度比例阻尼特性的彈性懸置，系統(tǒng)的本征頻率隨著速度增加而增加，因而其隔離度的增長(zhǎng)會(huì)比較緩慢：也就是說(shuō)高頻振動(dòng)的傳遞比例會(huì)越高，進(jìn)而進(jìn)入駕駛艙的高頻噪音更明顯。

用于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)懸置傳遞特性的測(cè)試臺(tái)架大體上設(shè)計(jì)原理相同，液壓作動(dòng)器安裝在封閉的負(fù)載框架中，使得測(cè)試部件的一側(cè)可以被動(dòng)態(tài)地加載（輸入），另一側(cè)動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)（輸出）產(chǎn)生的反作用力可由安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置響應(yīng)一側(cè)和負(fù)載之間的力傳感器測(cè)得。在測(cè)試期間，同時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)懸置輸入處的位移激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)懸置輸出端的反作用力，并使用上述公式得出動(dòng)態(tài)剛度和相位角。

圖4：液壓激勵(lì)系統(tǒng)中的傳動(dòng)懸置的動(dòng)剛度測(cè)量（垂直振動(dòng)方向等于車(chē)輛的橫向）

圖4顯示了使用液壓作動(dòng)器或液壓激勵(lì)器在懸置上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的布置，垂直振動(dòng)方向?qū)?yīng)于車(chē)輛橫向，用于檢查與橫向加速度有關(guān)的懸置傳遞特性。為了模擬實(shí)際工況，靜態(tài)支撐模擬Z向的懸置重量和車(chē)輛在x方向上的恒定加速度，根據(jù)用戶(hù)試驗(yàn)要求的不同，除了主激勵(lì)方向之外，還可以添加反向動(dòng)態(tài)載荷。為此在負(fù)載框架中安裝了額外的液壓激勵(lì)器，然而這個(gè)步驟大大降低了測(cè)試臺(tái)架的可用頻寬。

圖5：液壓懸置剛度測(cè)試系統(tǒng)的基本配置和機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)

圖4中，負(fù)載框架的實(shí)心柱是清晰可見(jiàn)的，這些支柱將液壓作動(dòng)器的下軛（固定的被測(cè)試裝置，DUT）和上軛架之間的力流關(guān)閉。這種基本配置如圖5所示，與機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)相當(dāng)，如果需要，可以反轉(zhuǎn)作動(dòng)器和力傳感器的位置。等效的機(jī)械彈簧質(zhì)量圖表明，除了試件的彈簧-質(zhì)量-阻尼器系統(tǒng)以外，測(cè)試臺(tái)也必須考慮為振動(dòng)系統(tǒng)。帶有液壓激勵(lì)器和力傳感器的負(fù)載框只能用于沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的頻率范圍內(nèi)，第一階剛體模態(tài)是微不足道的，因?yàn)樗ǔＴ诘皖l下是解耦的。

顯然，夾具的諧振質(zhì)量和位于激振器和力傳感器之間的懸置比例質(zhì)量可以引入自激振動(dòng)，從而影響測(cè)量結(jié)果的精密度，特別是在高頻范圍內(nèi)剛度耦合的情況下。液壓彈性懸置測(cè)試臺(tái)理論上可以在高達(dá)約1000Hz的頻率范圍內(nèi)使用，但在此高頻下實(shí)現(xiàn)的位移振幅僅為約0.05mm，由于在測(cè)試臺(tái)架中要避免共振非常困難，所以在較高的工作頻率下的懸置動(dòng)剛度測(cè)試不能采用液壓激勵(lì)方式。

高頻噪音是影響車(chē)內(nèi)乘客聲學(xué)舒適度的重要因素，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)是這種噪音的主要激勵(lì)源。具有渦輪增壓器，可變閥控制器，驅(qū)動(dòng)鏈和平衡軸的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)及新能源汽車(chē)的發(fā)展使得研究高頻振動(dòng)傳遞到車(chē)身的問(wèn)題上變得越來(lái)越重要。通常，聲學(xué)工程師只是在推出新車(chē)型之前才面對(duì)這些問(wèn)題，但是現(xiàn)在需要在新車(chē)型開(kāi)發(fā)早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)就提出節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用的解決方案。

德國(guó)沃爾夫斯堡大眾汽車(chē)公司（Volkswagen AG）委托德國(guó)m+p國(guó)際公司開(kāi)發(fā)出了一種高頻試驗(yàn)臺(tái)，用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的振動(dòng)傳遞特性，頻率高達(dá)2000Hz，而液壓激振器無(wú)法在此頻率下工作，因此采用電動(dòng)激振器。在圖6中，左圖是試驗(yàn)臺(tái)的基本配置，激振器通過(guò)隔振器懸掛在焊接的機(jī)架中，機(jī)架的側(cè)板支撐一個(gè)500kg質(zhì)量的慣性質(zhì)量。試驗(yàn)件使用特殊的夾具固定在激振器的銜鐵上，上端夾具與預(yù)載質(zhì)量塊之間為高剛度的三軸向力傳感器，慣性質(zhì)量由空氣彈簧輕柔地支撐。因此，在頻率高于25Hz的測(cè)試中，由被試件、空氣彈簧和慣性質(zhì)量組成的系統(tǒng)已經(jīng)處于其低頻臨界范圍外。

在超臨界范圍外，輕輕地安裝在垂直方向的慣性質(zhì)量承載著試樣的動(dòng)態(tài)反作用力，不會(huì)在測(cè)試框架中引入任何振動(dòng)，因此機(jī)架的本征頻率不會(huì)被激發(fā)，這是進(jìn)行高頻動(dòng)剛度測(cè)試的重要先決條件。

如前所述，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的動(dòng)態(tài)特性高度依賴(lài)于諸如預(yù)載荷或溫度等參數(shù)，高頻試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)控制支撐慣性質(zhì)量塊的空氣彈簧座與激振臺(tái)預(yù)載荷補(bǔ)償?shù)目諝鈴椈勺g的壓力差來(lái)完美的實(shí)現(xiàn)預(yù)加載，降低壓力差會(huì)增加預(yù)載荷，而增加壓力差會(huì)降低預(yù)載荷。在測(cè)試操作期間，靜態(tài)預(yù)載荷被連續(xù)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)控制，以保持所需的值，根據(jù)慣性質(zhì)量的大小，上述臺(tái)架可以產(chǎn)生高達(dá)5kN的預(yù)載荷。

圖6：高頻試驗(yàn)臺(tái)（左）和預(yù)載荷控制的質(zhì)量的基本配置（右）

試樣上的動(dòng)態(tài)反作用力通過(guò)上端剛性?shī)A具和（同樣剛度）力測(cè)量傳感器直接連接到慣性質(zhì)量，這種方法有可能使慣性質(zhì)量激發(fā)到彈性振動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，我們對(duì)慣性質(zhì)量塊的固有共振特性進(jìn)行了分析測(cè)試，研究彈性彎曲，扭轉(zhuǎn)和縱向振動(dòng)以及慣性質(zhì)量相對(duì)于板簧元件（沿徑向工作的）的剛體振動(dòng)。圖7顯示了頻率盡可能接近測(cè)試范圍的振動(dòng)模態(tài)，左邊的圖像顯示了3.5Hz特征頻率的剛體傾斜振蕩，并且所有發(fā)現(xiàn)的剛體模態(tài)頻率都低于15Hz，扭轉(zhuǎn)模態(tài)（如右圖所示）具有3500Hz的本征頻率，慣性質(zhì)量的所有彈性本征頻率都高于2500Hz。

剛體傾斜運(yùn)動(dòng)共振頻率約3.5Hz   扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)頻率約3500Hz

所有剛體模態(tài)頻率<15Hz   所有結(jié)構(gòu)模態(tài)> 2500Hz

 圖7：慣性質(zhì)量振動(dòng)模態(tài) 

上述研究的結(jié)果證實(shí)了高頻試驗(yàn)臺(tái)選擇的思路，測(cè)試臺(tái)架在整個(gè)頻率范圍內(nèi)滿(mǎn)足高精度要求，對(duì)加速度，速度和位移的相關(guān)性如圖8所示，即振動(dòng)列線圖。在85至1577Hz的頻率范圍內(nèi)，使用較低的位移范圍值（0.001mm）進(jìn)行測(cè)試，加速度從85Hz的0.03g增加到1577Hz時(shí)的最大加速度10g。除此之外，頻率在恒定加速度下增加，這導(dǎo)致在2000Hz下0.62微米的位移減小，在10g的加速度限制下，動(dòng)力矢量（正弦激勵(lì)）約為5kN。

在最大加速度為40g的另一測(cè)試工況下，動(dòng)力矢量為20kN。

圖8：5kN/mm安裝剛度的高頻試驗(yàn)臺(tái)架的振動(dòng)列線圖，

25 kg的移動(dòng)質(zhì)量，正弦激勵(lì)

在85-2000Hz的頻率范圍內(nèi)，最高和最低加速度的比率為355，為了滿(mǎn)足振蕩幅度的要求精度，在低頻時(shí)振動(dòng)是位移控制的；在大約500Hz以上的頻率（以0.001mm位移的1g加速度），加速度被用作控制參數(shù)，在自動(dòng)測(cè)試操作期間，使用m+p VibControl系統(tǒng)執(zhí)行振動(dòng)控制和測(cè)量數(shù)據(jù)采集和分析。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，復(fù)合材料懸置的高頻動(dòng)態(tài)特性研究已成為大眾汽車(chē)公司研究車(chē)輛聲學(xué)特性的重要工具。隨著知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的獲取，盡管沒(méi)有預(yù)先優(yōu)化的原型車(chē)可用，但是一些零件已可在開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行修改，圖9顯示了三個(gè)幾何尺寸相同的液壓阻尼發(fā)動(dòng)機(jī)懸架的動(dòng)剛度曲線，三個(gè)懸置在500Hz頻率以下的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)剛度相同，但在較高頻率下，其動(dòng)剛度存在顯著差異。很明顯，這些差異顯著影響車(chē)體的振動(dòng)傳播。

圖9：頻率范圍達(dá)到2000 Hz的三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的動(dòng)剛度測(cè)試曲線

進(jìn)一步的研究表明，液壓懸置膜的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在高于500Hz的高頻范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)剛度，圖10提供了優(yōu)化件和標(biāo)準(zhǔn)件之間的動(dòng)態(tài)剛度特性比較曲線。

圖10：標(biāo)準(zhǔn)懸置件和優(yōu)化懸置件之間動(dòng)剛度的差異

圖11中顯示了車(chē)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置前后2個(gè)測(cè)量點(diǎn)加速度值，標(biāo)準(zhǔn)件和優(yōu)化件的加速度并排顯示，上面的圖像顯示了懸置前方測(cè)點(diǎn)加速度，下圖顯示了懸置后方測(cè)點(diǎn)加速度，右下方面板顏色顯示了優(yōu)化懸置基點(diǎn)加速度水平的降低。這顯示加速度的降低與車(chē)輛內(nèi)部的聲品質(zhì)顯著提高有極大關(guān)系。

圖11：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置前后的加速度

左：原標(biāo)準(zhǔn)懸置  右：優(yōu)化懸置