车用硅油扭振减振器技术综述

贺燕萍

（国家知识产权局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

引言

自曲轴扭转振动减振器发明以来,其技术和质量得到不断提升,现已成为汽车发动机上的必备装置,并有效地提高了发动机的工作可靠性和使用寿命。虽然，橡胶减振器是汽车发动机曲轴上最早使用的一类扭转减振器，它具有重量轻、结构简单、成本低等特点，但是，橡胶减振器总成的橡胶层既有弹性又有阻尼，其结构简单，成本低；而且因阻尼较小，一般不能满足最佳参数匹配的要求；此外，橡胶的弹性和阻尼随温度变化较大，故其性能不稳定。另外，随着汽车发展的小型化和高速化,受到橡胶低阻尼的限制及橡胶散热差、易出现炭化等现象,橡胶减振器逐渐被具有较高黏性阻尼的硅油扭振减振器及其他结构的减振器所替代。硅油扭振减振器由于具有阻尼大、结构简单、制造容易、性能稳定等特点,使用范围越来越广。研究、开发先进的硅油扭振减振器,使其更有效地抑制曲轴扭转振动,是发动机设计和技术创新的一项重要研究课题，故本文将就国内外对硅油扭振减振器的专利申请状况进行技术综述分析，以希对上述重要研究课题贡献绵薄之力。

一、车用硅油扭振减振器简介及技术分解

（一）车用硅油扭振减振器简介

硅油扭振减振器由壳体、惯性圆盘和起轴承作用的减磨衬套等组成。惯性圆盘装在壳体内,可绕光滑耐磨的减磨衬套自由转动。惯性圆盘与壳体间有一定的间隙,间隙内充满硅油。硅油扭振减振器的壳体固联在曲轴前端,与曲轴系统一起运动。当曲轴系统发生扭振时,由于惯性圆盘转动惯量较大,它的运动总是滞后于壳体的运动,此时间隙中硅油的黏性阻尼就会消耗振动能量,从而达到减弱曲轴系统扭转振动的目的。

（二）车用硅油扭振减振器技术分解

本小节的技术分解是对于所分析的硅油扭振减振器该技术领域做进一步的细化和分类，对于行业状况、检索专利信息以及检索结果处理都具有非常重要的意义，有助于了解行业整体情况以及选取研究重点。在对检索得到的样本进行分析提炼的基础上，对硅油扭振减振器该技术领域进行技术分解，一级分支分为单级减振与复合减振。

硅油扭振减振器由于具有阻尼大、结构简单、制造容易、性能稳定等特点,使用范围越来越广，因此，硅油扭振减振器取代传统橡胶减振器作为单级减振器也得到了广泛使用，其中，硅油扭振减振器的组成部件的具体结构性能，如惯性环、壳体的结构尺寸、硅油或其他阻尼液的使用等皆会直接或间接影响减振器的惯量、扭转刚度及阻尼，从而对减振效果产生影响，因此，自硅油扭振减振器问世以来，国内外申请人分别就其组成部件进行改进并申请专利。因此，在单级减振该一级分支的基础上，二级分支主要从其组成部件进行分类，具体分为：惯性环、壳体、硅油以及其他。

此外，随着对车用减振器的研究和发展，也有申请人结合硅油扭振减振器与其他类型减振器的特点，进行优势互补，设计出硅油复合减振器进行复合减振，例如硅油-橡胶复合减振器、硅油-离心力摆复合减振器等。鉴于复合减振该一级分支的减振器类型纷杂，故在该一级分支下不另设二级分支进行分析。

二、车用硅油扭振减振器总体申请状况

（一）逐年申请量分析

根据专利申请年份对全球申请量进行的趋势分析统计，主要分为两个时期。

1.第一时期（1911-1994 年）

第一时期从英国工程师Frederick W.Lanchester 于1911 年就硅油扭振减振器申请第一份专利开始，之后硅油扭振减振器的技术发展经历萌芽期（1911-1940 年）、稳定发展期（1941-1958 年）、快速发展期（1959-1990 年）以及成熟期（1991-1994 年）之后已发展成熟，申请量也相应达到最大。在此期间，人们就硅油扭振减振器的各个组成部件进行了深入研究改进，并且结合计算控制手段对其振动性能进行了相应模拟实验和试验研究，具体地可参见下述对各个技术分支的申请状况分析。

2.第二时期（1995 年之后）

在上述第一时期期间，国内并没有关于硅油扭振减振器的进行过专利申请，直到20 世纪80 年代，因为引进国外康明斯等企业的硅油扭振减振器的需要，国内才开始进行硅油扭振减振器的研究，并陆续开始申请专利，也是在该时期，德国HASSE &WREDE 公司以及日本丰田等公司开始在中国提交PCT 申请进行专利布局，此外，随着新型阻尼液材料如磁流变液、电流变液等在减振器领域的应用以及自动化手段的进度，人们开始采用磁流变液或电流变液取代硅油或掺杂硅油并结合测试控制手段在传统硅油扭振减振器基础上进行改进，因此，在经历短暂的申请量回落之后，硅油扭振减振器的申请量在1995 年之后又开始进入一个新的发展时期。

（二）申请国别分析

自硅油扭振减振器问世以来，因其优良的减振性能而受到各个汽车相关企业的青睐。日本汽车工业发展比较早而且百花齐放，一直处于较为领先的水平，其对于减振器的研究成果也比较多，在国际上其专利申请量占比为38%，位列第一；至于国内申请，其占比位列第二，主要是因为在硅油扭振减振器发展的第二时期的集中爆发式申请的缘故，而且申请类型以实用新型居多；此外，汽车行业发展比较繁荣的德国，其申请量占比为14%，位列第三；紧随其后的为美国和英国，申请量占比分别为9%和7%。

（三）申请人分析

硅油扭振减振器全球专利排名前十的重要申请人分别为：三菱MITSUBISHI、HASSE &WREDE、HOUDAILLE、TOYOTA、宁波赛德森减振系统有限公司、HOLSET、CATERPILLAR、江苏宏丰奥凯机电有限公司、现代HYUNDAI、NOK 株式会社。

三、车用硅油扭振减振器技术分支申请状况

（一）一级分支专利申请概述

一级分支专利申请量对比可知，关于硅油扭振减振器的研究重点还是集中在单级减振改进上，其申请量是复合减震的八倍以上，而由于各种类型减振器的结构上的差异，要将其他类型的减振器与硅油减振进行复合减振获得良好减振性能，需要克服的技术障碍比较多，因此，关于复合减振的研究不够深入，其中最常见的还是前述硅油-橡胶复合减振器。因此，下述章节将重点对单级减振下属各二级分支的申请情况进行分析。

（二）二级分支专利申请概述

各二级技术分支申请量对比结果可知，虽然，针对硅油扭振减振器的各个组成部件皆有专利申请，但是侧重点还是在其惯性环的改进方面，其专利申请量占比达到了63%。因为硅油扭振减振器的减振基础即是其惯性环和壳体的相对运动，作为核心部件，惯性环的外径、内径、宽度等各种因素的变化皆直接或间接影响减振器的减振性能。其次，壳体的申请量高达31%，位居第二。

1.惯性环二级分支

最早由英国工程师Frederick W.Lanchester 于1911 年就硅油扭振减振器申请专利之后，研究者们相继开始就硅油扭振减振器的惯性环的改进设计，由此，从1911 年起，一直到1989 年，专利申请一直呈上升趋势，至1989年达到顶峰；在此期间，就惯性环的结构、外形等进行了全面改进并相应进行了专利申请，导致1990 年起很长一段时间内，关于惯性环的技术研发遇到瓶颈期，专利申请量也相应减少；之后，随着国内引进康明斯等国外企业产品的需要，20 世纪80 年代开始，国内企业院校陆续开始对硅油扭振减振器进行投入研究，并相应申请发明专利和实用新型，其中以实用新型申请居多。

2.壳体二级分支

虽然，已于1911 年进行硅油扭振减振器的相关申请，但是于1947 年才开始致力于壳体上的改进，进一步地，在硅油扭振减振器工作过程中，是依靠硅油阻尼把振动能量转化为热能的，在此过程中，为保证减振器的正常工作，硅油温度不能过高，设计时应考虑减振器的散热能力，在此基础上，Brush Electrical Machines 公司首先于1948 对壳体进行改进并申请专利，在其专利中，通过在壳体上设置各种形状的散热片以帮助将传导到壳体上的热量通过空气对流散发出去；在之后的很长一段时间内，关于壳体的专利申请数量都仅维持在个位数，而且基本上也都是关于壳体散热片的改进；直到2000 年以后，国内企业开始进行专利申请，关于壳体的申请量才于2009 年开始突破两位数，但是，同惯性环的专利申请情况一样，也是以实用新型居多，而且改进点还是局限在壳体散热功能。

3.硅油二级分支

硅油作为硅油扭振减振器的减振阻尼介质，人们对它的力学特性的认识和理解依然很粗略，据此，针对硅油改进的专利申请量很小，而研究硅油的力学性能，关键是确定流变参数和建立本构方程，因此，关于硅油的研究还都是集中在理论研究层面。1970 年，HOLSET 公司通过在硅油中添加1-4wt%的β-SiC 纤维对硅油力学性能进行改进，能够抵抗壳体和惯性环相对运动产生的剪切和弹性力；之后，随着一些新兴材料在减振器领域的运用，人们开始尝试采用磁流变液取代来改善硅油扭振减振器的减振性能，采用磁流变液取代硅油的专利申请，首先由FACET ENTERPRISES 公司于1977 年提出；之后每年一件的专利申请也是致力于磁流变液作为硅油扭振减振器阻尼液方面的改进；至1998 年，日本NOK 株式会社提出了两篇专利申请，其中一篇转换思维，采用磁流变液掺杂到硅油中，并配合设置在壳体腔室内的磁体来改善硅油扭振减振器的减振性能；进一步随着电流变液在减振器上的应用，由天津大学于2014 年提出一篇采用电流变液取代硅油作为阻尼液，并相应配合设置在惯性环上的导电线圈实现硅油扭振减振器减振性能的改善。

4.其他二级分支

“其他二级分支”在本文中自定义为除惯性环、壳体和硅油之外的与硅油扭振减振器其他方面相关的专利申请，主要涉及的是计算、测试、监控等控制方面的专利。19 世纪末到20 世纪初，随着各种断轴事故的分析报告及有关文章逐渐出现，对于轴系扭转震动的研究也逐渐深入。在1916 年德国盖格尔发表了机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振动的文章后，扭转振动的研究开始了实验和试验阶段，在此基础上，人们也开始就自己的研究成果进行专利申请，并于1934 年由申请人PARCIVAL THEGE EDVIN OSSIAN 提出了一份涉及计算模型的专利申请，到20 世纪50 年代末，扭转振动的研究逐渐成熟，三菱公司于1986 年提出三份专利申请，在其专利申请中，皆是通过设计计算模型确定惯性环和壳体之间间隙的经验公式，在此基础上设计出小尺寸轻质硅油扭振减振器；之后，人们的研究方向开始由计算模型的研究方向转向硅油扭振减振器的测试和监测方面，德国HASSE&WREDE 公司于2008 年提出专利申请，通过在惯性环上设置温度传感器以对硅油扭振减振器进行实时测试和控制。