汽車懸架減振器換向沖擊研究綜述

閆丹丹，王天利

(遼寧工業大學，遼寧錦州 121000)

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汽車懸架減振器換向沖擊研究綜述

閆丹丹，王天利

(遼寧工業大學，遼寧錦州 121000)

主要研究減振器換向沖擊機制，綜述減振器換向沖擊的研究方法。在此基礎上，對減振器換向沖擊造成的危害進行分析總結，并提出改進措施。

減振器； 換向沖擊 ；異響

0 引言

近年來，隨著人們對汽車性能要求的不斷提高，對減振器的性能要求也在逐漸提高。減振器在換向過程中產生的沖擊既影響懸架系統的穩定性和可靠性，又降低了減振器的工作性能和壽命。文中將著重討論減振器換向沖擊的機制以及換向沖擊所造成的危害，這對今后研究減振器異響、噪聲、振動等問題具有重要意義。

1 減振器換向過程中產生沖擊的原理

由減振器工作過程可知，減振器工作行程由兩部分組成，即壓縮行程和拉伸(或復原，或伸張)行程，因此必然存在兩個行程的轉換。在轉換時刻活塞桿上部有明顯增大的沖擊信號，即換向沖擊，所以減振器換向沖擊分為兩類，分別為壓縮行程結束拉伸行程開始階段和拉伸行程結束壓縮行程開始階段即壓拉轉換和拉壓轉換。由減振器工作原理可知，雙筒液壓減振器主要由活塞桿導向結構、活塞、底閥以及工作缸和儲油缸組成，并以活塞、底閥為界面分成不同的工作腔，即活塞上腔P1、活塞下腔P2、儲油腔P3，如圖1所示。

1.1 壓拉轉換

減振器的工作過程分為壓縮行程和拉伸行程。壓縮行程結束拉伸行程開始時刻即進行壓拉轉換，如圖1(b)所示。此時，減振器的活塞位于缸體的底部開始向上移動。在此換向過程中：

(1)阻尼力方向。活塞桿受到的阻尼力的方向由上轉換為下，缸體受到的阻尼力的方向由下轉換為上；

(2)油液流向。下腔的油液流向上腔和儲油腔轉換為上腔和儲油腔的油液流向下腔；

(3)三腔的壓力關系：由p2>p3、p2>p1轉換p1>p3、p3>p2。

圖1 減振器換向工作原理簡圖

1.2 拉壓轉換

同理，減振器在換向沖擊過程中，拉伸行程向壓縮行程轉換時刻即拉壓轉換如圖1(c)所示，在拉壓轉換中：

(1)阻尼力方向。活塞桿受到的阻尼力的方向由下轉換為上，缸體受到的阻尼力的方向由上轉換為下；

(2)油液流向。活塞上腔和儲油腔油液流向活塞下腔轉換為下腔的油液流向上腔和儲油腔；

(3)三腔的壓力關系：由p1>p3，p3>p2轉換為p2>p3，p2>p1。

減振器換向沖擊過程時間短、加速度大小及方向都發生突變。壓拉轉換時，工作缸中的油液的流速突變，流通閥也立刻關閉，油液的流速也將立刻減小為零。在這一瞬間，所有的油液動能全部轉換為壓力能，使油液壓力升高，形成液壓沖擊。從能量的角度來看，換向沖擊的本質就是將動能轉化為液壓能。

2 減振器換向沖擊的原因

減振器活塞桿在正常工況下應力非常低，不易引起疲勞斷裂。而減振器在高速換向沖擊過程中，沖擊作用往往時間短、加速度大，易造成活塞桿沖擊疲勞損傷，甚至斷裂等。引起減振器換向沖擊的原因:

(1)液壓沖擊

當油液在缸體內部流動時，在拉壓轉換或者壓拉轉換中閥門會驟然關閉，油液的流速也將驟然降低為零，生成液壓沖擊。

(2)質量慣性沖擊

減振器換向沖擊過程中，減振器活塞桿總成相對減振器缸體總成換向沖擊速度極快，活塞、閥體等運動部件的慣性力也是形成沖擊的原因之一。

(3)摩擦沖擊

減振器換向沖擊過程中，缸體內部油液之間的摩擦及油液與缸體的摩擦及部件之間的摩擦也會引起沖擊、振動等。基于流體阻力的減振器，機械摩擦阻力是很小的。

3 減振器換向沖擊研究方法

通過閱讀關于減振器換向沖擊方面的文章，發現國內外的學者在研究減振器換向沖擊過程中基本采用實驗分析方法和理論建模仿真方法。其中實驗分析方法常常以減振器活塞桿頭為研究對象，進行實驗分析，而在理論建模分析中，多以建立減振器動力學模型、流體力學模型、數學模型等，并結合MATLAB/Simulink、ANSYS、DYTRAN等仿真平臺為手段，進行求解仿真，得出結果。

3.1 研究減振器換向沖擊的實驗分析

3.1.1 減振器活塞桿加速度試驗研究

張亞東等[1]采用美國MTS公司生產的減振器測試臺作為激勵，使用IEPE壓電式加速度傳感器進行測試，同時采用LabVIEW構建信號采集系統,并在時域內進行分析，得出換向過程減振器活塞桿加速度信號，如圖2所示。由余弦激勵下的減振器時域信號圖可知：與正常減振器時域信號圖相比，異響減振器在換向沖擊時刻，活塞桿上部有明顯增大的沖擊信號。

圖2 10 Hz/10 mm余弦激勵下減振器時域信號圖

3.1.2 減振器異響的臺架試驗分析

宋睿[2]通過觀察減振器臺架試驗中活塞桿桿端軸向振動加速時域信號，發現減振器在壓縮行程結束、復原行程剛剛開始之后，活塞桿軸向出現一個衰減波形，如圖3所示。A_Piston_Rob為活塞桿桿端加速度信號，A_Bottom為減振器缸筒下端激勵信號的加速度信號，這種形狀的波形是無論嚴重異響減振器、輕微異響減振器還是無異響減振器都普遍存在的。根據波

形的時間來計算波形的頻率，發現此波形的頻率與減振器異常活塞桿軸向加速度頻率非常接近。得出減振器壓縮行程結束、復原行程剛剛開始之后，產生了內部沖擊，激發了減振器內部結構的模態，而沖擊較強時，使活塞桿的振動強烈。證明減振器的異響與減振器活塞桿軸向振動285 Hz左右峰值有關。說明減振器在換向沖擊過程中會引起減振器異響。

圖3 減振器活塞桿桿端軸向加速度時域信號

3.2 減振器換向沖擊的理論建模分析

3.2.1 非線性動力學模型的建立

張亞東等[1]建立了基于Bouc-Wen模型的減振器模型(如圖4所示)，并得出相對應的動力學方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

x0=0.01cos(2π·10t)

(5)

該動力學方程采用龍格-庫塔法，利用MATLAB/Simulink編制程序對方程進行求解。明確各參數對阻尼力的影響，驗證了減振器活塞桿上部有明顯的換向沖擊，得出減振器塞桿的垂向加速度可為檢測和判別減振器異響提供參考。

圖4 基于 Bouc-Wen模型的減振器模型

3.2.2 減振器沖擊響應有限元分析

吳英龍等[3]建立了流固耦合沖擊響應有限元系統，開展了減振器沖擊響應及破壞的仿真研究，如圖5所示。首先建立顯式流固耦合計算理論模型，在此基礎上對模型進行簡化和修正，并且分析模型的計算參數，對沖擊下減振器流場進行仿真，獲得活塞桿頂端沖擊的相對速度信號。通過DYTRAN仿真分析了活塞桿在流場壓強、活塞桿上端速度激勵、側向力下的響應，獲得了減振器沖擊阻尼力歷程曲線。并對其進行了二次擬合，認為在沖擊載荷下，減振器的阻尼力上升更快、波動更劇烈、最大值也更大，活塞桿在沖擊載荷下的最大應力為 96.4MPa，具有較好的抗沖擊疲勞斷裂能力。

圖5 減振器沖擊阻尼力歷程曲線

3.2.3 減振器工作過程的動力學微分方程

舒紅宇等[4]根據實驗結果得出異響減振器活塞桿頭加速度的衰減波形，認為其異響信號與減振器在換向過程中產生的沖擊有關。在研究中，將減振器的工作過程進行細微劃分，對活塞與油液的間隙碰撞、活塞與缸筒的靜動摩擦力交變和閥片與活塞的黏附作用造成對減振器活塞沖擊的具體過程進行力學分析，建立相應的微分方程并且用MATLAB軟件進仿真計算，仿真計算得到的減振器在換向沖擊過程中3種沖擊原因共同作用的活塞桿頭加速度時域波形如圖6所示，與臺架實驗結果得出的波形基本一致。由此證明，減振器在換向過程中會產生沖擊，沖擊會導致活塞桿頭的振動，從而導致減振器的結構異響。

圖6 3種沖擊原因共同作用下減振器活塞桿頭加速度衰減信號

4 減振器換向沖擊造成的危害及改進措施

4.1 減振器換向沖擊造成的危害

減振器換向沖擊過程中造成的危害嚴重，應找到應對措施，減小換向沖擊造成的危害。

(1)減振器換向沖擊引起的振動等直接影響懸架系統的工作穩定性和可靠性。

(2)引起連接件的松動。

(3)減振器換向沖擊力大，容易引起系統漏油。

(4)降低閥體及運動部件的壽命。

(5)引起噪聲和異響。汽車在行駛過程中，由于活塞伸張與壓縮往復運動，減振器缸體內部的油液不斷地進行重復溶解和釋放的循環過程。一旦遇到腔體內壓力在急劇增加后又突然減小，并且又不斷增加的情況，在減振器換向沖擊過程中的氣泡就會從油液中急速釋放，形成噪聲。

4.2 減小換向沖擊的措施

(1)限制閥體流速和運動部件的速度。

(2)通過改進閥體結構，使閥體換向時逐漸改變，減小換向過程中的沖擊。

(3)適當延長閥門關閉的時間。

(4)適當增大閥體的孔隙，使流速量增加，流速減小，缸體內油液壓力減小。

(5)可以安裝緩沖回路。設置合適的蓄能器、安全閥等緩沖附件。當閥體產生激烈的沖擊時，流通閥、壓縮閥、伸張閥、補償閥快速開啟，消除較高的壓力峰值。

5 結束語

減振器產生換向沖擊的原因復雜多樣，造成的危害無法完全消除和避免，因此必須正確認識和把握減振器產生換向沖擊的原因和造成的后果，并在今后的工作中著重研究減少減振器換向過程中產生的沖擊，降低危害，提高減振器的工作可靠性。

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大陸集團大力改進供油管理解決方案

國際科技公司大陸集團近日舉辦慶典慶祝中國供油及后處理管理事業部蕪湖工廠供油模塊產量創歷史紀錄，達3 000萬臺，同時在中國推出了CEMA(模塊化高性價比方案)平臺。

本土生產能力強，供應鏈短

自1999年大陸集團在中國蕪湖工廠開始生產供油模塊至今，其產量已達3 000萬臺，供貨范圍涵蓋中國市場各類客戶。這里主要生產供油模塊、電動燃油泵、燃油電子控制模塊，油位傳感器及后處理產品等，服務對象不僅針對中國客戶，也針對其他亞洲客戶。

燃油管理業務在中國進展非常順利。從1999年啟用新生產線以來，大陸集團在先進生產技術、生產與測試設備、試車改進以及員工專向培訓等方面的強大實力不斷得以證明。

新生產線和新平臺面世

此外，供油及后處理管理業務單元中國團隊還專門針對中國整車制造商成功量身打造了一個高性價比模塊化的CEMA 平臺，該平臺以高效理念為依托，整合了油泵、調壓閥、油位傳感器與過濾器等，核心零部件實現模塊化整合后可靈活應對中國各大汽車廠商的不同需求。大陸集團于2016年 7月在蕪湖建成并啟用了全新的供油模塊生產線，該生產線專為高性價比模塊化平臺而設計，并將服務于中國各大知名自主品牌整車制造商。供油及后處理管理業務單元擁有一支扎根中國的實力強大的開發設計團隊，可為中國國內整車制造商提供全面的技術支持與幫助。

(來源：大陸集團)

Research Summarization of Reversing Impact for Automobile Suspension Shock Absorber

YAN Dandan,WANG Tianli

(Liaoning University of Technology,Jinzhou Liaoning 121000,China)

The reversing impact mechanism and the research methods for shock absorber were summarized. On this basis, the detriment of reversing impact of shock absorber was analyzed and summarized. In the end, some modified measures were presented.

Shock absorber ; Reversing impact; Abnormal sound

2016-08-01

閆丹丹(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為車輛現代檢測技術。E-mail：1937953038@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.022

U463.33+5.1

A

1674-1986(2016)10-087-04