某車(chē)型后減振器滲油分析與優(yōu)化

張澤，許陽(yáng)釗

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

減振器是車(chē)輛必不可少的部件，它能夠吸收和緩沖車(chē)輛行駛過(guò)程中路面?zhèn)鬟f過(guò)來(lái)的各種振動(dòng)和沖擊，避免發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)傾及俯仰，提高車(chē)輛的行駛平順性和操控穩(wěn)定性[1]。減振器的失效模式主要包括油液泄漏和異響兩大類(lèi)，這也是每個(gè)主機(jī)廠在減振器開(kāi)發(fā)和售后市場(chǎng)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。減振器油液泄漏主要體現(xiàn)為漏油和滲油兩種形式。漏油直接影響減振器的耐久壽命，大量的油液泄漏會(huì)造成減振器阻尼力大幅度減小，不能為車(chē)身提供良好的支撐，容易導(dǎo)致車(chē)輛失穩(wěn)，對(duì)整車(chē)舒適性、穩(wěn)定性及操控性產(chǎn)生極大的影響，甚至影響行車(chē)安全[2]。滲油主要由高溫油分子氣化后冷凝附著引起[3]，其表現(xiàn)形式與漏油類(lèi)似，只是滲漏出來(lái)的減振器油量多少不同，因此無(wú)論在整車(chē)減振器開(kāi)發(fā)過(guò)程還是售后市場(chǎng)中，經(jīng)常出現(xiàn)把滲油誤判為漏油的情況。

北方地區(qū)尤其是東北地區(qū)冬季氣溫低，減振器漏油、滲油問(wèn)題更為多發(fā)。本文作者以某車(chē)型的后減振器滲油為研究對(duì)象，針對(duì)該車(chē)型在寒區(qū)適應(yīng)性試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的后減振器滲油問(wèn)題，通過(guò)一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證確定減振器滲油原因，然后通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及改善樣件驗(yàn)證等步驟，最終解決了該減振器滲油問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

為驗(yàn)證整車(chē)零部件的低溫性能，某車(chē)型進(jìn)行了整車(chē)寒區(qū)適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)后減振器儲(chǔ)油缸筒壁有油跡附著，疑似減振器漏油，如圖1所示。

圖1 后減振器“漏油”圖

2 原因分析

2.1 外觀確認(rèn)

目測(cè)觀察減振器故障件，上安裝支座、緩沖塊、防塵罩等外圍件完好無(wú)破損，僅減振器儲(chǔ)油缸筒壁附著小面積油漬。

將減振器豎立放置，用手按壓減振器至最小長(zhǎng)度，手感平滑，釋放后減振器能平緩反彈至最大長(zhǎng)度，初步判斷減振器輕微滲油且氣體反彈力基本正常。

2.2 阻尼力及示功測(cè)試

對(duì)減振器故障件進(jìn)行阻尼力測(cè)試，阻尼力基本無(wú)衰減，滿足設(shè)計(jì)要求，示功圖形豐滿、圓滑且沒(méi)有空程、畸形等缺陷，氣體反彈力和摩擦力也符合設(shè)計(jì)要求，如圖2所示。

圖2 減振器故障件阻尼力及示功測(cè)試結(jié)果

2.3 臺(tái)架往復(fù)振動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)減振器故障件進(jìn)行臺(tái)架往復(fù)振動(dòng)測(cè)試，通過(guò)短時(shí)耐久試驗(yàn)、速率比振動(dòng)試驗(yàn)、高溫失重試驗(yàn)和低溫冷凍試驗(yàn)等測(cè)試，減振器故障件密封性能基本正常，其油液泄漏量與新件相當(dāng)，減振器油封處亦無(wú)明顯漏油痕跡。

隨后將減振器置于-35 ℃低溫環(huán)境倉(cāng)進(jìn)行往復(fù)振動(dòng)試驗(yàn)(減振器溫度保持100～105 ℃)，同時(shí)施加側(cè)向力，以此模擬整車(chē)在低溫環(huán)境下的工作狀態(tài)。200萬(wàn)次試驗(yàn)后觀察減振器，發(fā)現(xiàn)減振器儲(chǔ)油缸表面附著微量油漬，檢測(cè)減振器失重為1.69 g，復(fù)現(xiàn)了整車(chē)路試的滲油現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 減振器低溫倉(cāng)試驗(yàn)后狀態(tài)

2.4 減振器拆解檢查

拆解減振器故障件，閥系規(guī)格和數(shù)量都符合設(shè)計(jì)要求且裝配正確，閥片無(wú)破損；活塞桿表面光滑，無(wú)明顯劃痕；導(dǎo)向器內(nèi)部無(wú)明顯劃痕，表面光滑，襯套無(wú)上下竄動(dòng)；油封外觀良好，唇口無(wú)明顯磨損、劃傷，主唇、防塵唇處尺寸及徑向力均滿足設(shè)計(jì)要求。

將儲(chǔ)油缸內(nèi)減振油液全部倒入量筒，剩余油量309 mL，考慮油液掛壁損失，減振器油液減少量正常，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)減振器故障件取樣進(jìn)行清潔度檢測(cè)，雜質(zhì)稱(chēng)得質(zhì)量0.09 mg/mL，滿足減振器清潔度要求。

2.5 小結(jié)

通過(guò)上述試驗(yàn)驗(yàn)證，減振器外觀良好，性能正常，活塞桿、導(dǎo)向器、閥片表面質(zhì)量良好，油封滿足正常工況下的低溫、高溫、耐久條件。

在-35 ℃的低溫環(huán)境倉(cāng)中，減振器溫度控制在100～105 ℃做往復(fù)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，復(fù)現(xiàn)類(lèi)似路試所呈現(xiàn)的滲油現(xiàn)象。同時(shí)，基于油封上端無(wú)明顯油跡和儲(chǔ)油缸筒上端所呈現(xiàn)的均勻的油霧附著現(xiàn)象，分析產(chǎn)生油霧的原因，在連續(xù)路試行車(chē)過(guò)程中，隨著減振器溫度升高，附著在活塞桿表面的潤(rùn)滑油膜在減振器復(fù)原行程中揮發(fā)到大氣中，當(dāng)遇到溫度較低的外界環(huán)境時(shí)就會(huì)產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，即部分油霧會(huì)凝結(jié)附著在防塵罩內(nèi)表面、儲(chǔ)油缸筒壁、端蓋等部位。當(dāng)油霧凝結(jié)較多時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似滲油的失效現(xiàn)象。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1 油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜上分析，附著在活塞桿表面的潤(rùn)滑油膜隨著減振器復(fù)原行程而揮發(fā)，說(shuō)明油封的密封性能還需要進(jìn)一步提高。油封對(duì)減振器的密封是通過(guò)密封唇與活塞桿的有效接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作原理如圖4所示[4]。分析其密封機(jī)制，減振器復(fù)原行程中通過(guò)油封的液體量(即復(fù)原行程的油液泄漏量V0)受油面最大壓力梯度WA影響，而在減振器壓縮行程帶回儲(chǔ)油缸的液體量(即壓縮行程的油液泵入量Vi)受氣面最大壓力梯度WE影響，所以減振器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每個(gè)循環(huán)的油液凈泄漏量V即為復(fù)原行程活塞桿帶出儲(chǔ)油缸的油液量與壓縮行程活塞桿帶回儲(chǔ)油缸的油液量的差值[5]。而在車(chē)輛行駛過(guò)程中減振器工作需應(yīng)對(duì)各種路面復(fù)雜的工況，其復(fù)原行程、壓縮行程和運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，為提升減振器油封的密封性能就必須減少?gòu)?fù)原行程通過(guò)油封的液體量，即要從增大復(fù)原行程油面最大壓力梯度WA入手，而最大壓力梯度取決于密封元件的形狀和材料[5]，因此，可通過(guò)改變油封材料、結(jié)構(gòu)及膠料耐介質(zhì)性、動(dòng)態(tài)性能等方面來(lái)提升減振器油封的密封性能[6]。考慮目前油封綜合理化性能的穩(wěn)定性，保持現(xiàn)有膠料配方，從加大油封主唇的油面角度和調(diào)整主彈簧的力值占比這兩方面來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化和改善油封的密封性能。

圖4 減振器油封工作原理

(1)

(2)

(3)

式中：V0為復(fù)原行程泄漏量；

Vi為壓縮行程泵入量；

V為凈泄漏量；

D為活塞桿直徑；

H為運(yùn)動(dòng)行程(臺(tái)架試驗(yàn)中默認(rèn)復(fù)原行程與壓縮行程相同)；

η為油液的動(dòng)力黏度；

u0為復(fù)原行程中活塞桿運(yùn)動(dòng)速度；

WA為復(fù)原行程中油面的最大壓力梯度；

ui為壓縮行程中活塞桿運(yùn)動(dòng)速度；

WE為壓縮行程中氣面的最大壓力梯度。

3.2 優(yōu)化方案驗(yàn)證

制作油封優(yōu)化改善樣件，將主唇油面角加大2°，同時(shí)將主彈簧力值占比提高3%，減振器油封示意圖如圖5所示，適當(dāng)調(diào)整油封唇口過(guò)盈量[7-8]，保證提高油封密封能力的同時(shí)不明顯增加油封摩擦力[9]。對(duì)優(yōu)化后油封進(jìn)行徑向力和摩擦力檢測(cè)，并與現(xiàn)有方案的油封做對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果顯示：改善前后油封的簧前徑向力不變，簧后徑向力增加約2 N,提高了油封的抱緊力；改善前后油封的摩擦力僅相差0.07 N，摩擦力水平相當(dāng)。

圖5 減振器油封示意

將改善后的油封樣件裝配在減振器總成上進(jìn)行臺(tái)架往復(fù)振動(dòng)測(cè)試，并與現(xiàn)有方案進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改善方案的有效性和可靠性。

3.2.1 密封性能測(cè)試

對(duì)裝配改善方案油封的減振器進(jìn)行速率比振動(dòng)試驗(yàn)、高溫失重試驗(yàn)、低溫冷凍試驗(yàn)和低溫環(huán)境倉(cāng)等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣件進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如下：

(1)速率比振動(dòng)試驗(yàn)后檢測(cè)減振器油液泄漏量為0.011 g，小于原方案的0.015 g，泄漏量降低27%；

(2)高溫失重試驗(yàn)后檢測(cè)減振器失重1.19 g，較原方案降低24%；

(3)低溫冷凍試驗(yàn)后油封回彈力無(wú)明顯衰減，油封及活塞桿表面狀態(tài)良好，無(wú)明顯缺陷失效，且無(wú)油霧附著現(xiàn)象；

(4)低溫環(huán)境倉(cāng)試驗(yàn)后減振器儲(chǔ)油缸筒和油封表面均無(wú)明顯油霧凝聚現(xiàn)象。

3.2.2 耐久試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)裝配改善方案油封的減振器做臺(tái)架耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)后油封品質(zhì)良好，無(wú)明顯缺陷失效，活塞桿及油封表面無(wú)油霧附著，對(duì)減振器進(jìn)行性能檢測(cè)，無(wú)明顯阻尼力衰減和氣體反彈力衰減，滿足設(shè)計(jì)要求。

將裝配改善方案油封的減振器總成搭載在整車(chē)上進(jìn)行常溫道路耐久試驗(yàn)和寒區(qū)適應(yīng)性試驗(yàn)，路試結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)減振器有漏油或滲油的現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改善方案的有效性和可靠性。

4 結(jié)論

(1)北方地區(qū)冬季環(huán)境溫度低，車(chē)輛行駛過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)減振器活塞桿油膜揮發(fā)到大氣中然后冷凝到減振器缸筒、端蓋和防塵罩等部件表面，形成油霧附著的現(xiàn)象，當(dāng)油霧凝結(jié)較多時(shí)容易造成減振器漏油誤判的情況。

(2)通過(guò)增大減振器油封的主唇油面角度和調(diào)整主彈簧力值占比的方式，可以有效提升油封的密封性能，減少減振器油液滲漏。

(3)通過(guò)優(yōu)化油封結(jié)構(gòu)提高減振器密封性能的同時(shí)，需保證油封與活塞桿的摩擦力無(wú)明顯變化，不影響減振器的正常工作。