車輛懸架液壓減振器的溫度控制研究*

劉龍飛，夏如艇，※，俞高紅，林樹森，張勇超

（1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018；2.臺州學院智能制造學院，浙江臺州 318000）

0 引言

作為車輛懸架系統的重要組成部分，懸架減振器在車輛行駛舒適性、操縱性、穩定性和安全性方面起著非常重要的作用［1］。衡量減振器優劣的主要指標是減振器的阻尼特性［2］。減振器阻尼力是由內部閥系結構參數決定的，包括常通節流孔面積、節流閥片厚度、復原閥片預變形量和最大限位間隙［3］。在外部激勵下，減振器通過閥系小孔、間隙節流產生阻尼力，將系統振動的機械能轉化為熱能，通過對流、輻射等方式耗散，以減輕影響和衰減振動的目的［2］。在減振器的連續運行過程中，由于不斷做功導致溫度變化對減振器的性能有各種影響。因減振油黏度變化，阻尼力隨溫度升高而減小，導致溫衰，使車輛行駛舒適性差［4］。此外，因橡膠有極限溫度，當減振器溫度上升并超過該溫度時，油封將加速老化，造成油液泄漏，導致減振器特性畸變［5］。

近年來，國內外學者對減振器的研究大多集中在減振器的阻尼特性以及阻尼力與速度之間的關系方面，如段福斌等［6］采用仿真分析研究了雙筒式液壓減振器阻尼力的數學模型；馬天飛等［7］對閥片式充氣減振器建模與仿真開展了研究；Sudarshan M［8］研究了減振器結構與阻尼之間的關系，而在減振器溫度控制方面的研究較少。減振器的閥系結構和減振器工作時的溫升變化直接影響減振器的性能和使用壽命，因此，研究減振器內部閥系結構與溫升的關系，確定最佳閥系活塞參數對提高減振器性能有實際意義。

1 雙筒液壓減振器結構及工作原理

減振器由活塞桿、工作缸、復原閥分總成、壓縮閥分總成、貯液筒、導向器以及油封組成，如圖1所示，內部注有減振油。車輛在行駛過程中遇到凹坑或凸起路面時受到顛簸，車身向上或向下運動，減振器隨著車身的上下往復運動，內部減振油不斷地穿梭活塞閥以及壓縮閥中的小孔和間隙，減振油不斷被剪切，從而產生復原阻尼力和壓縮阻尼力，這是減振器做功的主要工作部分，也是減振器溫升的來源。減振器將吸收的振動能量轉化為油液的熱能，再與外界環境做熱交換散發出去。

圖1 雙筒液壓減振器結構及內部閥系

2 試驗內容

2.1 雙筒液壓減振器阻尼理論

根據某減振器生產企業產品，不同活塞速度下的阻尼力組成不同，一般來說，分為3個速度段，低速段（0.1 m/s以下）、中速段（0.1～0.7 m/s）和高速段（0.7 m/s以上）［9］。

低速段：節流通孔常開，在壓縮或復原行程中會限制流量，減振油可通過。在活塞低速下其他閥閉合，因此低速下的阻尼力由節流片產生。

中速段：在較高的速度下，即使油液流過常通節流孔之后，減振油的壓力仍然很高，因此，減振油沖開復原閥片，使減振油通過活塞進入下腔的額外流動。同時，有流過常通節流孔的流量。因此中速段下的阻尼力因閥片開閥，由閥片和節流片共同產生阻尼力。

高速段：在高速下，即使在流過已沖開的復原閥片間隙后，減振油壓力仍很高，因此，活塞孔產生節流作用。同時，有流過常通節流孔的流量及復原閥片間隙的流量。因此高速段下的阻尼力由節流片、閥片和活塞孔產生。

2.2 雙筒液壓減振器阻尼特性試驗

圖2 減振器示功圖

車輛運行時，活塞相對工作缸做往復運動。減振器在運動過程中產生的阻尼力F和相對位移s構成示功圖，即F-s圖［10］，如圖2所示。示功圖是封閉曲線，顯示阻尼力與位移的關系，與坐標軸的交點分別表示不同含義。F軸正向交點是復原行程的最大阻尼力；F軸負向交點是壓縮行程的最大阻尼力；s軸正向交點是最大正行程；s軸負向交點是最大負行程。減振器在一個連續行程內做的功用示功圖面積來表示，示功圖面積越大，單個行程內所做的功越多。正常的減振器示功圖曲線光滑飽滿，若示功圖畸變，則表明減振器異常，減振器的優劣通常由示功圖來衡量。

2.3 減振器示功循環升溫

當車輛行駛在較差的路面時，由于頻繁地運動，減振器產生較多熱量，溫度的升高將影響減振器密封和減振器油的性能［11］。減振器試驗臺MTS（Mechanical Testing＆Simulation）用于模擬路面條件，通過示功循環次數來測試減振器的升溫特性。前人的試驗研究表明，油密度對減振器加熱特性影響較小，而氣體流速對其影響較大［12-13］。車輛減振器發展趨勢是更小更輕，增大減振器尺寸去改變氣體流速不容易實現。

根據不同速度段阻尼力的產生，可以對結構進行設計，一是通過改變活塞孔面積來改變高速下的阻尼力；二是通過調節閥片厚度來改變阻尼力，以此來改變減振器的阻尼特性，減小示功圖面積，從而減小每次循環中阻尼力所做的功，降低溫度升高的速率，由于車輛行駛過程中，減振器與環境做熱交換，當閥系改變后將可降低減振器達到平衡溫度的時間與峰值，實現溫度控制的效果。

2.4 試驗方法

制作3種不同厚度的復原閥片，以及直徑分別為1.8 mm和3 mm圓形活塞孔、直徑為1.8 mm環形活塞孔進行示功試驗研究。具體參數值如表1所示。

表1 復原閥結構參數

圓形和環形活塞孔的結構如圖3所示。活塞孔的面積分別為5.09 mm2、10.18 mm2、15.26 mm2、36.462 mm2、42.39 mm2，3-環形孔如圖3（d）所示，復原閥片最大開閥環形間隙面積為20.724 mm2，如圖4所示。由圖可知，隨著活塞速度增大時，減振油頂開復原閥片，當活塞速度達到高速后，由于墊片厚度限制復原閥片的最大開閥高度，復原閥片被壓至復原閥上，形成最大開閥環形間隙。

圖3 圓形和環形活塞孔結構

圖4 復原閥片開閥

3 試驗結果分析

3.1 試驗設備

通過減振器MTS試驗臺，測試其示功圖，以及搭配溫度傳感器測試在相同時間即相同的升溫循環次數下，溫度曲線以及阻尼力曲線，分析溫升情況。采集數據設備如圖5所示。

圖5 試驗設備

3.2 試驗結果分析

3.2.1 活塞孔對阻尼特性的影響

不同活塞孔阻尼特性如圖6所示。由圖可知，隨著孔數量的增加，高速下的阻尼力下降，2孔到4孔下降最多，這是由于高速下的復原閥片開至最大后，活塞孔起到節流效果，累加的力2孔偏大，活塞上下壓差大。

綜合分析：4孔和6孔復原阻尼力在活塞速度下基本無變化，在1 040 mm/s時，復原阻尼力相差320 N，該值在阻尼力的要求范圍內。當換上2孔活塞時，314 mm/s速度之前，阻尼力無變化，520 mm/s之后的速度下，隨著速度增大，阻尼力相差也越大。在活塞速度為1 571 mm/s時，阻尼力相差4 200 N，這是由于復原閥片打開后的縫隙面積以及活塞孔節流作為主要阻尼力的來源，故而阻尼力上升極快。具體阻尼力值如表2所示。

圖6 不同活塞孔阻尼特性

表2 阻尼力值表

3.2.2 閥片厚度對阻尼特性的影響

不同閥片厚度阻尼特性如圖7所示，隨著閥片厚度增大，阻尼力也隨之增大，等效厚度分別為0.216 mm、0.283 mm、0.35 mm，當厚度為0.283 mm和0.35 mm時，阻尼力增減較小90 N。隨著厚度增大，開閥速度隨之推遲。這是由于閥片厚度增大，閥片剛度增大，開閥所需要的力增大，對應的活塞速度增大。

圖7 不同閥片厚度阻尼特性

3.3 溫升循環

3.3.1 不同活塞結構減振器

減振器3 min范圍內采用增加示功循環次數來實現升溫，循環次數的多少將影響減振器實際工況的溫度特性。圖8所示為減振器在5 min內的相同示功循環次數條件下的溫度。試驗參數如表3所示。

表3 溫升循環設定參數

不同活塞閥系減振器的溫升如圖8所示。由圖可以看出，在原閥系上更換活塞后，高速下阻尼力有所下降，環形孔活塞有明顯的溫升下降，下降幅度為26℃。

圖8 不同活塞閥系減振器的溫升

3.3.2 不同復原閥片厚度減振器

復原閥片影響的溫升如圖9所示。由圖可知，在抽取一張閥片后，阻尼力在要求范圍內時，阻尼力相差450 N，溫度相差較小，相差幅度為11℃，因為減振器溫度是由阻尼力控制。阻尼力差越大（高速下），溫升相差就越大。抽取閥片前后阻尼力-溫度曲線如圖10所示。由圖可以看出，隨著溫度的升高，阻尼力也下降，這是由于溫度升高，油液黏度減小，阻尼力減小，油液的黏溫性能較好。

圖9 復原閥片影響的溫升

圖10 抽取閥片前后阻尼力-溫度曲線

4 結束語

本文針對示功試驗數據進行了減振器阻尼特性分析，并結合減振器升溫循環試驗對減振器閥系結構設計前后進行比較，總結如下。

（1）活塞高速運動時，4個φ1.8 mm圓形孔活塞減振器阻尼力由復原閥片和活塞孔產生，3個環形孔活塞減振器的阻尼力由復原閥片產生，活塞孔不起阻尼作用。3個環形孔活塞減振器的示功循環升溫變慢，吸收同樣路面的振動，比4個φ1.8 mm孔活塞減振器達到平衡溫度的時間延遲，平衡溫度峰值降低，從而有效保護橡膠元件油封以及油液性能，使得減振器壽命提高。

（2）活塞高速運動時，2個φ1.8 mm活塞減振器的阻尼力基本上由活塞孔來產生，阻尼力跳幅較大。當復原閥片開至最大時，活塞孔面積越大阻尼不一定越小，環形孔活塞比圓形孔活塞的流通性強。