減振器總成三軸耐久試驗裝置的設計

王秋敏，袁文強

(1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700；2.中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

減振器在汽車行業主要應用于懸架、座椅、駕駛室等位置，作為衰減振動的元件。振動過程中，依靠內腔中油液通過空隙時將振動能量轉化為熱量。減振器通常與彈性元件并聯使用，比如螺旋彈簧、空氣彈簧等，彈性元件緩和振動和沖擊[1]。將減振器與彈簧同軸組合成總成的形式很常見。

減振器總成的性能直接影響汽車舒適性和安全性。以麥弗遜懸架中的減振器總成為例，當車輪向上沖擊時，要求減振器阻尼力小，利用彈性元件緩沖沖擊，隨后在減振器伸長時，要求阻尼力大，快速衰減減振器的往復振動。同時，減振器總成作為連接轉向節與車身的關鍵零件，承受軸向力的同時也承受側向力，假如發生斷裂等失效形式，則十分危險。

1 減振器總成試驗項目

為了驗證減振器的性能，各生產廠家和汽車廠設計了一些試驗項目，全國汽車標準化技術委員會也提出了行業標準[2]。涉及的試驗項目包括：示功特性試驗、摩擦力試驗、氣體反彈力試驗、溫度特性試驗、速度特性試驗、抗泡沫化試驗、耐久試驗等。

其中耐久試驗類型眾多，包括以位移控制驅動減振器上端或者下端做往復運動，或者同時驅動減振器上端和下端。還包括以實車中減振器伸縮運動為目標的道路模擬耐久試驗。此外還有在減振器運動過程中施加泥水的耐久試驗。

這些耐久試驗中，比如以位移控制實現減振器伸縮簡諧運動的試驗，是一類較為早期的試驗方法，逐漸會被道路模擬試驗取代，因為實車中減振器的運動行程以及速度較為隨機，試驗過程中單純采用簡諧運動無法貼合實際。

在目前行業中常見的這些耐久試驗中，涉及側向力的，往往是施加恒定大小的側向力以增加活塞桿與導向之間的摩擦。實車中，二力桿形式的減振器側向力較小，但是，也有較多類型的減振器承受較大的側向力，并且側向力大小隨著路面激勵隨機波動，比如作為部分卡車駕駛室懸置的減振器和麥弗遜懸架中的減振器等。因此，施加恒定大小的側向力無法很好地復現減振器的實車受力情況，道路模擬試驗可以成為一種可選的更優方法。

2 道路模擬試驗介紹

道路模擬試驗是在實驗室利用臺架設備復現整車或者零部件的受力、運動狀態的一種試驗類型。該類型試驗包含載荷譜采集、數據處理、求系統傳遞函數、目標譜迭代、耐久試驗等步驟[3]。將樣車按照道路譜采集規范行駛于試驗場，采集作為迭代信號和監測信號的力、位移、加速度或者應變等載荷譜信號。再進行去除趨勢項、濾波和刪除小損傷數據段等處理，得到作為迭代目標的目標譜信號。然后在試驗臺架上，根據臺架輸出與輸入的特性以及目標譜信號，逐步迭代求得用于驅動臺架的驅動信號。最后利用獲得的驅動信號按照耐久規范中規定的循環進行耐久試驗。

針對承受側向力的減振器總成，以卡車駕駛室支撐減振器總成為例。為了驗證其耐久性，對其進行道路模擬試驗。

首先采集載荷譜，獲得實車行駛時減振器活塞桿相對于儲油桶的相對位移，同時獲得減振器承受的兩個相互垂直的側向力。其中，活塞桿與減振器儲油桶的相對位移通過拉線式位移傳感器測得。為了采集側向力，在減振器頂端連接車體處，對車體部分進行改制，使得三向力傳感器安裝在減振器頂端，再與改制的車體部分連接，通過三向力傳感器采集減振器承受的兩個側向力以及軸向力。除了上述采用三軸力傳感器的方法，還可以在減振器底端儲油桶四周粘貼應變片，通過應變信號反映減振器在兩個垂直于軸線的方向的受力狀態。

根據試驗場道路試驗規范中規定的路段和車速等信息，在試驗場采集減振器總成載荷譜后，將這些數據經過濾波、去毛刺和去除漂移等常規操作后，作為臺架試驗的輸入。

3 減振器三軸載荷譜試驗裝置的設計

為了復現減振器總成在實車行駛時的受力狀態，根據減振器總成結構設計了三軸加載試驗裝置，如圖1所示。

圖1 減振器總成三軸加載試驗裝置

該試驗裝置的主要結構包括：3個電液伺服作動器、3套導向裝置、3條傳力桿、減振器連接塊、兩個作動器固定座、兩套作動器懸掛支架、減振器固定座、龍門架、龍門架橫梁、控制系統及液壓系統。如果是空氣彈簧減振器，還需要配備穩定氣壓供給系統。其中電液伺服作動器中配有檢測活塞桿與缸體之間位移的位移傳感器，還配有檢測活塞桿上推拉力的力傳感器。

針對不同類型的減振器，該試驗裝置結構基本相同，但是減振器固定座和減振器連接塊需要根據減振器結構而改變。需要指出，如果減振器活塞桿上端與車體連接是固定連接，那么，在該試驗裝置中減振器連接塊與三條傳力桿之間需要采用球鉸連接，避免運動干涉。

如果減振器活塞桿上端與車體是通過橡膠等彈性元件連接，那么減振器連接塊與Z方向傳力桿固定連接，減振器連接塊與X和Y方向的兩條傳力桿球鉸連接。或者另一種方式：減振器連接塊與Z方向的傳力桿球鉸連接，與X和Y方向的兩條傳力桿中的一條固定連接，與另一條傳力桿轉動副連接，如圖2所示。

圖2 上端有彈性元件的減振器的一種試驗連接方式

試驗過程中，控制系統驅動電液伺服作動器上的伺服閥，控制作動器對減振器施加載荷。同時控制系統接收來自各個傳感器反饋的迭代信號和監測信號。

如果路譜采集階段采集了減振器活塞桿和儲油桶之間的位移信號以及減振器底端儲油桶四周的應變信號，以此作為迭代目標。那么試驗中，將位移傳感器和應變片的反饋信號反饋到控制器中。

圖3為X方向加載裝置。

圖3 X方向加載裝置

如果液壓伺服作動器未配備有靜壓軸承，那么試驗過程中應避免其承受側向力。如圖3所示，作動器尾部應安裝球鉸，前端連接導向桿，由魚眼軸承限制導向桿側向位移。導向桿再通過球鉸與傳力桿連接，球鉸盡可能靠近魚眼軸承。傳力桿通球鉸作用在導向桿上的力并不一定與導向桿同軸，其中側向力部分會影響作動器，魚眼軸承越靠近球鉸，側向力的影響越小。

與行業中現有試驗技術相比，該試驗裝置可以復現減振器在實車上的受力和運動情況。具體來說，可以復現減振器活塞桿與儲油桶之間的相對運動，還可以復現減振器在垂直于其軸線方向上承受的側向載荷。這是該裝置的最大優點和用途。

該試驗裝置的試驗對象為減振器總成，包括空氣彈簧減振器、螺旋彈簧減振器、液壓式減振器、氣壓式減振器等不同類型的減振器。該試驗裝置也可以用于其他的簡化試驗，比如控制減振器活塞桿和儲油筒進行相對簡諧運動，控制減振器承受沿整車縱向和橫向的正弦波載荷或者恒定載荷。

4 試驗驗證

以空氣彈簧減振器為試驗對象，空氣彈簧內部氣壓由高度閥調節。通過螺桿式空壓機、兩級儲氣罐和減壓閥為空氣彈簧提供穩定的氣壓，供氣系統如圖4所示。

圖4 穩定高壓空氣供給系統

某客戶提供分解后的X、Y、Z方向的力值時域信號以及活塞桿與儲油桶之間的位移時域信號。因為采集的載荷譜與試驗樣品有差異，所以迭代結果中的Z向位移與Z向力值兩者的誤差無法同時達到最小。迭代過程中兼顧了Z向位移與Z向力值。試驗裝置如圖5所示，兩套試驗裝置同時進行兩根空氣彈簧減振器三軸載荷耐久試驗。

圖5 空氣彈簧減振器三軸耐久試驗裝置

其中一個路段的迭代結果如圖6和圖7所示，對比迭代結果中的響應信號與目標信號，兩者的最大值、最小值接近95%～100%，兩者的X和Y方向力值的誤差RMS值接近10%，由于兼顧Z方向的位移和力值，Z方向的位移和力值誤差RMS值在30%～40%之間。

圖6 響應信號與目標信號的最大值對比

圖7 響應信號與目標信號的誤差RMS值對比

5 結論

利用電液伺服疲勞試驗系統構建的減振器總成三軸載荷耐久裝置，在保護作動器不承受側向力影響的同時，能夠復現減振器總成在實車行駛時的受力狀態和運動狀態。

該試驗裝置適合承受側向力的減振器總成進行道路模擬耐久試驗。可選擇不同的載荷譜采集方案，包括應變采集、力值采集和位移采集等等，均能通過該試驗裝置獲得較好的模擬效果。