汽車可變阻尼減振器的設計及性能分析*

儲著金，王智淵，蔡妮瓔

（1.上海匯眾薩克斯減振器有限公司，上海 201108；2.上海大學，上海 201900；3.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

0 引言

近幾年，隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，各汽車主機廠對汽車的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性提出了更為嚴苛的設計要求。汽車減振器作為汽車底盤懸架的核心零部件，其主要作用就是衰減汽車在行駛過程中，應對復雜路面環(huán)境產(chǎn)生的振動和沖擊。理想的汽車減振器，其產(chǎn)生的阻尼力不應該出現(xiàn)突變和震蕩，其性能的優(yōu)劣直接影響了車輛的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適［1］。試驗研究表明，減振器的理想阻尼特性應該是阻尼力能隨著使用因素（如道路條件、車輛載荷）的變化而改變，從而保證懸架系統(tǒng)具有良好的振動特性［2］。

而汽車減振器的結構主要分為主動減振器和從動減振器［3］。主動減振器雖然可以滿足阻尼可變的要求，但其結構復雜，需要獨立的控制單元和獨立的供能系統(tǒng)，成本非常高，僅適用于豪華車型。傳統(tǒng)的從動減振器在協(xié)調(diào)汽車的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性方面則存在著很大的局限性，越來越不能滿足車輛的要求，其根本原因就是阻尼不可變［4－5］。總之，減振器的可變阻尼系數(shù)能夠改善懸架系統(tǒng)的輸出性能［6］。

目前科研機構和減振器生產(chǎn)廠家對可變阻尼減振器的研究，主要包括電控懸架用可變阻尼減振器［7］和行程敏感減振器［8］。其中對電控懸架用可變阻尼減振器的研究又細分為油液可控和閥口可控兩種方向［9］，油液可控可以通過磁流變液來實現(xiàn)，閥口可控可以通過電磁閥來實現(xiàn)。它們都具有響應迅速、能耗小的優(yōu)良減振特性［10］，是性能最強的可變阻尼方案。但其最大的缺點就是成本昂貴，多用于高級轎車中，所以并不是那么普及。另一種行程敏感減振器，其原理主要是在減振器的內(nèi)筒上設置額外的節(jié)流通道，控制非常簡單，不需要獨立的電控單元。但缺點是可變阻尼固定的，無法在汽車的開發(fā)前期人工調(diào)試，所以僅適用于和變剛度的懸架匹配，常常安裝在汽車的后懸架，適用范圍較為局限［11］。

本文介紹了一種可變阻尼的從動汽車減振器的結構設計，規(guī)避了上述技術的缺點，并通過試驗數(shù)據(jù)，對其性能進行了分析。為減振器設計人員提供了一種新的設計思路，提供了一種避免復雜的零件結構和過高的制造成本，即可同時滿足汽車行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性的方案。對汽車底盤懸架的研究方向具有一定的參考意義。

1 可變阻尼減振器整體結構設計

1.1 整體結構布置

可變阻尼減振器的整體結構如圖1所示，其主要由導向套、活塞桿、工作缸筒、活塞閥系、頻率響應閥系、儲油缸筒、底閥系和底蓋組成。工作缸筒、活塞閥系和底閥系將減振器缸體內(nèi)部分割成3個部分，即活塞閥系上部的上油腔、活塞閥系下部的下油腔以及工作缸筒外部的外腔。上油腔和下油腔均充滿液壓油，外腔的下部充滿液壓油，上部則充滿惰性氣體，一般為氮氣。活塞桿的上端頭與車身連接板相連，儲油缸筒與汽車下懸架相連，通過活塞桿不斷的往復運動，減振器內(nèi)部油液產(chǎn)生阻尼力，起到減振作用。

圖1 可變阻尼減振器總體結構圖

1.2 基本原理的數(shù)學推導

如不考慮外腔氮氣和液壓油的相溶性，減振器缸筒內(nèi)的體積遵循守恒原則。在減振器工作過程中，無論活塞閥系位于工作缸筒內(nèi)的任何位置，均滿足式（1）。

式中：Vupper為上油腔的油液體積；Vlower為下油腔的油液體積；Vouter為外腔的油液體積；Vg為外腔的氣體體積；C為常數(shù)。

活塞桿和上油腔的截面積滿足式（2）、（3）：

式中：Rrod為活塞桿直徑；Rpiston為活塞直徑；Arod為活塞桿截面積；Aupper為上油腔截面積。

當活塞桿向上運動，并位移x時，減振器缸筒內(nèi)的體積滿足式（4）～（7）：

將位移x求導為速度v，得出式（8）～（10）：

可得出液壓功率滿足式（11）：

最終推導出減振器的系統(tǒng)阻尼力滿足式（12）：

式中：Aouter為外腔截面積；Qupper為上腔液壓油流量；Qouter為外腔液壓油流量；Qlower為下腔液壓油流量；ΔpPV為活塞閥系節(jié)流壓差；ΔpBV為底閥系節(jié)流壓差。

即減振器的系統(tǒng)阻尼力是活塞閥系和底閥系的壓差共同決定的。根據(jù)伯努利原理可知流體等高流動時，流速越大，壓力就越?。?］。因此，只要在活塞閥系和底閥系上設置一些節(jié)流通道就可形成減振器的阻尼力。

2 可變阻尼減振器閥系設計

2.1 活塞閥系的結構設計

活塞閥系的結構如圖2所示，包括：墊片、樞軸閥片、壓縮閥片組、活塞閥體、復原閥片組。墊片和活塞端頭臺階面接觸，位于閥系最上方，往下依次套裝樞軸閥片、壓縮閥片組、活塞閥體、復原閥片組。樞軸閥片直徑最小，用于給壓縮閥片組做開閥支點。壓縮閥片組包含3至5個圓形閥片，可以通過調(diào)整這些閥片的數(shù)量、直徑、厚度，調(diào)試出壓縮行程的阻尼力?；钊y體設置有6個復原旁通孔和3個壓縮旁通孔，2種旁通孔交叉均布在活塞閥體上?；钊y體外徑包裹有活塞皮，活塞皮為高分子材料的膜片，可以降低活塞閥體和工作缸筒內(nèi)壁的摩擦力。復原閥片組也包含3至5個圓形閥片，同樣，可以通過調(diào)整這些閥片的數(shù)量、直徑、厚度，調(diào)試出復原行程的阻尼力。

圖2 活塞閥系結構圖

2.2 頻率響應閥系的結構設計

頻率響應閥系的結構如圖3所示，包括：襯套、間隔環(huán)、彈簧閥片組、定心環(huán)、補償閥片、止動環(huán)、覆蓋閥片、頻率響應閥體、油封、錐形殼體、主墊片、鎖緊螺母、活塞桿端頭。

圖3 頻率響應閥系結構圖

活塞桿端頭上設置有導油槽。襯套套裝在活塞桿端頭，襯套上設有三級臺階，襯套內(nèi)部設有腔室，側邊設置有可變節(jié)流口，底部設置有節(jié)流進口，聯(lián)通成油道。間隔環(huán)套設在襯套最高一級臺階外徑上，與活塞閥系的復原閥片組接觸，另一面套裝有彈簧閥片組。彈簧閥片組下方套裝有定心環(huán)，定心環(huán)另一邊再次套裝有補償閥片和彈簧閥片組。彈簧閥片組包含2至3個圓形閥片，可以通過調(diào)整這些閥片的數(shù)量、直徑、厚度，調(diào)試出該行程段的阻尼力。頻率響應閥體安裝在彈簧閥片組下方，套裝在襯套的最低一級臺階外徑上。在頻率響應閥體內(nèi)部，止動環(huán)和覆蓋閥片安裝在襯套的第二級臺階外徑上。頻率響應閥體側面設置有油封槽，用于安裝油封。油封的截面為X形，達到雙唇口密封的作用。錐形殼體位于頻率響應閥體的最下方，套裝在活塞桿端頭上，錐形殼體和頻率響應閥體通過油封密封，在頻率響應閥體底部形成壓力室。

上述可變節(jié)流口、節(jié)流進口、壓力室、節(jié)流出口形成聯(lián)通的油道。錐形殼底部套裝有主墊片，主墊片底部通過鎖緊螺母擰緊，固定鎖死整個閥系。閥系安裝完畢后，鎖緊螺母和活塞桿端頭用沖頭點鉚，破壞螺紋，防止螺母轉動松脫。

2.3 底閥系的結構設計

底閥系的結構如圖4所示，包括：鉚釘帽、節(jié)流閥片、間隙調(diào)節(jié)閥片、高速閥片、底閥體、堆積閥片組、鉚釘。

圖4 底閥系結構圖

其中，鉚釘帽、節(jié)流閥片、間隙調(diào)節(jié)閥片、高速閥片、底閥體、堆積閥片組件自上而下依次套裝在鉚釘上，鉚釘?shù)捻敹藳_壓變形，使彈簧帽與鉚釘固定連接。底閥體中間設有節(jié)流口，靠近直徑外側設置有旁通口。覆蓋閥片為中間含有3個均布腰孔的圓形閥片，直接覆蓋在底閥體上端面，蓋住底閥體的旁通口，通過自身的閥片應力，起到單向流通閥的作用。高速閥片為小直徑圓形閥片，對應底閥體上的節(jié)流口，通過改變高速閥片的直徑大小，來調(diào)節(jié)該速度段的阻尼力。堆積閥片組件由數(shù)量為3～10片的調(diào)整閥片疊加組成，通過安裝不同數(shù)量、不同直徑的調(diào)整閥片，可以控制開閥力矩，實現(xiàn)阻尼力的調(diào)整。

2.4 閥系的工作原理

如圖5所示，傳統(tǒng)從動減振器的閥系沒有頻率響應閥系。當活塞桿往復運動時，減振器筒內(nèi)的油液就會在活塞閥系和底閥系的各種節(jié)流通道中流動，各個節(jié)流通道會產(chǎn)生不同的阻尼力，這些阻尼力的合力就形成了汽車減振器的系統(tǒng)阻尼力?；钊y系和底閥系行成的阻尼力雖然是非線性的，但是由于這兩個閥系的節(jié)流通道都是固定不變的。所以閥系阻尼系數(shù)不會隨道路環(huán)境的改變而變化，形成更加適應工況的阻尼力。

圖5 傳統(tǒng)從動減振器閥系工作原理

汽車在不同頻率的振動下，需求的阻尼是不同的。整車試驗表明，當車身特征頻率約1 Hz時意味著需要更高的阻尼水平才能獲得更好的操控性。當車輪特征頻率約12 Hz時，需要降低阻尼水平才能獲得更好的舒適性。讓汽車減振器的阻尼具有頻率響應功能可以中和行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性之間的矛盾。

如圖6所示，頻率響應閥系工作時，阻尼力的頻率相關變化，是通過活塞閥系復原行程的頻率相關附加彈簧力實現(xiàn)的。當活塞桿沿復原方向移動時，由于活塞閥系上部工作腔中的壓力，油液通過活塞桿端頭中的導油槽引導至節(jié)流進口，通過這個小的節(jié)流進口，壓力室被充滿。灌裝速度取決于節(jié)流進口和節(jié)流出口的面積比例。壓力室產(chǎn)生的壓力作用于頻率響應閥體的底面，產(chǎn)生的力使頻率響應閥體克服彈簧閥片組的阻力移動，并通過定心環(huán)對其進行預加載。產(chǎn)生的附加力通過間隔環(huán)傳遞到活塞閥系的復原閥片組上?；钊y體的運動最終受到止動環(huán)的限制，因此最大附加力受到限制，該位置稱為“結束位置”。頻率響應閥體這種往復運動是本閥系的關鍵技術。

圖6 頻率響應閥系工作原理

當減振器低頻復原時，油液有足夠的時間通過小節(jié)流進口填充壓力室，將頻率響應閥體移向上述“結束位置”。此工況下，阻尼力是活塞閥系的復原閥片組的閥片彈簧力和頻率響應閥體向上位移時產(chǎn)生的附加力的總和。由于該附加力使得復原閥片組的閥片彈簧力增強，導致復原方向的阻尼力升高，實現(xiàn)了低頻高阻尼力的目的。

當減振器高頻復原時，激勵頻率與壓力室的填充量存在相關性，頻率越高，填充量越小，則頻率響應閥體的向上位移越小，產(chǎn)生的附加力越小，復原方向的阻尼力升高的幅度變小，實現(xiàn)了高頻低阻尼力的目的。

3 試驗驗證與結果分析

可以根據(jù)汽車減振器臺架試驗標準QC／T 545－1999的規(guī)定，對減振器阻尼力進行采集［12］。本文采用試驗行程為±50 mm，激勵速度分別為0.05 m／s、0.13 m／s、0.26 m／s、0.39 m／s、0.52 m／s、1.05 m／s的示功機，用正弦激勵的方式對可變阻尼減振器和傳統(tǒng)從動減振器的阻尼力進行數(shù)據(jù)采集。最終擬合出圖7的阻尼力速度曲線。

圖7 減振器阻尼力速度曲線

由圖7的曲線可以看出，具有頻率響應功能的可變阻尼減振器的主要特點是增加低頻激勵下減振器復原沖程的阻尼力，其在1 Hz和12 Hz的頻率激勵下，阻尼力變化較傳統(tǒng)從動減振器有顯著的變化。有效地中和了汽車行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性之間的矛盾。另外，通過對活塞桿端頭臺階倒角的調(diào)整，可以進一步調(diào)整頻率響應閥的干預力度，從而適配需要承載較大側向力的減振器。而且，區(qū)別于主動減振器，該設計不需要獨立的控制單元和獨立的供能系統(tǒng)，更為經(jīng)濟，利于批量生產(chǎn)。

4 結束語

本文針對汽車行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性之間的矛盾點，相較于已有技術，如主動減振器、傳統(tǒng)從動減振器等，提出了一種可變阻尼減振器的解決方案。詳細介紹了該設計的基本結構和工作原理。并通過示功機采集減振器的阻尼力數(shù)據(jù)，擬合出可變阻尼減振器的和傳統(tǒng)從動減振器的阻尼力速度曲線，對比了這兩種類型減振器的阻尼特性。結果證明，阻尼可變減振器的主要特點是頻率響應，其核心設計創(chuàng)新點為頻率響應閥系，該閥系可增加低頻激勵下減振器復原沖程的阻尼力，并且可適用于針對減振器施加較大側向力的懸架工況。具有結構簡單、經(jīng)濟性好、通用性強、易于裝配的特點。