楊禮康，杜嘉鑫，周安江，王松峰

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.杭州天銘科技有限公司，浙江 杭州 311401)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)于汽車乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高。汽車懸架系統(tǒng)的減震器起著吸收和耗散由路面不平引起的震動(dòng)能量的作用，是影響車輛行駛性能的關(guān)鍵部件[1]。傳統(tǒng)液壓減震器由于阻尼特性不可改變，導(dǎo)致其對(duì)于道路的適應(yīng)能力較差[2]。為滿足不同行駛路面對(duì)減震器性能的需要，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)及科研院所紛紛開(kāi)展了針對(duì)阻尼可調(diào)液壓減震器的研發(fā)。目前，阻尼可調(diào)減震器的主要知識(shí)產(chǎn)權(quán)被國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)掌握，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)滯后，相關(guān)企業(yè)順應(yīng)“中國(guó)制造2025”的大勢(shì)，正在積極開(kāi)展新型阻尼可調(diào)減震器的研發(fā)，力圖在高端阻尼可調(diào)減震器領(lǐng)域擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

本文共搜集國(guó)內(nèi)外典型專利文獻(xiàn)110余篇，重點(diǎn)將針對(duì)美國(guó)FOX公司的60多篇專利進(jìn)行分析，總結(jié)常見(jiàn)的液壓減震器阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原理及構(gòu)造，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析不同調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及布置方式的優(yōu)劣，為相關(guān)領(lǐng)域的研究工作提供參考。

1 阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理總結(jié)與分析

1.1 液壓減震器阻尼調(diào)節(jié)原理

1.1.1 基本組成及工作原理

傳統(tǒng)筒式液壓減震器的結(jié)構(gòu)包括單筒式結(jié)構(gòu)和雙筒式結(jié)構(gòu)，其工作原理類似。以雙筒式液壓減震器為例說(shuō)明，其結(jié)構(gòu)組成通常包括工作缸、儲(chǔ)油缸、活塞桿、活塞組件和底閥組件等[3]，如圖1所示。

液壓減震器工作缸筒中充滿油液，活塞將工作缸分隔為上腔與下腔兩部分；儲(chǔ)油缸內(nèi)裝有油液，上部有少量空氣；活塞及底閥上裝有流通閥系，減震器工作過(guò)程中，油液可通過(guò)流通閥系在工作缸筒上、下腔及工作缸與儲(chǔ)油缸之間流通，閥系對(duì)油液的節(jié)流作用產(chǎn)生減震器工作的阻尼力[4]。

1.1.2 阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理

基于傳統(tǒng)筒式液壓減震器的結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)，本研究通過(guò)各種機(jī)械機(jī)構(gòu)改變油液在工作缸上、下腔或工作缸與儲(chǔ)油缸之間的流通截面積，以改變油液流通阻尼的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。

1.2 阻尼力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的分類

本文基于所搜集的國(guó)內(nèi)外專利文獻(xiàn)，按照液壓減震器阻尼力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置形式的不同，將減震器的阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分為桿型調(diào)節(jié)和筒型調(diào)節(jié)兩種方式。

1.2.1 桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及其工作原理

所謂桿型調(diào)節(jié)，是指阻尼力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置于減震器的活塞桿中。這類設(shè)計(jì)通常采用中空活塞桿，在活塞桿的側(cè)壁或底部端面上開(kāi)有節(jié)流小孔，根據(jù)油液流過(guò)節(jié)流孔方向的不同，分別稱為徑向節(jié)流孔與軸向節(jié)流孔。在中空活塞桿內(nèi)部，設(shè)有調(diào)節(jié)桿及調(diào)節(jié)閥芯。調(diào)節(jié)過(guò)程中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥芯在中空活塞桿內(nèi)軸向移動(dòng)，改變徑向或軸向節(jié)流孔的開(kāi)度，進(jìn)而改變油液在工作缸上、下腔室之間流動(dòng)的流通截面積，以達(dá)到改變減震器阻尼力的目的。具有徑向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 具有徑向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

在圖2中，中空活塞桿側(cè)壁上開(kāi)有徑向節(jié)流孔，減震器復(fù)原行程，活塞上移，上腔及儲(chǔ)油缸油液分別通過(guò)活塞閥系及底閥閥系流入工作缸下腔，中空活塞桿為油液提供了流通通道，油液可經(jīng)活塞桿下端面的軸向孔道流入活塞桿內(nèi)腔，并經(jīng)由活塞桿側(cè)壁的徑向孔道流入上腔。在此過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥芯在活塞桿內(nèi)腔軸向移動(dòng)，從而改變徑向節(jié)流孔的開(kāi)啟程度，影響油液在工作缸上、下腔室之間的流通截面積，改變減震器復(fù)原行程阻尼力；壓縮行程時(shí)，活塞下移，油液從上腔經(jīng)徑向節(jié)流孔流入活塞桿內(nèi)腔，而后經(jīng)軸向孔流入下腔，在此過(guò)程中，同上述復(fù)原行程調(diào)節(jié)原理類似，也可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿改變減震器壓縮行程阻尼力。

具有軸向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 具有軸向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

在圖3中，活塞桿底部端面開(kāi)有軸向節(jié)流孔，側(cè)壁開(kāi)有徑向孔。減震器復(fù)原行程，活塞上移，油液由上腔通過(guò)徑向孔流入活塞桿內(nèi)腔，而后由活塞桿內(nèi)腔經(jīng)調(diào)節(jié)閥芯與軸向節(jié)流孔之間的環(huán)形縫隙流入下腔，在此過(guò)程中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥芯軸向移動(dòng)，改變環(huán)形縫隙大小，繼而改變油液流通阻尼，調(diào)節(jié)復(fù)原行程阻尼力；壓縮行程阻尼調(diào)節(jié)過(guò)程及原理與復(fù)原行程相同，不再贅述。

具體專利中，調(diào)節(jié)桿的驅(qū)動(dòng)方式不盡相同，除傳統(tǒng)的通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)桿的方式外[5-6]，還有以下常見(jiàn)調(diào)節(jié)方式：專利號(hào)CN1769734A的專利中公開(kāi)了一種阻尼可調(diào)減震器的設(shè)計(jì)[7]，步進(jìn)電機(jī)在汽車懸架系統(tǒng)電子控制器的控制下驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)桿，實(shí)現(xiàn)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)；專利號(hào)CN201416610的專利與上述專利同樣[8]，也采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)桿的方式；美國(guó)FOX公司專利號(hào)為US2016/0003321 A1的專利中公開(kāi)了一種通過(guò)外接氣壓源[9]，將壓縮氣體注入活塞桿中央空腔內(nèi)，推動(dòng)“L型”閥芯上下動(dòng)作并控制活塞閥系開(kāi)閉程度的阻尼力調(diào)節(jié)方式；FOX公司專利號(hào)為US2016/0272029的專利中[10]，公開(kāi)了一種通過(guò)外置的調(diào)節(jié)旋鈕及凸輪驅(qū)動(dòng)活塞桿內(nèi)部調(diào)節(jié)桿的阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；馬祖奇公司專利US6044940中[11]，采用油壓控制活塞桿內(nèi)腔針閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)阻尼力調(diào)節(jié)，此時(shí)，可將活塞桿內(nèi)腔的油液視為調(diào)節(jié)桿。

1.2.2 筒型調(diào)節(jié)

筒型調(diào)節(jié)，是指通過(guò)改變油液在工作缸及儲(chǔ)油缸之間的流通阻尼以改變減震器阻尼力的調(diào)節(jié)方式。按調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置位置的差別，可以分為上置、下置和側(cè)置3類。

上置式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通常在減震器導(dǎo)向套內(nèi)設(shè)置油道，并在該油道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

減震器工作過(guò)程中，油液會(huì)流經(jīng)導(dǎo)向套油道，因此，可以通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥，改變油道的開(kāi)口大小，以實(shí)現(xiàn)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。例如，專利CN1560490A中[12]，在減震器導(dǎo)向套油道中設(shè)有限壓閥，并將傳統(tǒng)減震器的活塞閥系及底閥閥系改為只允許油液自下向上流動(dòng)的單向閥，如圖5所示。

圖5 上置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)用例示意圖

圖5中，通過(guò)對(duì)限壓閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作的簡(jiǎn)單控制實(shí)現(xiàn)對(duì)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)；又如，美國(guó)FOX公司專利US7374028中[13]，通過(guò)在儲(chǔ)油缸上部設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)隔離閥閥芯，改變油液在工作缸和儲(chǔ)油缸之間的流通阻尼，實(shí)現(xiàn)對(duì)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。

下置式筒型調(diào)節(jié)將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置于減震器下部，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 下置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

通過(guò)對(duì)可調(diào)底閥的動(dòng)作，改變油液在減震器工作缸與儲(chǔ)油缸之間的流通阻尼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。專利CN103775557A[14]采用了典型的下置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 下置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)用例示意圖

圖7所示結(jié)構(gòu)中，在儲(chǔ)油缸與工作缸之間加入導(dǎo)油缸，導(dǎo)油缸與工作缸包圍形成導(dǎo)油腔。導(dǎo)向套上設(shè)有常通孔及油道，連通活塞桿腔與導(dǎo)油腔。在減震器下部，設(shè)計(jì)有可調(diào)閥組件，組件內(nèi)部有油道及節(jié)流閥，連通導(dǎo)油腔下部導(dǎo)油孔和儲(chǔ)油腔下部導(dǎo)油孔。減震器工作時(shí)，無(wú)論復(fù)原還是壓縮行程，油液均會(huì)經(jīng)導(dǎo)向套油道及導(dǎo)油腔的引導(dǎo)，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥組件，在活塞腔與活塞桿腔之間流通。因此，通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)；與之結(jié)構(gòu)類似的還有FOX公司的專利US2016/0153516[15]，區(qū)別在于該專利將調(diào)節(jié)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改為螺線管閥。

側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)管或其他方式與工作缸或儲(chǔ)油缸連接，通過(guò)改變油液在工作缸和儲(chǔ)油缸之間的流通阻尼改變減震器阻尼力。其布置方式如圖8所示。

圖8 側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

采用側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的專利較多，如US20100170760A1[16]，及美國(guó)FOX公司專利US2014/0008160等[17]。以后者為例做具體介紹，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)用例示意圖

圖9中，在充氣式減震器工作缸側(cè)壁外設(shè)有旁通油道，旁通油道上端接外部壓力源，用以控制上閥芯動(dòng)作，改變上節(jié)流孔開(kāi)度；旁通油道下端有調(diào)節(jié)閥組件，用以預(yù)先設(shè)定下閥芯的開(kāi)啟壓力。工作過(guò)程中，本研究通過(guò)對(duì)上下閥的調(diào)節(jié)，可以改變經(jīng)旁通油道在活塞腔與活塞桿腔之間流通的油液流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。

2 不同調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)性能對(duì)比分析

針對(duì)桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和調(diào)節(jié)原理的區(qū)別，本文主要從實(shí)用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面對(duì)它們的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)實(shí)用性對(duì)比分析。對(duì)于桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置在活塞桿內(nèi)部，結(jié)構(gòu)上十分緊湊，有助于縮小減震器體積，節(jié)省減震器安裝空間，具有較好的實(shí)用性；對(duì)于筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，一方面，該結(jié)構(gòu)通常需要在工作缸和儲(chǔ)油缸之間增設(shè)中間缸，導(dǎo)致減震器直徑增加，體積增大；另一方面，側(cè)置式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的存在增大了減震器徑向尺寸，需占用更多安裝空間，不利于減震器的使用安裝，影響其實(shí)用性。

(2)可靠性及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。一般而言，桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的零件數(shù)量大、尺寸小、加工精度較高，因此生產(chǎn)成本較高；筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)零件數(shù)量少、尺寸大、加工精度要求較低，生產(chǎn)成本低，相比于桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，有較好的經(jīng)濟(jì)性；可靠性方面，與桿型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相比，筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量少，參考減震器可靠性評(píng)價(jià)相關(guān)研究可知：筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有更好的可靠性[18-19]。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)已有專利文獻(xiàn)作出總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，本文得出以下結(jié)論：

(1)桿型阻尼力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)精密、節(jié)流孔徑小的特點(diǎn)，因此其阻尼力調(diào)節(jié)范圍較小；同時(shí)，由于該結(jié)構(gòu)需采用中空活塞桿，而活塞桿是減震器的主要傳力部件[20]，相較于采用實(shí)心活塞桿的筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，桿型調(diào)節(jié)阻尼可調(diào)減震器強(qiáng)度較弱，所能承受的最大作用力較小，因而適用于阻尼力峰值小、對(duì)可靠性要求較低的場(chǎng)景，如輕型轎車減震器；

(2)筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，零部件數(shù)量少，且節(jié)流孔徑及體積與桿型結(jié)構(gòu)相比尺寸較大，更加適用于安裝空間相對(duì)充裕、阻尼力變化范圍較大、工作環(huán)境相對(duì)惡劣的場(chǎng)景；

(3)由于不同類型的阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)各異，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)具體的使用環(huán)境及性能要求選擇不同的阻尼調(diào)節(jié)方式。