劉龍飛，夏如艇，※，俞高紅，林樹森，張勇超

（1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2.臺(tái)州學(xué)院智能制造學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000）

0 引言

作為車輛懸架系統(tǒng)的重要組成部分，懸架減振器在車輛行駛舒適性、操縱性、穩(wěn)定性和安全性方面起著非常重要的作用［1］。衡量減振器優(yōu)劣的主要指標(biāo)是減振器的阻尼特性［2］。減振器阻尼力是由內(nèi)部閥系結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，包括常通節(jié)流孔面積、節(jié)流閥片厚度、復(fù)原閥片預(yù)變形量和最大限位間隙［3］。在外部激勵(lì)下，減振器通過閥系小孔、間隙節(jié)流產(chǎn)生阻尼力，將系統(tǒng)振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，通過對(duì)流、輻射等方式耗散，以減輕影響和衰減振動(dòng)的目的［2］。在減振器的連續(xù)運(yùn)行過程中，由于不斷做功導(dǎo)致溫度變化對(duì)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(dǎo)致溫衰，使車輛行駛舒適性差［4］。此外，因橡膠有極限溫度，當(dāng)減振器溫度上升并超過該溫度時(shí)，油封將加速老化，造成油液泄漏，導(dǎo)致減振器特性畸變［5］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(guān)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(shù)學(xué)模型；馬天飛等［7］對(duì)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(jié)構(gòu)與阻尼之間的關(guān)系，而在減振器溫度控制方面的研究較少。減振器的閥系結(jié)構(gòu)和減振器工作時(shí)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(nèi)部閥系結(jié)構(gòu)與溫升的關(guān)系，確定最佳閥系活塞參數(shù)對(duì)提高減振器性能有實(shí)際意義。

1 雙筒液壓減振器結(jié)構(gòu)及工作原理

減振器由活塞桿、工作缸、復(fù)原閥分總成、壓縮閥分總成、貯液筒、導(dǎo)向器以及油封組成，如圖1所示，內(nèi)部注有減振油。車輛在行駛過程中遇到凹坑或凸起路面時(shí)受到顛簸，車身向上或向下運(yùn)動(dòng)，減振器隨著車身的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)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(chǎn)生復(fù)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(dòng)能量轉(zhuǎn)化為油液的熱能，再與外界環(huán)境做熱交換散發(fā)出去。

圖1 雙筒液壓減振器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部閥系

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 雙筒液壓減振器阻尼理論

根據(jù)某減振器生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品，不同活塞速度下的阻尼力組成不同，一般來說，分為3個(gè)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(jié)流通孔常開，在壓縮或復(fù)原行程中會(huì)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(jié)流片產(chǎn)生。

中速段：在較高的速度下，即使油液流過常通節(jié)流孔之后，減振油的壓力仍然很高，因此，減振油沖開復(fù)原閥片，使減振油通過活塞進(jìn)入下腔的額外流動(dòng)。同時(shí)，有流過常通節(jié)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(jié)流片共同產(chǎn)生阻尼力。

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

2.2 雙筒液壓減振器阻尼特性試驗(yàn)

圖2 減振器示功圖

車輛運(yùn)行時(shí)，活塞相對(duì)工作缸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。減振器在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的阻尼力F和相對(duì)位移s構(gòu)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(guān)系，與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)分別表示不同含義。F軸正向交點(diǎn)是復(fù)原行程的最大阻尼力；F軸負(fù)向交點(diǎn)是壓縮行程的最大阻尼力；s軸正向交點(diǎn)是最大正行程；s軸負(fù)向交點(diǎn)是最大負(fù)行程。減振器在一個(gè)連續(xù)行程內(nèi)做的功用示功圖面積來表示，示功圖面積越大，單個(gè)行程內(nèi)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(yōu)劣通常由示功圖來衡量。

2.3 減振器示功循環(huán)升溫

當(dāng)車輛行駛在較差的路面時(shí)，由于頻繁地運(yùn)動(dòng)，減振器產(chǎn)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(yàn)臺(tái)MTS（Mechanical Testing＆Simulation）用于模擬路面條件，通過示功循環(huán)次數(shù)來測試減振器的升溫特性。前人的試驗(yàn)研究表明，油密度對(duì)減振器加熱特性影響較小，而氣體流速對(duì)其影響較大［12-13］。車輛減振器發(fā)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(shí)現(xiàn)。

根據(jù)不同速度段阻尼力的產(chǎn)生，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(diào)節(jié)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(huán)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(huán)境做熱交換，當(dāng)閥系改變后將可降低減振器達(dá)到平衡溫度的時(shí)間與峰值，實(shí)現(xiàn)溫度控制的效果。

2.4 試驗(yàn)方法

制作3種不同厚度的復(fù)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(huán)形活塞孔進(jìn)行示功試驗(yàn)研究。具體參數(shù)值如表1所示。

表1 復(fù)原閥結(jié)構(gòu)參數(shù)

圓形和環(huán)形活塞孔的結(jié)構(gòu)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(huán)形孔如圖3（d）所示，復(fù)原閥片最大開閥環(huán)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(shí)，減振油頂開復(fù)原閥片，當(dāng)活塞速度達(dá)到高速后，由于墊片厚度限制復(fù)原閥片的最大開閥高度，復(fù)原閥片被壓至復(fù)原閥上，形成最大開閥環(huán)形間隙。

圖3 圓形和環(huán)形活塞孔結(jié)構(gòu)

圖4 復(fù)原閥片開閥

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

通過減振器MTS試驗(yàn)臺(tái)，測試其示功圖，以及搭配溫度傳感器測試在相同時(shí)間即相同的升溫循環(huán)次數(shù)下，溫度曲線以及阻尼力曲線，分析溫升情況。采集數(shù)據(jù)設(shè)備如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)設(shè)備

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 活塞孔對(duì)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(shù)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(fù)原閥片開至最大后，活塞孔起到節(jié)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(fù)原阻尼力在活塞速度下基本無變化，在1 040 mm/s時(shí)，復(fù)原阻尼力相差320 N，該值在阻尼力的要求范圍內(nèi)。當(dāng)換上2孔活塞時(shí)，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(shí)，阻尼力相差4 200 N，這是由于復(fù)原閥片打開后的縫隙面積以及活塞孔節(jié)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(duì)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(dāng)厚度為0.283 mm和0.35 mm時(shí)，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(duì)應(yīng)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(huán)

3.3.1 不同活塞結(jié)構(gòu)減振器

減振器3 min范圍內(nèi)采用增加示功循環(huán)次數(shù)來實(shí)現(xiàn)升溫，循環(huán)次數(shù)的多少將影響減振器實(shí)際工況的溫度特性。圖8所示為減振器在5 min內(nèi)的相同示功循環(huán)次數(shù)條件下的溫度。試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 溫升循環(huán)設(shè)定參數(shù)

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(huán)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(fù)原閥片厚度減振器

復(fù)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(nèi)時(shí)，阻尼力相差450 N，溫度相差較小，相差幅度為11℃，因?yàn)闇p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(fù)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(jié)束語

本文針對(duì)示功試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了減振器阻尼特性分析，并結(jié)合減振器升溫循環(huán)試驗(yàn)對(duì)減振器閥系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前后進(jìn)行比較，總結(jié)如下。

（1）活塞高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，4個(gè)φ1.8 mm圓形孔活塞減振器阻尼力由復(fù)原閥片和活塞孔產(chǎn)生，3個(gè)環(huán)形孔活塞減振器的阻尼力由復(fù)原閥片產(chǎn)生，活塞孔不起阻尼作用。3個(gè)環(huán)形孔活塞減振器的示功循環(huán)升溫變慢，吸收同樣路面的振動(dòng)，比4個(gè)φ1.8 mm孔活塞減振器達(dá)到平衡溫度的時(shí)間延遲，平衡溫度峰值降低，從而有效保護(hù)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(yùn)動(dòng)時(shí)，2個(gè)φ1.8 mm活塞減振器的阻尼力基本上由活塞孔來產(chǎn)生，阻尼力跳幅較大。當(dāng)復(fù)原閥片開至最大時(shí)，活塞孔面積越大阻尼不一定越小，環(huán)形孔活塞比圓形孔活塞的流通性強(qiáng)。