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(xué)，上海 201900；3.泛亞汽車技術(shù)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(yán)苛的設(shè)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(yīng)對復(fù)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)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］?？傊?，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(gòu)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(xì)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(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計，規(guī)避了上述技術(shù)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(shè)計人員提供了一種新的設(shè)計思路，提供了一種避免復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)布置

可變阻尼減振器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由導(dǎo)向套、活塞桿、工作缸筒、活塞閥系、頻率響應(yīng)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?；钊麠U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(fù)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(jié)構(gòu)圖

1.2 基本原理的數(shù)學(xué)推導(dǎo)

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(dāng)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(dǎo)為速度v，得出式（8）～（10）：

可得出液壓功率滿足式（11）：

最終推導(dǎo)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(shè)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(shè)計

2.1 活塞閥系的結(jié)構(gòu)設(shè)計

活塞閥系的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括：墊片、樞軸閥片、壓縮閥片組、活塞閥體、復(fù)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(fù)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(shè)置有6個復(fù)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(fù)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(fù)原行程的阻尼力。

圖2 活塞閥系結(jié)構(gòu)圖

2.2 頻率響應(yīng)閥系的結(jié)構(gòu)設(shè)計

頻率響應(yīng)閥系的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)閥系結(jié)構(gòu)圖

活塞桿端頭上設(shè)置有導(dǎo)油槽。襯套套裝在活塞桿端頭，襯套上設(shè)有三級臺階，襯套內(nèi)部設(shè)有腔室，側(cè)邊設(shè)置有可變節(jié)流口，底部設(shè)置有節(jié)流進口，聯(lián)通成油道。間隔環(huán)套設(shè)在襯套最高一級臺階外徑上，與活塞閥系的復(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)閥體側(cè)面設(shè)置有油封槽，用于安裝油封。油封的截面為X形，達(dá)到雙唇口密封的作用。錐形殼體位于頻率響應(yīng)閥體的最下方，套裝在活塞桿端頭上，錐形殼體和頻率響應(yīng)閥體通過油封密封，在頻率響應(yīng)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(zhuǎn)動松脫。

2.3 底閥系的結(jié)構(gòu)設(shè)計

底閥系的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)有節(jié)流口，靠近直徑外側(cè)設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)閥系。當(dāng)活塞桿往復(fù)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。活塞閥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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)閥系工作時，阻尼力的頻率相關(guān)變化，是通過活塞閥系復(fù)原行程的頻率相關(guān)附加彈簧力實現(xiàn)的。當(dāng)活塞桿沿復(fù)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(dǎo)油槽引導(dǎo)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(yīng)閥體的底面，產(chǎn)生的力使頻率響應(yīng)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(yù)加載。產(chǎn)生的附加力通過間隔環(huán)傳遞到活塞閥系的復(fù)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(jié)束位置”。頻率響應(yīng)閥體這種往復(fù)運動是本閥系的關(guān)鍵技術(shù)。

圖6 頻率響應(yīng)閥系工作原理

當(dāng)減振器低頻復(fù)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(yīng)閥體移向上述“結(jié)束位置”。此工況下，阻尼力是活塞閥系的復(fù)原閥片組的閥片彈簧力和頻率響應(yīng)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(fù)原閥片組的閥片彈簧力增強，導(dǎo)致復(fù)原方向的阻尼力升高，實現(xiàn)了低頻高阻尼力的目的。

當(dāng)減振器高頻復(fù)原時，激勵頻率與壓力室的填充量存在相關(guān)性，頻率越高，填充量越小，則頻率響應(yīng)閥體的向上位移越小，產(chǎn)生的附加力越小，復(fù)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(jié)果分析

可以根據(jù)汽車減振器臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(fù)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(yīng)閥的干預(yù)力度，從而適配需要承載較大側(cè)向力的減振器。而且，區(qū)別于主動減振器，該設(shè)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(jié)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(shù)，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(xì)介紹了該設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)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(jié)果證明，阻尼可變減振器的主要特點是頻率響應(yīng)，其核心設(shè)計創(chuàng)新點為頻率響應(yīng)閥系，該閥系可增加低頻激勵下減振器復(fù)原沖程的阻尼力，并且可適用于針對減振器施加較大側(cè)向力的懸架工況。具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好、通用性強、易于裝配的特點。