汽車底盤設計系列講座之三

安徽工程大學：時培成

2010年11月汽車底盤設計系列講座之三

（減振器設計）

“減振器”一詞是汽車底盤行業(yè)內(nèi)通用術(shù)語，汽車減振器實際上是一個振動阻尼器。減振器在汽車中不僅用在懸掛上，在其它的位置也有應用。例如用于駕駛室、車座、方向盤等，也可作為緩沖器用在車輛保險杠上。

汽車底盤設計系列講座之三

（減振器設計）汽車減振器的作用1.對因路面不平或駕駛條件差而引起向車身傳遞的振動進行阻尼，保持車輛的平順性，乘座舒適。2.快速消除由路面引起的軸和車輪的振動，保證車輪隨時抓地，從而保證車輛的轉(zhuǎn)向和剎車功能，提高車輛行駛的安全性。筒式減振器型號表示

由結(jié)構(gòu)特征（雙筒或單筒）代號、工作缸內(nèi)徑值、行程數(shù)值、上下連接型式（螺桿或吊環(huán)）代號、種類區(qū)別代號、和連線組成。

×××－×××××

結(jié)構(gòu)特征代號（S或D）工作缸內(nèi)徑數(shù)值（mm）行程數(shù)值（cm）上部連接型式（G或H）下部連接型式（G或H）種類區(qū)別代號（從第二種始A、B、C……）

麥氟遜式減振器型號表示

由特征代號（ST），連桿直徑數(shù)值（mm），工作缸內(nèi)徑數(shù)值（mm），油筒外徑數(shù)值（mm），種類區(qū)別代號和連線組成。ST××－××－×××

麥氟遜式減振器代號連桿直徑（mm）工作缸內(nèi)徑（mm）油筒外徑（mm）種類區(qū)別代號（從第二種始A、B、C……）

汽車減振器相關(guān)術(shù)語：復原阻力：減振器增加長度運動時的阻力。壓縮阻力：減振器減小長度運動時的阻力。額定阻力：減振器出廠要求檢測的阻力。額定速度：減振器額定阻力規(guī)定的速度。 Lmin

：減振器壓縮到底長度。Lmax

：減振器拉伸到頭長度。汽車筒式減振器的分類2按工作缸性質(zhì)分：單筒減振器與雙筒減振器。3按是否充氣分：充氣式與非充氣式。4按拆卸形式分：可拆卸式與不可拆卸式。5按安裝形式分：獨立懸架與非獨立懸架。1按結(jié)構(gòu)分：搖臂式和筒式搖臂式減振器能夠在比較大的工作壓力(10～20MPa)條件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨損和工作溫度變化的影響大而遭淘汰。筒式減振器工作壓力雖然僅為2.5～5MPa，但是因為工作性能穩(wěn)定而在現(xiàn)代汽車上得到廣泛應用。筒式減振器又分為單筒式、雙筒式和充氣筒式三種。雙筒充氣液力減振器具有工作性能穩(wěn)定、干摩擦阻力小、噪聲低、總長度短等優(yōu)點，在轎車上得到越來越多的應用。國內(nèi)的汽車懸架，廣泛采用的是筒式液壓減振器，減振器內(nèi)的工作介質(zhì)是某種油液，這是迄今為止在技術(shù)上頗為成熟的一種減振器。從阻力和吸收能量方面作比較，它重量輕、外形小，能獲得比較穩(wěn)定的阻力，并且可以按需要決定工作速度與阻力的函數(shù)關(guān)系。筒式液壓減振器的工作原理

當車架與車橋作往復相對運動，活塞在缸筒內(nèi)作往復運動，油液便反復地從一個內(nèi)腔通過一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔，此時，孔壁與油液間摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對振動的阻尼力，把車身與車架振動的能量轉(zhuǎn)化為熱能，并由減振器內(nèi)油液吸收，進而通過減振器殼體然后散發(fā)到大氣中。雙向作用筒式液壓減振器基本構(gòu)成

雙向作用筒式液壓減振器主要由：油封、活塞桿、活塞閥、底閥、工作缸、油筒以及上下連接件等組成。（即雙筒、一桿、四閥）。減振器的工作過程由是復原行程和壓縮行程持續(xù)交變過程形成的。減振器在復原（拉伸）工況下的工作原理：當活塞桿帶動活塞拉伸相對工作缸上移時，稱為復原行程。此時由于上腔的體積減小，下腔的體積增大，使上腔的工作壓力高于下腔，上腔的工作液使流通閥關(guān)閉，使復原閥打開通過復原閥節(jié)流后向下腔流動產(chǎn)生復原（拉伸）阻力。減振器在壓縮工況下的工作原理

當活塞桿帶動活塞壓縮相對工作缸下移時，稱為壓縮行程。此時上腔的體積增大，下腔的體積減小，使下腔的工作壓力高于上腔，下腔的工作液使復原閥關(guān)閉，流通閥打開，下腔的工作液通過流通閥向上腔流動充滿上腔。通常采用的減振器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計是：將復原閥和流通閥設為一體，壓縮閥、補償閥設為一體的閥系結(jié)構(gòu)。這種型式的閥結(jié)構(gòu)緊湊，基長可以做的較小。其阻力的控制由一組閥片的剛性來控制，阻力的調(diào)整可以通過改變閥片的數(shù)量來實現(xiàn)，調(diào)整方便，性能比較穩(wěn)定。復原行程復原閥工況：活塞向上低速運動時，活塞上腔的油液，通過活塞上端的常通孔（即復原閥開口閥片上開口槽）流入下腔。常通孔節(jié)流產(chǎn)生油液阻尼形成減振器低速復原阻尼力。壓縮閥工況：由于復原閥下腔因體積增大，與儲油筒之間出現(xiàn)壓差，因此儲油筒的油液推開底閥上的補償閥流入下腔，以補足下腔，使稍后的壓縮行程不致出現(xiàn)空程。影響低速時的阻尼力大小的因素：活塞的泄漏，開口閥片的開口大小。低速工況中速工況：活塞向上中速運動時，這里由于活塞上腔壓力增高，壓迫復原閥座向下運動，使閥片變形，直至打開復原閥，油液通過復原閥座上復原孔，從復原閥座與復原閥片向下變形后的間隙流入下腔。開閥后的壓差是產(chǎn)生減振器中速復原阻尼力的基礎(chǔ)。影響中速時阻尼力大小的因素有：閥片剛度、復原閥座內(nèi)外圓端面的高度差、內(nèi)圓直徑大小。閥片剛度越大，開閥力越大；閥座內(nèi)外圓端面的高度差越大、內(nèi)圓直徑越大，閥片所需的開閥力越大，阻尼力越大。高速工況：活塞向上高速運動時，復原閥全開，使復原閥開度與復原閥座上的復原孔面積等效，形成復原閥最大開度。這時的工作壓力等效復原孔產(chǎn)生的油液阻尼，形成高速阻尼力。影響高速時阻尼力的因素除以上因素外主要是：復原閥座上復原孔的通流面積。復原孔的通流面積的大小關(guān)系到閥的最大開度，影響高速時的阻尼力。通流面積越大，高速時的阻尼力越小。壓縮行程壓縮閥工況：活塞向下低速運動時，壓縮閥上腔的油液，通過壓縮閥座上端的常通孔（即壓縮閥開口閥片上開口槽）流入儲油腔。常通孔節(jié)流產(chǎn)生油液阻尼形成減振器低速壓縮阻尼力。復原閥工況：由于壓縮閥上腔的壓力增大，油液推開復原閥上的流通閥，補足上腔油液，使稍后的復原行程不致出現(xiàn)空程。影響低速時的阻尼力大小的因素：壓縮閥的泄漏，開口閥片的開口大小低速工況：中速工況：活塞向下中速運動時，這里由于壓縮閥上腔壓力增高，壓迫壓縮閥座向下運動，使壓縮閥片向內(nèi)變形，直至打開壓縮閥，油液通過壓縮閥座上壓縮孔，從壓縮閥座與壓縮閥片向下變形后的間隙流入下腔。開閥壓力產(chǎn)生了減振器中速乃至向高速過渡的壓縮阻尼力。影響中速阻尼力大小的因素有：閥片剛度、壓縮閥座內(nèi)外圓端面的高度差、內(nèi)圓直徑大小。閥片剛度越大，閥座內(nèi)外圓端面的高度差越大、內(nèi)圓直徑越大，閥片所需的開閥力越大，產(chǎn)生的阻尼力越大。高速工況：活塞向下高速運動時，壓縮閥全開，使壓縮閥開度與壓縮閥座上的壓縮孔面積等效，形成壓縮閥最大開度。這時的工作壓力等效壓縮通孔產(chǎn)生的油液阻尼形成高速壓縮阻尼力。影響高速時阻尼力的因素除以上因素外主要是：壓縮閥座上壓縮通孔的通流面積。壓縮孔的通流面積的大小關(guān)系到閥的最大開度，影響高速時的阻尼力。通流面積越大，高速時的阻尼力越小。高速畸變與臨界速度

液壓減振器在復原行程末期，活塞處于減振器工作腔頂部，此時，流入下腔的工作液不足以充滿減振器下腔，下腔工作液的補償是由底閥上開設的補償閥完成的，由于液壓減振器的結(jié)構(gòu)所限，補償閥的開度及最大流量有一定限值。減振器復原行程中，下腔要求補償?shù)牧髁繀s是隨減振器工作速度的增大而增大的。因此，當速度增大到一定程度時，便會發(fā)生補償閥補油不足的現(xiàn)象，使壓縮行程最終出現(xiàn)空程，這稱為減振器的高速畸變。

對于液壓減振器，無論將補償閥設計得如何靈敏，都存在著一個臨界速度：當減振器工作速度高于臨界速度時，減振器外特性便會發(fā)生畸變,這是一般液壓減振器固有的缺陷。若想避免這種高速畸變發(fā)生，只有采用充氣減振器，增大貯油缸和工作缸下腔的壓差，提高補償閥的補償能力，從而提高臨界速度，使減振器具有更高的抗畸變能力。充氣式減振器

充氣式減振器按工作介質(zhì)的儲存方式分為兩大類：油氣分開式、油氣混合式。油氣分開式結(jié)構(gòu)比較復雜，氣囊工藝要求高，目前國內(nèi)外普遍采用油氣混合式結(jié)構(gòu)。現(xiàn)普遍采用的充氣式減振器是油氣混合式結(jié)構(gòu)。采用的充氣工藝是：在雙筒液壓減振器的基礎(chǔ)上，從封蓋打孔處充入一定氣壓的氮氣，再用鉚釘堵孔后進行焊接。充氣式減振器儲油筒內(nèi)的工作液在預充的氣體作用下,增加了與復原閥下腔的壓差，提高了補償閥的補償能力，從而提高臨界速度，同時也改善了工作液抗乳化性能。有利于消除一般液壓減振器固有的高速畸變?nèi)毕?、降低減振器的工作噪音，使減振器的工作性能更加穩(wěn)定，高頻狀態(tài)下舒適性得到了充分的提高。充氣減振器具有較高技術(shù)復雜程度，其密封性要求高，因此制造充氣減振器的難度在于：減振器的充氣方法及是充氣后減振器阻力的控制、密封和壽命的保證。專用充氣設備需專業(yè)減振器設備廠家制造。減振器主要故障及影響因素減振器早期漏油1油封處漏油2其它原因引起的漏油減振器異常噪聲減振器失效油封處漏油原因個別油封耐磨性差，早期磨損；個別減振器在組裝時清潔度差，使油封超常磨損；連桿表面粗糙度差，個別連桿有劃傷,損傷油封；個別減振器零件形位誤差大組裝后使連桿相對油封的同軸度增大，使油封偏磨。縫焊處漏油原因縫焊環(huán)境參數(shù)偶爾發(fā)生變化，使焊接電流波動造成焊縫隱性缺陷；

個別減振器焊接部位的表面狀態(tài)不一致或表面不清潔，使焊接工件接觸電阻發(fā)生變化，使焊接電流波動造成焊縫隱性缺陷；

其它原因引起的漏油減振器裝車位置不合理、不在理想的中間或壓縮偏下限位置；連接件外裝橡膠襯套形式不合理，導致橡膠襯套松曠。異響

減振器的異響分為空程性異響與摩擦性異響?？粘绦援愴懀河捎跍p振器外特性畸變形成的是某種空程性沖擊噪聲，在一定條件下，與車身的共振而產(chǎn)生的異響。摩擦性異響：減振器油封與連桿之間的摩擦較大，而產(chǎn)生的摩擦異響。減振器與懸架系統(tǒng)不匹配、減振器吊環(huán)與橡膠襯套松曠、導向器組件內(nèi)孔尺寸偏小也可能產(chǎn)生異響。因此減摩降噪是減振器外特性設計和工藝控制的重要原則和目標。一、減振器阻尼設計（相對阻尼系數(shù)）

減振器在卸荷閥打開前，減振器中的阻力F與減振器運動速度v之間有如下關(guān)系

F=δv式中，δ為減振器阻尼系數(shù)。圖具有如下特點：阻力—速度特性由四段近似直線線段組成，其中壓縮行程和伸張行程的阻力—速度特性各占兩段；各段特性線的斜率是減振器的阻尼系數(shù)δ=F／v，所以減振器有四個阻尼系數(shù)。在沒有特別指明時，減振器的阻尼系數(shù)是指卸荷閥開啟前的阻尼系數(shù)而言。通常壓縮行程的阻尼系數(shù)與伸張行程的阻尼系數(shù)不等。汽車懸架有阻尼以后，簧上質(zhì)量的振動是周期衰減振動，用相對阻尼系數(shù)Ψ的大小來評定振動衰減的快慢程度。k為懸架系統(tǒng)的垂直剛度，

ms為簧上質(zhì)量。減振器的阻尼作用在與不同剛度k和不同簧上質(zhì)量ms的懸架系統(tǒng)匹配時，會產(chǎn)生不同的阻尼效果。Ψ值大，振動能迅速衰減，同時又能將較大的路面沖擊力傳到車身；Ψ值小則反之。通常情況下，將壓縮行程時的相對阻尼系數(shù)ΨY取得小些，伸張行程時的相對阻尼系數(shù)ΨS取得大些。保持ΨY=(0.25~0.5)ΨS的關(guān)系。設計時，先選取ΨY與ΨS的平均值Ψ。對于無內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，取Ψ=0.25~0.35；對于有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，Ψ值取小些。對于行駛路面條件較差的汽車，Ψ值應取大些，一般取ΨS>0.3；為避免懸架碰撞車架，取ΨY=0.5ΨS

。減振器阻尼系數(shù)。因懸架系統(tǒng)固有振動頻率，所以理論上。實際上應根據(jù)減振器的布置特點確定減振器的阻尼系數(shù)。三、減振器阻尼系數(shù)δ的確定例如，當減振器如圖a）安裝時，其阻尼系數(shù)δ為如圖b）安裝時，δ為如圖c）安裝時，δ為由此可見，在下橫臂長度n不變的條件下，改變減振器在下橫臂上的固定點位置或者減振器軸線與鉛垂線之間的夾角α，會影響減振器阻尼系數(shù)的變化。

為減小傳到車身上的沖擊力，當減振器活塞振動速度達到一定值時，減振器打開卸荷閥。此時的活塞速度稱為卸荷速度vx

。在減振器安裝如圖b時四、最大卸荷力的確定卸荷速度vx

一般為0.15~0.30m/s。A為車身振幅，取±40mm；ω為懸架振動固有頻率。如已知伸張行程時的阻尼系數(shù)δs

，在伸張行程的最大卸荷力為五、筒式減振器工作缸直徑D的確定根據(jù)伸張行程的最大卸荷力，計算工作缸直徑。[p]為工作缸最大允許壓力，取3~4MPa；λ為活塞桿直徑與缸筒直徑之比，雙筒減振器取λ=0.4~0.5,單筒式減振器取λ=0.3~0.35減振器的工作缸直徑D有20、30、40、(45)、50、65mm等幾種。選取時應按標準選用，詳見JBl459《汽車筒式減振器尺寸系列及技術(shù)條件》。貯油簡直徑Dc=(1.35～1.50)D，壁厚取為2mm，材料可選20鋼。減振器的外特性是指減振器伴隨(相對)運動的位移或(相對)運動的速度，與相應產(chǎn)生的工作阻力之間的關(guān)系，通常指的是試驗示功圖和試驗速度特性。作為減振器的基本性能，示功圖和速度特性的工作品質(zhì)，決定了它與懸架系統(tǒng)的匹配工作質(zhì)量。實際減振器的外特性是非線性的，又是非對稱的，即減振器在復原行程和壓縮行程，開閥前和開閥后的阻尼系數(shù)都是變量。因此，先進工業(yè)國家的標準通常要求減振器外特性按多個規(guī)范速度進行檢測，以多個限速測點參數(shù)給出減振器的外特性規(guī)范(參見表1)。六、減振器的外特性設計速度規(guī)范定義的阻尼力，實際上是在保證速度特性的“走向”，非線性的或是近于某種分段線性的，都是在使這種“走向”所定義的阻尼力能夠與懸架的阻尼設計需要相匹配。這個相匹配的外特性是評價減振器性能的重要指標，持續(xù)地按匹配指標穩(wěn)定的工作能力(經(jīng)臺試或路試考核)則是減振器的壽命評價。因此，這是減振器設計的第一個重要問題。減振器外特性是內(nèi)特性設計的依據(jù)，內(nèi)特性則由某種確定的結(jié)構(gòu)所保證;這是反求設計和主動設計都須遵循的基本原則。當前在懸架減振器的國產(chǎn)化進程中試制件外特性往往超出樣機規(guī)范要求(參見圖4），大都是在這個基本原則上，或者是結(jié)構(gòu)，或者是工藝措施，反求設計沒完全適應樣機規(guī)范要求，因而才越出允差區(qū)的。減振器的改進措施千變?nèi)f化，但目標大體集中在三個基本方面:a.以兼顧車輛平順性和安全性“折衷”方案為基礎(chǔ)的，外特性三級控制;b.以防止漏油失效為目標的工作可靠性，c.以控制外特性畸變?yōu)榛A(chǔ)的工作穩(wěn)定性。其中，無一不涉及外特性的畸變問題。在這個意義上講，研究和改善減振器的性能和工作質(zhì)量，使之具有穩(wěn)定的匹配阻尼功能，關(guān)鍵在于消除減振器外特性的畸變;因為它對車輛平順性和安全性的影響，不容忽視。a.減振液內(nèi)混有氣體，造成工作液物理性質(zhì)的不穩(wěn)定性，使減振器外特性呈現(xiàn)某種程度的滯后現(xiàn)象，如圖所示。①良好（微量畸變）②③合格（畸變行程<S/2）④不合格（畸變行程>S/2）對于減振器而言，存在一個發(fā)生畸變的臨界速度；該臨界速度與激勵頻率并無直接關(guān)系。無論頻率大小，只要減振器的工作速度達到了臨界速度，便會發(fā)生畸變。見下圖?！把セ奔礈p振器示功圖在復原行程和壓縮行程初期均出現(xiàn)空程的現(xiàn)象，由于這種雙向空程性的示功圖呈靴狀，故稱為“靴畸”。結(jié)論1.懸架減振器的內(nèi)特性是根據(jù)外特性要求設計的，并通過一定的結(jié)構(gòu)設計來保證.因此，減振器外特性畸變必然存在結(jié)構(gòu)設計和工藝保證兩方面的潛在原因。2.減振器外特性畸變的主要形式為壓縮行程初期的畸變、復原行程初期的畸變和靴畸。3.改善傳統(tǒng)液壓減振器內(nèi)特性設計，可以有效地消除復原行程初期的空程性畸變。4.由于補償閥的補償能力所限，對于傳統(tǒng)的雙筒液壓減振器總存在一個臨界速度，當減振器工作速度高于臨界速度時，便會發(fā)生畸變。加大補償閥通徑以及提高補償閥前后壓差，可以有效地提高此臨界速度，消除壓縮行程初期的空程性畸變。5.雙筒充氣減振器由于在貯油腔內(nèi)建立了一定的背壓.可以有效地提高卜述臨界速度.使減振器在實際工作過程中不會發(fā)生空程性畸變。結(jié)論①對于外特性呈現(xiàn)壓縮行程畸變，特別是超越l/2行程的空程性畸變的減振器，由于減振器運行中工作液不連續(xù)而釀成沖擊噪聲的潛在噪聲源，這種噪聲不論被聽覺與否，畸變與噪聲同期存在。建議改進該類型減振器的補償閥結(jié)構(gòu)，以期提高補償流量(當然，徹底解決是采用充氣的結(jié)構(gòu)和工藝)。對于呈現(xiàn)雙向空程畸變的減振器，最終后果也將造成潛在的噪聲源。關(guān)于噪聲（“發(fā)響”）卡滯或卡死現(xiàn)象的本質(zhì)，是超常摩擦力對行駛平順性的有害影響;凡出現(xiàn)空程畸變的試件，幾乎概不例外地呈現(xiàn)非常摩擦力，樣件的摩擦力大體在100~200N，它會使車輛平順性變壞；我們把由于復原阻力過低破壞了匹配阻尼，引起行程限位器與導向器剛性撞擊(概率增加)，叫作元件匹配阻尼不足引起系統(tǒng)的硬響應，而不是減振器“發(fā)硬”；我們把減振器的壓縮阻力過高(最高達標準值的208%，均值也達105.4%)則習慣地稱之為減振器硬了。因為減振器壓縮阻力的標準值，通常要考慮利用匹配彈簧的一部份彈性力，因此，過份地加大壓縮阻力，即等于不適當?shù)卦龃髲椈蓜偠?，從而改變了預期的剛度和阻尼的標準匹配關(guān)系，使平順性變壞。關(guān)于摩擦力（“發(fā)硬”）關(guān)于懸架減振器非線性外特性的規(guī)律化和量化問題在解決懸架阻尼系數(shù)的匹配問題時，必須解決減振器非線性外特性的規(guī)律化和量化問題。為此，工程上通常將減振器的外特性用近似的分段線性特性來描述，并按振動速度，分為低速段、中速段和高速段，如圖1所示。分段線性化解決了用工程近似方法設計非線性減振器的外特性問題。根據(jù)圖1可以定義幾個用于表征分段線性規(guī)律并便于量化的特征參數(shù)。①雙向阻尼比bs:減振器在規(guī)范速度下的壓縮阻力與復原阻力的比值。規(guī)范速度在有關(guān)標準