半主動(dòng)式減振技術(shù)在國(guó)內(nèi)商用車領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

柴文鈞

(上海交通大學(xué)，上海200030)

1 減振器振動(dòng)阻尼的原理與功能

過(guò)減振器進(jìn)行衰減的 (上方曲線)。

1.1 被動(dòng)式減振器的減振原理

減振器實(shí)際上是振動(dòng)阻尼器的別名，但“減振器”一詞卻是汽車底盤行業(yè)內(nèi)通過(guò)的術(shù)語(yǔ)。常規(guī)減振器的作用是減小振動(dòng)。當(dāng)車輛在彈簧上振動(dòng)時(shí)，減振器的作用力總是與運(yùn)動(dòng)的方向相反，起著阻止振動(dòng)的作用。由于道路不平，車體在彈簧上就產(chǎn)生大振幅的自由振動(dòng)，而振動(dòng)的大小隨著車輛運(yùn)行的速度變化，在一定的速度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生共振，即車體的振動(dòng)越來(lái)越大。有了減振器就能使振動(dòng)很快衰減，阻止車輛共振的發(fā)生，并有效地減少車輛的振動(dòng)。

當(dāng)汽車遇到顛簸時(shí)，懸掛彈簧和減振器均被壓縮，懸掛可以吸收振動(dòng)對(duì)車身的沖擊。它可以避免簧載質(zhì)量mb(車身以及載荷)同非簧載質(zhì)量ma(軸和車輪)發(fā)生接觸。但另一方面，彈簧要釋放壓縮時(shí)吸收的能量并復(fù)原。正是為了快速抑制軸和車身之間的相對(duì)往復(fù)振動(dòng)，才在底盤上設(shè)置減振器?；奢d質(zhì)量mb和非簧載質(zhì)量ma在不同頻率范圍內(nèi)振動(dòng)。振動(dòng)衰減圖(圖1)清晰地描述了由地面引起的振動(dòng) (下方曲線)如何通

1.2 頻率可調(diào)節(jié)式 (FSD)減振器的減振原理

FSD閥體的設(shè)計(jì)在大范疇中屬于正比閥中的一種衍生，即半主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的阻尼控制正比閥，應(yīng)用對(duì)象為雙筒式液壓減振器。液壓式阻尼器是一種對(duì)速度反應(yīng)靈敏的吸收衰減振動(dòng)裝置，它能夠吸收、衰減振動(dòng)與沖擊的能量，從而減少構(gòu)建的動(dòng)力反應(yīng)［1］。結(jié)合國(guó)內(nèi)目前的實(shí)際路況，大多是選擇在減振器活塞閥體上安裝FSD閥來(lái)主動(dòng)調(diào)節(jié)復(fù)原行程上的阻尼力，來(lái)實(shí)現(xiàn)整車在遇到顛簸路面以及經(jīng)過(guò)坑洼路面時(shí)減少?gòu)穆访鎮(zhèn)鬟f到整車底盤以及客車車廂的振動(dòng)。其外部無(wú)需電氣控制器，根據(jù)整車接收到的從路面?zhèn)鬟f的變動(dòng)頻率，為底盤提供可變的阻尼力調(diào)節(jié)舒適性與操控性。從圖2中可以了解到FSD減振器的結(jié)構(gòu)。

其中 活塞閥體是減振器在復(fù)原方向上制造阻尼力的關(guān)鍵部件，油通過(guò)回路1壓縮活塞閥片產(chǎn)生阻尼力，衰減來(lái)自車輛的振動(dòng)和顛簸?？譈是FSD閥體中的重要特征，孔徑0.025 mm，工作中類似于液壓放大器，放大的阻尼力依附于運(yùn)動(dòng)頻率與關(guān)閉閥門A，切斷平行油路2所需要的時(shí)間。在高頻下(大于7 Hz)，壓縮與復(fù)原之間不足以留出0.15～0.2s完全關(guān)閉閥門A，所以減少的阻尼力幅度取決于減振器運(yùn)動(dòng)的頻率。閥門A為液壓觸動(dòng)型，當(dāng)膜下房室從孔B充滿油時(shí)，閥門在固定時(shí)間里將完全關(guān)閉流量 (0.15～0.2s)。預(yù)載墊片會(huì)產(chǎn)生非常小的預(yù)載荷，將閥門A置于閥座上，使閥門在復(fù)原開(kāi)始時(shí)刻為常開(kāi)“open”狀態(tài)。

2 FSD與常規(guī)減振器的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 背景介紹

在為宇通客車集團(tuán)ZK6122HD9車型配套減振器項(xiàng)目中，客戶希望通過(guò)對(duì)FSD減振技術(shù)在整車路試中的測(cè)試，來(lái)對(duì)其優(yōu)于常規(guī)減振器的阻尼特性作驗(yàn)證。整車路試地點(diǎn)選在襄樊試驗(yàn)場(chǎng)平順性試驗(yàn)專用車道，試驗(yàn)方法采用汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn) (GB/T 4970－1996)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示FSD減振器在改善平順性上有實(shí)際效果。

在研發(fā)后期，為了深入研究針對(duì)商用車開(kāi)發(fā)的FSD減振器在性能上的優(yōu)異表現(xiàn)，為宇通定制了一款FSD減振器，希望通過(guò)與普通減振器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)的研究，用示功圖的形式分析和反映FSD減振器的變阻尼特性。

2.2 研究一:相同速率，不同頻率下的阻尼特性對(duì)比研究

研究一研究的對(duì)象是常規(guī)減振器 (左側(cè))和FSD減振器(右側(cè))。分別制作了10只FSD減振器和常規(guī)減振器樣品，在一個(gè)速率0.13 m/s下，調(diào)整頻率以1～10 Hz來(lái)測(cè)試兩種減振器，觀察示功圖的結(jié)果。

(1)研究環(huán)境:適用于擁有1.3 Hz的自然頻率的汽車底盤。

(2)研究目的:通過(guò)F-v圖形觀察常規(guī)減振器與FSD減振器受頻率影響下的復(fù)原和壓縮阻尼特性

圖3中橫坐標(biāo)代表減振器位移 (振幅mm)，縱坐標(biāo)代表減振器阻尼力 (力值N);上端每個(gè)波峰代表一個(gè)速率下的復(fù)原最大力;下端每個(gè)波谷代表一個(gè)速率下的壓縮最大力，力值采集后在上方表格中顯示。分別采集了兩種減振器在相同的速率下，調(diào)整頻率從1 Hz至10 Hz產(chǎn)生的復(fù)原和壓縮阻尼力。

圖3(a)中顯示了常規(guī)減振器在0.13 m/s速率下，頻率對(duì)阻尼力的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn):在相同的速率下，常規(guī)減振器受到從1 Hz到10 Hz頻率波動(dòng)，振幅從21 mm減少至2 mm。其復(fù)原阻尼力在1.98～2.07 kN之間波動(dòng)，壓縮阻尼力0.27～0.35 kN之間波動(dòng)。這表明常規(guī)減振器復(fù)原和壓縮阻尼特性基本不會(huì)受到頻率影響。

圖3(b)中顯示了商用車設(shè)計(jì)的FSD減振器在0.13 m/s速率下，頻率對(duì)阻尼力的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn):在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，遞增的頻率對(duì)FSD減振器的復(fù)原阻尼影響非常顯著，在采集的10組數(shù)據(jù)中，F(xiàn)SD減振器受到從1 Hz到10 Hz頻率波動(dòng)，振幅從21 mm減少至2 mm。其復(fù)原阻尼力從1 Hz下的2.4 kN逐級(jí)遞減，到10 Hz時(shí)下降到0.56 kN，復(fù)原阻尼力的衰減與頻率成正比。

由此可知，壓縮阻尼性能同常規(guī)減振器，不受頻率影響。這表明，為商用車設(shè)計(jì)的FSD閥在一個(gè)速率下的阻尼特性達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，能通過(guò)調(diào)整頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)原阻尼的衰減。

2.3 研究二:變化速率，不同頻率下的常規(guī)減振器阻尼特性

在研究二中研究的對(duì)象是常規(guī)減振器 (圖3)的示功圖。還是用相同的樣品量和方法來(lái)研究。在不同速率 (從0.02 m/s提高到0.3 m/s)下，觀察常規(guī)減振器在頻率從1～10 Hz的復(fù)原與壓縮阻尼特性。

(1)研究環(huán)境:這是一個(gè)適用于擁有1.3 Hz的自然頻率的汽車底盤。

(2)研究目的:通過(guò)F-v圖形觀察常規(guī)減振器在不同速率下受頻率影響的復(fù)原和壓縮阻尼特性。

圖 的研究對(duì)象是常規(guī)減振器 圖中橫坐標(biāo)代表減振器位移 (振幅mm)，縱坐標(biāo)代表減振器阻尼力 (力值N);上端每個(gè)波峰代表一個(gè)速率下的復(fù)原最大力;下端每個(gè)波谷代表一個(gè)速率下的壓縮最大力，力值采集后在上方表格中顯示。采集了10只常規(guī)減振器在不同速率下，頻率從1 Hz至10 Hz產(chǎn)生的復(fù)原和壓縮阻尼力。在研究一的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變速率研究高頻和低頻下對(duì)常規(guī)減振器復(fù)原和壓縮阻尼特性的影響。研究將速率分為兩個(gè)區(qū)間 (高頻區(qū)間和低頻區(qū)間)，每個(gè)區(qū)間分為5個(gè)速率點(diǎn) (0.02 m/s，0.05 m/s，0.13 m/s，0.22 m/s和 0.33

可以發(fā)現(xiàn)

(1)在復(fù)原低頻區(qū)，隨著速率從0.02 m/s增長(zhǎng)到0.33 m/s，復(fù)原阻尼從257N增長(zhǎng)到2 700N;復(fù)原阻尼力與速率成正比。

(2)在復(fù)原高頻區(qū)，采集與低頻區(qū)相同的5個(gè)速率點(diǎn)下的阻尼力，發(fā)現(xiàn)高頻區(qū)采集的阻尼力與低頻時(shí)幾乎完全一致。復(fù)原阻尼力與速率成正比。

(3)在壓縮低頻與高頻區(qū)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，壓縮阻尼特性分別在5個(gè)速率點(diǎn)上表現(xiàn)出了相等的阻尼力。

這個(gè)結(jié)果表明不帶FSD閥的常規(guī)減振器在不同速率下，擁有相同的低頻和高頻阻尼特性，此特征涵蓋復(fù)原和壓縮兩個(gè)行程，也就是說(shuō)，常規(guī)減振器的阻尼力在不同速率下的阻尼力值不會(huì)受改變的頻率影響而發(fā)生改變。

2.4 研究三:變化速率，不同頻率下的FSD減振器阻尼特性

結(jié)合研究二中得出的結(jié)論，常規(guī)減振器的阻尼力在不同速率下的阻尼力值不會(huì)受改變的頻率影響而發(fā)生改變。如果是在不同速率下，針對(duì)商用車設(shè)計(jì)的FSD減振器又會(huì)表現(xiàn)出如何的性能?仍舊用相同的樣品量和方法來(lái)研究，研究的對(duì)象改為商用車設(shè)計(jì)的FSD減振器規(guī)減振器，在不同速率 (從0.02 m/s提高到0.3 m/s)下，觀察在頻率從1～10 Hz的復(fù)原與壓縮阻尼特性。

(1)研究環(huán)境:這是一個(gè)適用于擁有1.3 Hz的自然頻率的汽車底盤。

(2)研究目的:通過(guò)F-v圖形觀察FSD減振器受頻率影響下的復(fù)原和壓縮阻尼特性。

圖5的研究對(duì)象是商用車用FSD減振器，圖中橫坐標(biāo)代表減振器位移 (振幅mm)，縱坐標(biāo)代表減振器阻尼力 (力值N);上端每個(gè)波峰代表一個(gè)速率下的復(fù)原最大力;下端每個(gè)波谷代表一個(gè)速率下的壓縮最大力，力值采集后在上方表格中顯示。采集了10只FSD減振器在不同速率下，觀察頻率從1 Hz至10 Hz復(fù)原和壓縮阻尼力的變化。研究將速率分為兩個(gè)區(qū)間(高頻區(qū)間和低頻區(qū)間)，每個(gè)區(qū)間分為5個(gè)速率點(diǎn) (0.02 m/s，0.05 m/s，0.13 m/s，0.22 m/s 和 0.33 m/s)，可 以發(fā)現(xiàn):

(1)在復(fù)原低頻區(qū)，復(fù)原阻尼力與速率成正比，隨著速率從0.02 m/s增長(zhǎng)到0.33 m/s，復(fù)原阻尼從427N增長(zhǎng)到3 196N。

(2)在復(fù)原高頻區(qū)，復(fù)原阻尼力與速率成正比，采集與低頻區(qū)相同的5個(gè)速率點(diǎn)下的阻尼力，發(fā)現(xiàn)高頻區(qū)采集的阻尼力與低頻區(qū)相比得到了顯著的衰減。隨著速率從0.02 m/s增長(zhǎng)到0.33 m/s，復(fù)原阻尼從195N增長(zhǎng)到1 600N。衰減率達(dá)到45% ～50%。

(3)在壓縮低頻與高頻區(qū)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，壓縮阻尼特性在5個(gè)速率點(diǎn)上表現(xiàn)出了相同的阻尼力。

這個(gè)結(jié)果表明商用車FSD閥在不同速率下的阻尼特性達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。在高頻下的復(fù)原阻尼相較于低頻能得到顯著的衰減;在壓縮行程，高頻區(qū)與低頻區(qū)表現(xiàn)出相同的阻尼力。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)頻率可調(diào)節(jié)式減振器作為純機(jī)械式半主動(dòng)式減振器，能為商用車底盤提供常規(guī)減振器不能給予的舒適與操控兼容性，F(xiàn)SD減振阻尼技術(shù)在國(guó)內(nèi)中高端商用車市場(chǎng)作出的貢獻(xiàn)，能夠使更多的用戶有機(jī)會(huì)接觸到由半主動(dòng)減振器的減振技術(shù)帶來(lái)的不同的駕乘感覺(jué)。在如今大規(guī)模引進(jìn)高新技術(shù)的大背景下，隨著海外先進(jìn)技術(shù)不斷涌入國(guó)內(nèi)，F(xiàn)SD減振技術(shù)也一定能推動(dòng)國(guó)內(nèi)商用車底盤自主研發(fā)的革新之路，將會(huì)為社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值。

【1】解紹偉，尚增溫，郗安民，陳紅光.液壓阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2005(12):9－11.