汽車懸架雙活塞阻尼減振器特性研究

陳 雙 梁海林 王一臣王 建

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)；2.錦州立德汽車減振器有限公司）

1 前言

近年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注減振器功能的提高以及新型減振器的應(yīng)用[1～4]。目前，筒式減振器在汽車懸架系統(tǒng)上的應(yīng)用較為廣泛，根據(jù)所用缸筒的數(shù)量，可分為單筒式和雙筒式。本文在普通雙筒式減振器基礎(chǔ)上，提出了一種適用于汽車麥弗遜懸架的雙活塞阻尼減振器，并通過試驗研究分析了設(shè)計參數(shù)對該減振器的影響。這種雙活塞阻尼減振器不僅比傳統(tǒng)減振器具有更好的限位緩沖功能，還能提高汽車的乘坐舒適性，延長減振器的使用壽命。

2 雙活塞阻尼減振器結(jié)構(gòu)及工作機理

雙活塞阻尼減振器在雙筒式液壓阻尼減振器原有活塞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了一套具有限位緩沖功能的浮動活塞總成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由限位彈簧和浮動活塞總成組成（包括圖中1、2、3）。浮動活塞設(shè)有花瓣型流通槽，上部設(shè)有支撐螺旋彈簧。當(dāng)減振器靜止時，限位緩沖墊到導(dǎo)向套的距離是彈簧的自由長度，即減振器的拉伸限位行程。調(diào)整彈簧長度可以改變限位行程，從而改變減振器的阻尼特性。

當(dāng)減振器處于伸張行程時，限位緩沖墊首先與浮動活塞總成相接觸，使得浮動活塞上通孔被限位緩沖墊遮住一部分，上腔中油液流回下腔。隨著活塞桿繼續(xù)向拉伸方向移動，限位緩沖墊帶動浮動活塞總成壓縮限位彈簧向?qū)蚱鞯姆较蛞苿樱藭r浮動活塞總成上腔空間減小、油壓升高，上腔油液在壓力作用下通過浮動活塞的孔隙與限位緩沖墊形成小孔節(jié)流，從而產(chǎn)生一種附加阻尼力值。

當(dāng)減振器由伸張行程轉(zhuǎn)為壓縮行程，即活塞桿向相反方向移動時，浮動活塞在限位彈簧的張力作用下向下運動。下腔油液通過浮動活塞的通孔及上端（支撐彈簧下方）的旁通孔回流，來補充上腔空間，以便下次伸張行程時產(chǎn)生伸張阻尼力。由于限位彈簧的簧絲直徑小、彈簧剛度小，只能滿足浮動活塞回位，所以在此過程中對壓縮的阻尼力影響很小，可以忽略不計。

3 減振器特性的理論分析

從物理結(jié)構(gòu)考慮，減振器的阻尼作用是由一系列固定節(jié)流孔和可變節(jié)流孔共同作用產(chǎn)生，因此汽車懸架雙活塞阻尼減振器可以簡化為一系列液壓元件組成的等效液壓系統(tǒng)，其簡化模型如圖2所示。根據(jù)其工作原理，可以將浮動活塞總成結(jié)構(gòu)等效為由節(jié)流面積較小的常通孔和節(jié)流面積很大的可變節(jié)流孔組成的液壓系統(tǒng)。

正常工況下，可變節(jié)流孔全部打開，此時液壓緩沖限位器幾乎不起節(jié)流作用，減振器的阻尼作用由流經(jīng)活塞閥的油液流量決定。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，流經(jīng)減振器活塞閥的油液流量Qd與活塞上、下表面油液壓力差和閥體的節(jié)流孔面積有關(guān)，流經(jīng)伸張閥的油液流量可表示為：

式中，ΔPd=P1-P2，P1為工作缸上腔壓力，P2為工作缸下腔壓力；ρ為油液密度；Cd為流量系數(shù)；Am為閥體節(jié)流孔面積。

根據(jù)減振器結(jié)構(gòu)特點，活塞桿運動產(chǎn)生的油液流量由活塞桿截面面積和活塞運動速度決定，即：

式中，Ap為活塞桿截面面積；vp為活塞運動速度。

若忽略補償閥產(chǎn)生的油液流量，則在正常工況下，Qd=Qp，由公式（1）和公式（2）可得：

由于減振器的阻尼力由活塞上、下表面油液壓力差和活塞桿截面積決定，因此在一定活塞運動速度下，減振器阻尼力計算公式為：

由公式（4）可知，正常工況下，減振器的阻尼力與活塞運動速度有關(guān)。

當(dāng)減振器被逐漸拉伸時，流經(jīng)限位緩沖結(jié)構(gòu)可變節(jié)流孔部分的油液會被限位緩沖墊遮擋，并隨著減振器運行至極限行程位置，油液幾乎全部流經(jīng)節(jié)流面積很小的常通孔，從而產(chǎn)生一個附加的阻尼力。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，流經(jīng)浮動活塞孔隙的油液流量Qa由浮動活塞總成上、下腔的壓力差和常通孔面積決定，即：

此時，活塞桿運動產(chǎn)生的油液流量Qp包括流經(jīng)伸張閥的油液流量Qd和流經(jīng)浮動活塞孔隙的油液流量 Qa，即：

將公式（1）、公式（2）和公式（5）代入公式（6）中，可得：

二是建檔制度。在制度制約下，內(nèi)容豐富詳實的土地質(zhì)量檔案資料，可在土地利用規(guī)劃編制、耕地保護及土地交易、土地流轉(zhuǎn)、耕地占補平衡、土地整治、土地質(zhì)量等級變更、農(nóng)產(chǎn)品安全源頭追溯等方面，發(fā)揮重要作用。

限位緩沖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加阻尼力由浮動活塞總成上、下腔的壓力差和活塞桿截面面積決定，即：

式中，ΔPa=P3-P4，P3為浮動活塞總成上腔油液壓力，P4為浮動活塞總成下腔油液壓力。

則有：

從公式（9）中可以看出，浮動活塞總成產(chǎn)生的附加阻尼力也與活塞的運動速度有關(guān)。

4 試驗設(shè)計及結(jié)果分析

4.1 試驗方法

參照QC/T545-1999《汽車筒式減振器臺架試驗方法》，在MTS公司生產(chǎn)的減振器試驗臺上進行相關(guān)示功特性試驗。對雙活塞阻尼減振器試件施加正弦位移激勵，行程固定，依次變化頻率（每個頻率下進行3個循環(huán)周期試驗），從低速到高速進行試驗，得到相應(yīng)的示功曲線。為了滿足用戶需求，本文選取 5 個測試速度點， 即 0.05 m/s、0.13 m/s、0.26 m/s、0.39 m/s和 0.53 m/s。

為了研究浮動活塞總成設(shè)計參數(shù)對減振器特性的影響，本文將對4種不同浮動活塞總成的減振器進行臺架試驗，試驗計劃如表1所示。

表1 減振器試驗計劃

4.2 試驗結(jié)果分析

對雙活塞阻尼減振器試驗樣件按上述試驗方法試驗，得到表1中4組不同浮動活塞總成的減振器示功特性曲線如圖3所示。

a. 減振器在正常拉伸工作區(qū)間運行時，會產(chǎn)生與汽車彈性元件相匹配的拉伸阻尼特性；當(dāng)減振器拉伸到極限位置時，其拉伸阻尼會逐步增大；減振器在壓縮行程的阻尼特性無變化。

b.示功特性曲線中，伸張行程的最大阻尼力并不是發(fā)生在運動速度最大的平衡位置0點，而是超過了平衡位置。由此可知，活塞運動到平衡位置時，浮動活塞上通孔的流通面積還處于不斷變化中，直到示功曲線上最大阻尼點對應(yīng)的位置流通面積達到最小。

c. 同一類型浮動活塞總成下，不同活塞運動速度的示功特性曲線都在同一位置出現(xiàn)拐點，阻尼力從這一點開始迅速增加。由此可以判斷出，曲線上拐點對應(yīng)的位移即為浮動活塞總成限位緩沖作用的起始位置。

d. 同一類型浮動活塞總成下，隨著活塞運動速度的增加，阻尼力增大明顯，且阻尼力的變化是連續(xù)變化的，圖3中表現(xiàn)為梯度較大的圓滑曲線，不僅能有效緩沖減振器極限位置的沖擊，還能緩解由于沖擊造成的乘坐舒適性差等問題。

e.支撐彈簧剛度和浮動活塞上通孔直徑的大小都對減振器的阻尼特性具有一定影響。

綜合上述可知，本文提出的雙活塞阻尼減振器可以增加伸張行程中的最大阻尼力，且不影響壓縮行程的阻尼特性。

5 結(jié)束語

本文對普通液壓阻尼減振器進行改進，提出一種適用于汽車麥弗遜懸架的雙活塞阻尼減振器，并對其工作機理進行分析，通過臺架試驗得到示功特性。試驗結(jié)果表明，本文提出的雙活塞阻尼減振器在伸張行程可以產(chǎn)生附加的阻尼力，使其比傳統(tǒng)減振器具有更好的緩沖減振功能，有效提高了汽車惡劣行駛工況下的平順性，且延長了減振器的使用壽命。

1 Etman,L F P,Vernmeulen,R C N,Van Heck,J G A M,Schoofs,A J G,Van Campen,D H D.Design ofa stroke dependent damper for the front axle suspension of a truck using multibody system dynamics and numerical optimization.Vehicle system dynamics,38(2):85～101,2002.

2 Choon－Tae Lee.Simulation and experimental validation of vehicle dynamic characteristics for displacement－sensitive shock absorber using fluid－flow modeling.Mechanical Systems and Signal Processing 20,2006:37～388.

3 孫勝利.位移相關(guān)減振器動力學(xué)建模及對車輛性能影響的研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2008.

4 楊帆.液壓限位結(jié)構(gòu)在某軍用越野車輛上的應(yīng)用：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2012.

5 曾慶東.機動車減振器設(shè)計.機械工業(yè)出版社，2000.