汽車懸架液壓限位減振器研究綜述

王雪，曾慶東，張曉婷，李艾靜，田雪，曹煜林

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧，錦州 121001）

汽車懸架液壓限位減振器研究綜述

王雪，曾慶東，張曉婷，李艾靜，田雪，曹煜林

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧，錦州 121001）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車懸架對減振器的需求向著高效能、高穩(wěn)定性與安全性方向發(fā)展，液壓限位減振器在懸架系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究受到了人們廣泛的關(guān)注。本文首先討論了普通減振器和液壓限位減振器在示功圖上的不同之處，并對比其優(yōu)缺點(diǎn)；接著結(jié)合國內(nèi)外對用于汽車懸架的液壓限位各種結(jié)構(gòu)的研究成果，綜述了其結(jié)構(gòu)形式和工作原理；最后對比此類液壓限位結(jié)構(gòu)哪些更適用于減振器內(nèi)部進(jìn)行了深刻的討論。

汽車懸架；液壓限位減振器；附加阻尼力

CLC NO.:U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-148-03

引言

減振器是汽車懸架的重要組成部件，現(xiàn)階段雙筒式減振器已被人們廣泛應(yīng)用于汽車懸架中。隨著人們對汽車的乘坐舒適性及平順性需求的提高，減振器在復(fù)雜工況下的高效性和高穩(wěn)定性受到了各學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，某些雙筒式減振器在拉伸和壓縮極限處設(shè)有限位結(jié)構(gòu)，作用是防止出現(xiàn)剛性碰撞。減振器常見的限位結(jié)構(gòu)分為兩類，一類是在工作缸內(nèi)部放置聚氨酯材料的限位結(jié)構(gòu)，另一種是內(nèi)置螺旋彈簧的限位緩沖結(jié)構(gòu)。但是此類結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)材料老化及磨損失效等問題，從而影響減振器的使用性能。

1、液壓限位減振器的特點(diǎn)

參照 QC／T 545－1999《汽車筒式減振器臺架試驗(yàn)方法》，對雙筒式汽車懸架減振器進(jìn)行示功特性試驗(yàn)，得到的示功圖多為圖1所示，其中點(diǎn)A為壓縮極限位置，點(diǎn)C為拉伸極限位置，曲線ABC表示減振器拉伸行程，曲線CDA表示減振器壓縮行程。根據(jù)圖1所示，普通汽車懸架減振器在拉伸極限C點(diǎn)處阻尼力逐漸減小，拉伸行程中當(dāng)阻尼力為0時(shí)，工作缸內(nèi)部的活塞未停止運(yùn)動，會產(chǎn)生減振器的“擊穿現(xiàn)象”，即與工作缸內(nèi)部的導(dǎo)向套發(fā)生剛性碰撞，降低減振器使用過程中的穩(wěn)定性，最終影響汽車的乘坐舒適性與平順性。

與普通雙筒式減振器相比，液壓限位減振器的示功圖如圖2所示，在接近拉伸極限位置時(shí)依靠液壓限位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加阻尼力，使活塞的慣性力與油液產(chǎn)生的緩沖壓力相抵消，以達(dá)到活塞桿總成減速制動的目的，防止導(dǎo)向套與減振器活塞的剛性碰撞。而且可將減振器與車身間的沖擊能量轉(zhuǎn)化為熱能并衰減，從而改善車輛在惡劣工況下行駛的的平順性。

2、液壓限位減振器的發(fā)展

近些年，汽車懸架減振器普遍使用的是液壓阻尼減振器，因此采用液壓原理開發(fā)新型減振器限位緩沖結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為減振器研發(fā)的主流趨勢。 隨著Etman、ChoonTar LEE等人對液壓限位緩沖減振器進(jìn)行研究，國外學(xué)者對其阻尼特性進(jìn)行了仿真分析，但缺少對其試驗(yàn)研究與仿真對比分析。

隨后，吉林大學(xué)郭孔輝院士對液壓限位減振器進(jìn)行了深入的研究，2007年其團(tuán)隊(duì)首次提出了泵式位移相關(guān)變阻尼減振器并申請專利，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，它可以使阻尼力依據(jù)載荷的變化實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。此減振器特點(diǎn)是在工作缸的上部斷口處連接有卸荷閥座及油封座，工作缸與儲油缸之間設(shè)油液導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩的外壁與儲油缸的內(nèi)壁留有間隙，此間隙可構(gòu)成油液流通的通道；在底閥座、活塞及卸荷閥的油液通道口處設(shè)置控制油液進(jìn)出的單向閥，工作缸內(nèi)壁中部開有用于卸油減阻的旁通槽，使阻尼力實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。減振器的限位緩沖作用是通過上、下限位器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)活塞桿總成處于拉伸行程時(shí)，上限位器的上端面與卸油閥座的底面接觸，使卸油閥上的兩個(gè)單向閥堵塞，活塞上行阻尼力達(dá)到最大；當(dāng)活塞桿總成處于壓縮行程時(shí)，下限位器的上簧座頂面將活塞上的單向閥堵塞，下腔停止卸油，活塞下行阻尼力達(dá)到最大，起到限位緩沖的作用；彈簧可減緩活塞工作時(shí)的速度，使阻尼力隨活塞的行程而改變。

由于上述液壓限位緩沖減振器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨后在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型液壓限位變阻尼減振器。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與普通雙筒式液壓減振器較為相似，只是增加了一套帶有卸荷閥和限位彈簧的浮動活塞總成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)減振器的壓縮行程超過限位彈簧的長度，主活塞與浮動活塞相接，堵住浮動活塞中部的油液主通道；主活塞繼續(xù)下行時(shí)，浮動活塞下腔的油液通過通過浮動活塞上的阻尼小孔或底閥上的壓縮閥擠入儲油腔，使壓縮阻力急劇增大，產(chǎn)生數(shù)值上等于工作缸面積與限位壓強(qiáng)乘積的限位力，使減振器具有液壓限位緩沖作用。

為了避免減振器在拉伸行程和壓縮行程活塞與導(dǎo)向套和底閥座發(fā)生剛性碰撞，2013年郭孔輝院士及其團(tuán)隊(duì)提出了一款雙向液壓限位減振器，不僅可以調(diào)節(jié)減振器的壓縮阻尼力和復(fù)原阻尼力，還可以利用這種隨行程變化的阻尼力來控制車身的加速度和懸架的動行程，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

帶有空心軸的懸浮底閥總成代替普通固定的底閥總成，且底閥上不設(shè)阻尼孔，壓縮行程時(shí)油液通過空心軸進(jìn)入底閥裝置。當(dāng)壓縮行程較大時(shí)，活塞桿上的流通流通閥通道被其遮擋，無桿腔壓力壓力上升，使阻尼力變大，進(jìn)而產(chǎn)生壓縮限位作用。在空心軸與活塞上的流通閥通道配合后，空心軸下方的單向補(bǔ)償閥打開，利用兩腔的壓力差進(jìn)行補(bǔ)油；設(shè)置在導(dǎo)向套下面的復(fù)原限位管和設(shè)置在活塞上部的復(fù)原限位錐體在復(fù)原行程較大時(shí)相結(jié)合，有桿腔內(nèi)油液被封閉，腔內(nèi)壓力上升，使阻尼力變大，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)原限位作用。且懸浮式的浮動底閥總成可進(jìn)行微量的徑向移動，以抵消兩軸線產(chǎn)生的微量便宜對空心軸的損害和不必要的摩擦，以提高減振器的壽命。

2013年，錦州立德減振器有限公司自發(fā)研制一款雙活塞阻尼減振器，其結(jié)構(gòu)是在原有的活塞桿總成基礎(chǔ)上增加了一套浮動活塞總成，此浮動活塞總成具有液壓限位功能，其部分結(jié)構(gòu)如圖6所示。其浮動活塞上設(shè)有流通槽，浮動活塞與導(dǎo)向套之間設(shè)有起緩沖作用的螺旋彈簧。

減振器未工作時(shí)，螺旋彈簧未被壓縮，其長度為彈簧的自然長度。當(dāng)減振器處于拉伸行程時(shí)，限位緩沖墊與浮動活塞總成相接觸，使得浮動活塞上的常通孔被限位緩沖墊遮住一部分，從而上腔油液流回下腔；隨著拉伸行程位移的增加，限位緩沖墊與浮動活塞總成一起壓縮限位彈簧向?qū)蛱椎姆较蜃鰷p速運(yùn)動。此時(shí)浮動活塞總成上腔油壓升高，上腔油液在壓力的作用下通過浮動活塞上的常通孔與限位緩沖墊形成小孔節(jié)流作用，從而產(chǎn)生較大的附加阻尼力，起到限位緩沖的作用。

參考以上液壓限位結(jié)構(gòu)，今年筆者運(yùn)用工作缸縮頸形成環(huán)狀縫隙附加阻尼力原理，設(shè)計(jì)一款新型液壓限位減振器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。工作腔腔壁與緩沖腔腔壁之間的錐形過渡段，輔助活塞上開有沿軸向截面積逐漸減小的凹槽。由于輔助活塞與缸壁之間形成的通流面積不斷減小，形成環(huán)狀縫隙阻尼，實(shí)現(xiàn)弱液壓緩沖，可避免緩沖腔直徑突然減小而引起的壓力沖擊。通過調(diào)整輔助活塞底面的直徑d與錐面錐角α的大小，可實(shí)現(xiàn)最大阻尼力的調(diào)整；通過調(diào)整主活塞與輔助活塞之間的距離，可以實(shí)現(xiàn)阻尼力峰值點(diǎn)位置的調(diào)整；過調(diào)整錐形過渡段的長度、錐形輔助活塞的錐角及其上的凹槽的數(shù)量及尺寸，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱緩沖的平穩(wěn)過渡。

3、結(jié)語

液壓限位緩沖減振器在汽車懸架減振器中逐步得到了應(yīng)用，但是對其研究仍舊處于起步階段，還有很多需要深入討論的問題。

液壓限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與簡化?，F(xiàn)階段液壓限位結(jié)構(gòu)主要類型分為兩種，一種是利用限位彈簧在拉伸與壓縮極限處堵塞某一單向閥而形成小孔節(jié)流作用產(chǎn)生液壓緩沖作用，另一種是利用工作缸縮頸與浮動活塞行程環(huán)狀縫隙阻尼形成緩沖作用。對比兩種作用形式，筆者認(rèn)為減振器內(nèi)部加入限位彈簧及其組件增加了減振器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，生產(chǎn)時(shí)需要對其進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)。

建立準(zhǔn)確的動力學(xué)模型。使用計(jì)算機(jī)仿真手段研究液壓限位結(jié)構(gòu)對減振器性能的影響，均是基于普通汽車減振器模型建立液壓限位結(jié)構(gòu)等效液壓模型，其模型建立的準(zhǔn)確性是研究液壓限位減振器對汽車平順性的影響起著至關(guān)重要的作用。

雖然液壓限位減振器的研究我國仍處于起步階段，液壓限位減振器對于改善越野車輛及特種裝備車輛的舒適性有著顯著的效果，這為液壓限位技術(shù)的發(fā)展和水平的提高提供了巨大的動力。

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[7] 王雪等. 液壓限位緩沖結(jié)構(gòu)減振器. 中國，201420654821.2. [P]. 2014-01-23.

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The Research Summarization of Hydraulic Limiting Shock Absorption for Automobile Suspension

Wang Xue, Zeng Qingdong, Zhang Xiaoting, Li Aijing, Tian Xue, Cao Yulin
(College of Automobile and Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001 )

With the development of the automotive industry, the demand for shock absorption toward high-performance, high stability and security .Hydraulic limiting shock absorber application and research in the suspension system has been widespread concern . First , this paper discusses the difference between ordinary and hydraulic limiting shock absorber in dynamometer;Then according the various researches of hydraulic limiting structures for automotive suspension, summarized its structure and working principle; And finally make a discussion between these hydraulic limiting structure which is more suitable for shock absorber.

automobile suspension; hydraulic limiting shock absorber; additional damping force

U463.3

A

1671-7988(2015)05-148-03

王雪，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。