汽車減振器安全件設(shè)計與測試的技術(shù)評價指標(biāo)

孫娜　張劍　沈昌等

摘要：針對汽車液力減振器安全件產(chǎn)品，提出了設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則，歸納了減振器的整體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，闡述了減振器設(shè)計與測試的主要技術(shù)評價指標(biāo)，給出了某A級乘用車減振器的技術(shù)指標(biāo)實例，闡明了減振器的各項指標(biāo)與減振器功能之間的關(guān)系。所提出的技術(shù)評價指標(biāo)、參數(shù)以及功能分解關(guān)系，能夠指導(dǎo)減振器安全件的設(shè)計，以提升系統(tǒng)級的性能。

關(guān)鍵詞：液力減振器；設(shè)計、測試；技術(shù)指標(biāo)；功能分解

0引言

減振器屬于汽車的安全件之一，其性能和使用壽命直接影響到平順性、安全性[1]。汽車公司從整車平順性和操穩(wěn)性出發(fā)，根據(jù)簧載/非簧載質(zhì)量、懸架剛度、撓度及在整車布置中的安裝空間等具體要求[2]，優(yōu)化確定減振器的各項指標(biāo)。零部件供應(yīng)商根據(jù)汽車公司所要求的減振器的阻尼特性、整體尺寸、安裝方式和試驗規(guī)范等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行減振器的整體結(jié)構(gòu)、閥系選型以及各種零部件的具體設(shè)計。前者的目的是確定技術(shù)指標(biāo)，后者是為了滿足該指標(biāo)。本文主要闡述減振器設(shè)計與測試相關(guān)的技術(shù)評價指標(biāo)、減振器各項指標(biāo)與其功能之間的關(guān)系，為減振器的設(shè)計開發(fā)提供指導(dǎo)。

1減振器設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則

在滿足基本的外特性要求的前提下，減振器的設(shè)計應(yīng)遵循以下的基本原則：

1.1可靠性高、使用壽命長

a.增強(qiáng)密封性。通過合理設(shè)計油封結(jié)構(gòu)，以及采用較好的材質(zhì)（耐油、耐磨、耐壓、耐高低溫、耐老化等），來延長油封的使用壽命。

b.油液應(yīng)具有良好的高低溫特性、抗泡沫化和乳化性，化學(xué)性能穩(wěn)定。

c.散熱性能好。正常工作時，減振器的發(fā)熱功率與其最大散熱功率相比越小越好。

d.機(jī)械強(qiáng)度和疲勞耐久性高。特別是焊接部位，要確保機(jī)械強(qiáng)度的可靠性。

1.2制造工藝性好、成本低

a.零部件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計,以適應(yīng)大批量生產(chǎn)，同類產(chǎn)品互換性強(qiáng)。

b.保證必要的零件設(shè)計和配合精度，使得阻尼特性分散度小，一致性好。

c.產(chǎn)品輕量化，在確保適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)之下，力求用料少、重量輕。

d.減少切削等機(jī)加工，比如閥體盡量采用粉末冶金件，附件采用沖壓等。

2雙筒液壓減振器的整體外形、尺寸與結(jié)構(gòu)

如圖1、2為雙筒式前后減振器的外形圖，需根據(jù)車輛性能和懸架布置來設(shè)定減振器在各種姿態(tài)下的長度和行程；考慮到承受側(cè)向力以及散熱的需要，減振器長度及外徑應(yīng)在合理范圍之內(nèi)[3]。

a.基長L：可制造的減振器的最小長度，反映結(jié)構(gòu)設(shè)計的緊湊性。

b.最小壓縮長度Lmin：裝車時減振器壓縮到底，基準(zhǔn)與參考點之間的距離。

c.最大拉伸長度Lmax：裝車時減振器拉伸到最長，基準(zhǔn)與參考點之間的距離。

d.行程S：減振器工作時，上、下止點之間的距離，S=Lmax-Lmin。

e．參考姿態(tài)下的長度La及反彈力Fa：裝車靜載狀態(tài)時對應(yīng)的長度和力值。

f．特定載荷Fb下的拉伸長度Lb：在特定載荷下，基準(zhǔn)與參考點之間的距離。

g.徑向尺寸：活塞桿直徑、活塞外徑或工作缸筒內(nèi)徑、儲油筒外徑、防塵罩外徑等。

3減振器的測試項目

按照測試的方法主要分為臺架試驗和裝車路試。其中，道路試驗主要是對減振器裝車的實際效果進(jìn)行各種工況下的主/客觀評價，以及考察減振器相關(guān)的車內(nèi)噪音、疲勞壽命等；減振器臺架試驗的主要測試項目包括：

a.示功特性、抗泡沫化特性試驗

b.速度特性、額定阻尼力、極限速度下的阻尼力試驗

c.阻力-溫度特性、極限溫度特性試驗

d.性能耐久性試驗

e.整體摩擦力、充氣反彈力試驗

f.強(qiáng)激振下的減振器做功試驗

g.噪音、連桿加速度特性試驗

h.密封性試驗

i.耐腐蝕性試驗

j.剛度、抗異常沖擊、結(jié)構(gòu)及焊接部位的強(qiáng)度、疲勞壽命試驗

4減振器主要性能的技術(shù)評價指標(biāo)

4.1減振器的阻尼特性

減振器阻尼特性(外特性)是減振器設(shè)計所應(yīng)滿足的最基本的性能要求。減振器外特性的相對穩(wěn)定性，是評價其質(zhì)量優(yōu)劣的決定因素。減振器的阻尼性能指標(biāo)主要如下:

a．示功特性與速度特性。減振器示功特性F(s)反映同一速度下力與位移的關(guān)系，一般要求光滑、飽滿、無空程、無畸變。阻尼力-速度曲線F(v)反映在不同速度點的活塞平衡位置的阻尼力，通常是由一組離散的關(guān)鍵速度點及對應(yīng)的阻尼力來近似線性構(gòu)造，如圖3所示。

b.額定阻尼力：一般規(guī)定F(V)曲線上，活塞速度為0.52m/s(50mm/3.33Hz)時的減振器阻尼力。

c.溫度特性。溫度特性是在規(guī)定的速度下，減振器阻尼力隨溫度變化的關(guān)系特性。它反映了減振器在油溫升降時的工作狀況差異[4]。通常以20°C時的阻尼力為基準(zhǔn)，考查-30°C以及+80°C時的衰減率。

d.性能耐久性。它反映了減振器在規(guī)定的使用期內(nèi)正常工作的能力。在減振器殼體上施加側(cè)向力，同時活塞桿上施加較小的轉(zhuǎn)角(如30°C)，考查振動循環(huán)次數(shù)在100萬次以上時的減振器性能變化。

e.極限速度和頻率下的阻尼力。減振器在極限速度(如4m/s)下的壓縮力，以及在高頻(如50Hz/±1mm)下的功率損失，它反映了減振器在極限速度和頻率下的工作情況。

f.抗強(qiáng)激振特性。對減振器施加周期性的梯形方波位移激振，振幅為±25mm，速度為2m/s。在循環(huán)50次之后，考查減振器的做功偏差及連桿推力損耗。

g.速度特性曲線的滯回性。如圖4所示，在減振器活塞速度為零的上下止點，會發(fā)生滯回現(xiàn)象；此時內(nèi)部腔的壓差并不為零，活塞桿上還存在有力。滯后的振幅為F（v）曲線上速度過0點時最大、最小曲線的差值。endprint

4.2減振器的整體摩擦力

由于減振器摩擦力的方向總是與活塞運動方向相反，故起到增大阻尼力的作用。通常在v ≤0.005m/s并施加側(cè)向力的條件下，測量減振器行程中點的摩擦力。設(shè)復(fù)原和壓縮行程所測得摩擦力分別為Fmf和Fmy，則減振器的整體摩擦力為Fm=（Fmf-Fmy）/2。

4.3減振器的充氣反彈力

減振器的貯油腔充入低壓氣體之后，在復(fù)原行程將使阻尼力減小；在壓縮行程將增大阻尼力；也即使得減振器的示功曲線整體下移一段。如圖5所示，實線表示充氣之后的示功圖，虛線表示抽氣之后的示功圖。通常在v ≤0.005m/s，在減振器行程中點的測量充氣力Fc。設(shè)復(fù)原和壓縮行程所測得充氣力力分別為Fcf和Fcy，則減振器的充氣力為Fc=（Fcf+Fcy）/2。

4.4 減振器抗泡沫化(畸變)特性

判定時需繪制減振器F(S)曲線圖，如圖6所示，圖中實線為假設(shè)理想曲線，虛線為實測曲線。將實測曲線上折返點與切入點之間的距離與理想曲線進(jìn)行比較，波動不能超過測試行程的25%。

4.5 減振器的機(jī)械性能

減振器的機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)該能夠滿足整車懸架的要求，其試驗結(jié)果應(yīng)確保質(zhì)量。對于麥弗遜前減振器來說，應(yīng)保證的功能主要有導(dǎo)向、支撐彈簧、拉伸和壓縮的行程限位以及固定橫向穩(wěn)定桿。

對于前減振器側(cè)重于以下幾個部分：減振器本體、懸架彈簧的支撐托盤、限位塊支撐隔套、與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的支座、橫向穩(wěn)定桿的支耳；對于后減振器而言，主要關(guān)注減振器本體以及下部鉸接。如圖1、2所示。

因此，對于前后減振器機(jī)械強(qiáng)度方面，所包括的技術(shù)指標(biāo)主要有：

a.剛度。為減振器的彎曲剛度和跳動剛度。彎曲剛度取決于側(cè)向力的方向角以及減振器的行程，跳動剛度則通過緩沖塊限制車輪相對車身拉伸的最大跳動幅度來計算。

b.抗異常沖擊能力。減振器的拉伸限位塊和壓縮緩沖體在最大沖擊力時不應(yīng)產(chǎn)生損壞。

c.焊接強(qiáng)度。如圖1、2所示，焊接部位包括：支柱式減振器的彈簧盤①、橫向穩(wěn)定桿支耳②、轉(zhuǎn)向節(jié)支座③，單純筒式減振器的吊環(huán)④。在一定的拉力下, 焊接部位不應(yīng)有明顯的塑性變形、裂紋及斷裂現(xiàn)象。

d.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。減振器總成、支柱式減振器的轉(zhuǎn)向節(jié)支座、彈簧盤和橫向穩(wěn)定桿支耳，在一定的靜載之下, 減振器的特定部位不應(yīng)產(chǎn)生塑性變形、裂紋及斷裂等現(xiàn)象。

e.抗疲勞強(qiáng)度。減振器總成、支柱式減振器的轉(zhuǎn)向節(jié)支座、彈簧盤和橫向穩(wěn)定桿支耳，在指定交變載荷和循環(huán)次數(shù)下，不應(yīng)產(chǎn)生裂紋、斷裂破壞等失效形式。

4.6油液特性

泡沫化是影響減振器的示功特性出現(xiàn)畸變的關(guān)鍵因素，在設(shè)計時應(yīng)考慮油液的如下特性：a．粘度及粘溫性能；b．抗剪切粘度穩(wěn)定性；c.抗泡沫穩(wěn)定性；d.低溫流動性能、熱穩(wěn)定性能；e．橡膠相容性和防腐蝕性能。

4.7密封性

減振器的密封特性分為兩種：由內(nèi)到外的油液泄漏情況、由外到內(nèi)的防水性。減振器經(jīng)過數(shù)分鐘的高速運行之后、以及從- 40°C 運行試驗至溫升80°C之后 ，活塞桿外露部位應(yīng)該很少甚至沒有粘附油液；以一定的噴水條件，從所有可能的角度，對減振器的密封裝置噴水?dāng)?shù)分鐘，減振器內(nèi)部應(yīng)無水滲入。

4.8噪音特性

減振器在工作時，可能產(chǎn)生如下的噪聲[5]：a.行程轉(zhuǎn)換時由于空程間隙而造成活塞對油液的撞擊、閥片開啟與關(guān)閉的沖擊噪音；b.活塞與缸筒以及活塞桿與油封之間等部位的摩擦噪音；c.油液流經(jīng)閥門阻尼孔以及油液氣穴造成的流體噪音；d.結(jié)構(gòu)振動傳遞至車身引起的共振噪音等。對減振器施加一定的側(cè)向力，在所要求的活塞速度下，減振器的產(chǎn)生的整體噪音不應(yīng)超過規(guī)定的限值。

5減振器的技術(shù)指標(biāo)實例（表１）

6減振器的技術(shù)指標(biāo)與主要功能的關(guān)系

用于車輛麥弗遜式前懸架的液壓筒式減振器，其主要功能可分解如下：

功能A: 緩和車身與車輪的相對運動；

功能B：過濾車輪傳遞的沖擊；

功能C：限制拉伸與壓縮的行程；

功能D：用于懸架的導(dǎo)向；

功能E：不產(chǎn)生令人討厭的噪音；

功能F：有助于整車的姿態(tài)和柔韌性；

功能G：協(xié)調(diào)車輪的正常轉(zhuǎn)向。

以上減振器所應(yīng)實現(xiàn)的各項功能，與主要技術(shù)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性可歸納為如表２所列。

7結(jié)論

減振器性能的優(yōu)劣與其設(shè)計緊密相關(guān)，減振器設(shè)計的核心問題即是確定并滿足各項性能技術(shù)指標(biāo)要求。本文所提出減振器應(yīng)遵循的基本原則，為產(chǎn)品設(shè)計指明了大的方向；所給出的減振器設(shè)計與測試的技術(shù)評價指標(biāo)，以及某A級乘用車減振器的技術(shù)指標(biāo)實例，為減振器的具體指標(biāo)確定以及合理性驗證提供了重要的指導(dǎo)和參考；所歸納的減振器的各項指標(biāo)與其功能分解之間的關(guān)系，有助于針對性的解決減振器設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

參考文獻(xiàn)：

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