雙筒式電/磁流變減振器內(nèi)沉降顆粒再分散研究

李春明， 雷強順， 馮占宗， 陰運寶

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

減振器是車輛懸架的重要組成部件，主要用于快速衰減車體自由振動，并抑制車輪振動、降低車輪動載.具有阻尼可控特性的電/磁流變減振器可大幅提高車輛的平順性、安全性和操縱穩(wěn)定性，是減振器的重要發(fā)展方向.

傳統(tǒng)液壓減振器中，雙筒減振器是最常見的結(jié)構(gòu)形式，具有承受側(cè)向力能力強、油封壓力低、行程大、對飛石和彈片的損傷不敏感等優(yōu)點，已成為高機動車輛的標配[1-2].但是，傳統(tǒng)雙筒減振器如果直接灌裝電流變液、磁流變液，則易出現(xiàn)底閥堵塞現(xiàn)象，制約了工程應(yīng)用.

為避免堵塞，目前商用磁流變減振器多采用單筒結(jié)構(gòu)，其實質(zhì)是用浮動活塞代替取消易堵塞的底閥，在補償腔充較高氣壓.但由于單筒減振器密封件始終承受來自補償室的高壓(通常3～5 MPa，與最大壓縮阻尼力有關(guān))，在越野工況下易損壞[1]，因此當前單筒式的磁流變減振器的阻尼容量一般較小，僅應(yīng)用于輕型車輛上[3-4].

為發(fā)揮雙筒減振器的優(yōu)點，本研究針對電/磁流變液沉降分層問題進行了適應(yīng)性設(shè)計.

1 堵塞機理

雙筒減振器采用雙筒同軸安裝的結(jié)構(gòu)形式，主要組件包括如圖1所示的活塞桿、活塞總成、導(dǎo)向及油封總成、工作缸、外筒總成、底閥總成等[4].

圖1 雙筒減振器結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)雙筒減振器底閥總成由壓縮閥片、復(fù)原閥片及緊固件等組成，安裝在工作缸底端的支承座上.主要作用是補償因活塞桿進出油缸引起的缸內(nèi)油液體積變化，保證行程交替時阻尼力連續(xù)變化，避免外特性出現(xiàn)空程，影響懸架阻尼的匹配容量[5].

電流變液、磁流變液是阻尼可控減振器常用的兩種阻尼介質(zhì)，均由固體顆粒、合成油及其它添加劑組成[4].實踐表明，由于固體顆粒與合成油組份間的密度差懸殊，長期靜置后不可避免出現(xiàn)沉降分層[6].當沉降分層時，沉積層將覆蓋在底閥上堵塞壓縮閥上的常通孔(壓縮閥片上的槽)，使底閥失去補償功能.由于工作缸的液體不可壓縮，則減振器呈剛性支撐在車體與車輪間，嚴重損害車輛的平順性，引發(fā)減振器支座開焊或油封承損.

2 單程閥結(jié)構(gòu)與工作原理

本研究提出了用單程閥取代壓縮閥的設(shè)計思路，從防堵與快速再分散兩方面入手來消除沉降帶來的影響.

2.1 結(jié)構(gòu)簡介

單程閥位于工作缸上腔內(nèi)，安裝在導(dǎo)向座上，包括滑環(huán)、導(dǎo)向帶、限位螺釘及導(dǎo)向座上的通孔等組件.如圖2所示.導(dǎo)向帶采用活塞用導(dǎo)向帶，安裝在滑環(huán)內(nèi)的環(huán)形槽內(nèi)，內(nèi)側(cè)與活塞桿接觸；滑環(huán)上端面與導(dǎo)向座下端面配合，用于開關(guān)導(dǎo)向座上6個通孔口.該孔通往導(dǎo)向座上的集油槽，然后通往貯油腔.限位螺釘安裝在導(dǎo)向座上的螺栓孔內(nèi)，利用其冠部限制在壓縮行程時滑環(huán)的位移量(1～1.5 mm)，避免復(fù)原行程時不能及時關(guān)閉從而出現(xiàn)較大空程.螺栓孔4個，均布在滑環(huán)外側(cè).

圖2 單程閥結(jié)構(gòu)圖

同時，底閥總成上的壓縮閥充當安全閥，僅當壓力超過設(shè)計值時開閥卸壓.

2.2 工作原理

如圖3所示.當減振器處于壓縮行程時，在活塞桿與導(dǎo)向帶間摩擦力的作用下，滑環(huán)隨活塞桿向下運動，導(dǎo)向座上的通孔開啟.由于活塞桿不斷伸入工作缸，同一時間內(nèi)工作缸上腔無法全部容納來自下腔的油液，上腔部分油液經(jīng)導(dǎo)向座上的通孔進入補償腔.

顯然，壓縮行程時補償液不再流經(jīng)底閥，即便有顆粒沉降到底閥上，也不會阻礙減振器的壓縮.而分層后上腔上層為浮油，粘度低，有利于流通、潤滑油封.因此，顆粒沉降、液體分層將不會導(dǎo)致減振器內(nèi)閥系補償功能喪失.

圖3 工作原理

當減振器處于復(fù)原行程時，滑環(huán)隨活塞桿向上運動堵住導(dǎo)向座上的通孔口，防止上腔油液流入補償腔.此時來自上腔的油液不足以填滿工作缸下腔，補償油液在補償腔與工作缸下腔壓差作用下克服補償閥的預(yù)壓力進入工作缸，與下腔液體混合.此時上腔為高壓腔，在液體的壓力下滑環(huán)端面與導(dǎo)向座下端面緊貼，關(guān)閉通孔口，使上腔建立預(yù)期壓力，達到阻尼要求.

單程閥引入使補償液形成單循環(huán)流動.如果工作缸的液體已發(fā)生沉降分層，則工作缸上腔接近單程閥處的液體為析出的浮油，而下腔底閥處為沉降顆粒.在活塞、活塞桿的推動下，浮油經(jīng)單程閥、貯油腔、底閥到達下腔，重新與沉降顆?；旌?然后再經(jīng)活塞上阻尼閥到達上腔.因此，單程閥使整個工作缸內(nèi)液體不斷趨于混合均勻，不僅實現(xiàn)沉降顆粒再分散，而且有利于保持阻尼穩(wěn)定.

進一步可知，如果增加補償腔的充氣壓力(如常見的0.6～0.8 MPa)，則將提高浮油進入工作下腔的速度，可加大沖擊沉降顆粒的力度，有利于快速分散.當然，快速補油也有利于改善減振器高頻阻尼特性，消除壓縮空程[5].

2.3 孔徑約束關(guān)系

為及時補油并保證活塞上的閥系成為主要節(jié)流區(qū)，單程閥通孔截面積與活塞上節(jié)流閥通孔應(yīng)滿足一定比例關(guān)系.根據(jù)液流連續(xù)原理，有

(1)

在傳統(tǒng)減振器中，補償閥通孔面積大，往往忽略計算校核過程.但對電/磁流變減振器，由于液體粘度高，為得到較低的零場阻尼，可變阻尼閥的截面積也較大，因此用于補償?shù)耐捉孛娣e也較大，必須進行校核.

同理復(fù)原閥和補償閥在結(jié)構(gòu)上及其加工精度上也確保如式(2)所示的工程近似制約關(guān)系.

.

(2)

式中：Af為復(fù)原閥最大流通面積；Ff為最大復(fù)原阻尼力.

2.4 減振器力學模型

根據(jù)減振器的物理結(jié)構(gòu)，壓縮行程阻尼力可用式(3)表示.

Fy=(P2-P1)(Ah-Ag)+(P1-P0)Ag.

(3)

式中：P1為上腔工作壓力;P2為下腔工作壓力;P0為貯油腔背壓.

傳統(tǒng)減振器壓縮阻尼力較小，主要是由相當于活塞桿伸入工作缸那一部分工作液通過底閥(壓縮閥)分流形成的阻尼力，活塞上流通閥的節(jié)流作用很小，阻尼力近似為第二項.而電/磁流變減振器磁流變阻尼閥為主要節(jié)流區(qū)(否則無法實現(xiàn)變阻尼).

顯然，對于傳統(tǒng)液壓減振器，較大活塞半徑、較大背壓都有利于提高阻尼力.而對于電/磁流變減振器，活塞半徑越大，主閥區(qū)的節(jié)流作用越小，阻尼可變范圍也就越小.

2.5 負面影響分析及措施

補償油單向循環(huán)增加了與補償氣體接觸，使油液內(nèi)泡沫增加，引起阻尼力空程畸變，會惡化車輛的平順性.根據(jù)文獻[4]推薦的措施，為快速消除氣泡，在減振器補償室內(nèi)設(shè)計圓斷面螺旋隔圈，它用釬焊焊接在內(nèi)缸的筒壁上.

3 試驗驗證

已設(shè)計加工了磁流變減振器、電流變減振器.本次采用已設(shè)計的磁流變減振器進行試驗，主要參數(shù)如表1所示.

表1 磁流變減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 試驗條件

依據(jù)標準QC/T545，采用正弦激勵方式，激勵振幅為±50 mm，頻率分別為0.42 Hz、0.83 Hz、1.667 Hz.本文僅顯示0.42 Hz時示功特性，因為此時庫侖阻尼在整個阻尼中具有較高的占比，粘性阻尼的示功圖比較規(guī)范，易于觀察到結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對庫侖阻尼的影響.

圖5是灌裝在減振器內(nèi)的磁流變液與電流變液.其中電流變液為我國自主研制，電場強度3 000 V/mm時剪切應(yīng)力可達60 kPa，是一種具有潛在工程應(yīng)用價值的新型電流變液.材料穩(wěn)定性試驗表明，兩種材料久置(放置約一個半月)后均出現(xiàn)了分層，體積比均大于15%；但兩種材料均未團聚板結(jié)，具有很好的再分散性，通過搖晃就可發(fā)現(xiàn)再次混合均勻.

圖4 沉降分層后的電/磁流變液

3.2 試驗結(jié)果

項目應(yīng)用減振器示功特性試驗，通過比較靜置前后阻尼力的變化來評判單程閥對堵塞問題的有效性.在先前的研究中，一旦底閥堵塞，阻尼力將增加數(shù)倍，甚至超出試驗臺適用范圍.

示功特性試驗現(xiàn)場如圖5所示.減振器安裝在力學特性試驗臺上，液壓激振頭在上，與活塞桿連接；力傳感器在下，與減振器外筒總成連接.圖中直流電源用于為活塞上的線圈供電.

圖5 示功特性測試現(xiàn)場

1)靜置前.

磁流變減振器安裝傳統(tǒng)底閥，其壓縮閥上的常通孔參考文獻[7]，按活塞、活塞桿、活塞上阻尼閥節(jié)流間隙之間的比例關(guān)系確定.計算表明，單純依賴壓縮閥片的槽根本不能滿足要求，必須在閥桿上開啟較大的常通孔.根據(jù)經(jīng)驗，由于其它部件存在了間隙泄漏，實際孔徑略小于理論值.

根據(jù)試驗規(guī)范，試驗開始前減振器先運行20次(振幅20 mm、0.42 Hz)進行“排空”，使工作腔的氣體全部進入補償腔.該過程模擬車輛起步后，車速較慢時減振器的運行情況.“排空”后，將振幅更換為50 mm，施加控制電流.示功特性如圖6所示，由內(nèi)向外依次為通電0 A、0.5 A、0.75 A(圖中未顯示)、1 A、1.25 A(圖中未顯示)、1.5 A、2 A時阻尼力曲線.

圖6 磁流變減振器示功特性

示功特性表明，零場時示功圖飽滿，未出現(xiàn)畸變；壓縮、復(fù)原行程阻尼近似對稱.隨著線圈供電電流增大，庫侖阻尼力增加；1 A后增幅趨緩；與0 A時相比，當施加2 A時最大庫侖阻尼可達1.62 kN；壓縮行程阻尼大于復(fù)原行程.

示功特性顯示，當電流增加至0.75 A時復(fù)原行程初期開始出現(xiàn)空程畸變，且隨著施加電流增加而變大.短暫停頓試驗后該現(xiàn)象仍然存在.原因在于當施加磁場后，流經(jīng)活塞阻尼閥磁流變液表觀粘度高于底閥常通孔的表觀粘度，流量不再維持原有比例關(guān)系，進入上腔的油液不足，上腔形成低壓.當復(fù)原行程時，上腔的低壓仍持續(xù)一段時間，出現(xiàn)低阻尼甚至空行程.

試驗結(jié)束后在同一減振器上安裝單程閥(實物如圖7所示.注：導(dǎo)向座上的通孔為螺紋孔，試驗階段裝上螺絲，就與傳統(tǒng)導(dǎo)向座功能一致.)，然后將減振器豎直靜置3個月.

圖7 單程閥實物圖

2)靜置后.

試驗條件與靜置前一致.在記錄數(shù)據(jù)前減振器運行20個沖程進行“排空”、沉降混合.然后將試驗條件設(shè)計為振幅50 mm、頻率0.42 Hz，施加0 A、2.5 A控制電流開始示功特性試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù).示功曲線如圖8所示.

圖8 磁流變減振器沉降再分散特性

示功圖表明，零場時減振器粘滯阻尼力變化不明顯，且隨著運行周期增加，阻尼力差異不顯著，說明磁流變液組分比與靜置前接近，說明得到了較好的混合.

當施加2.5 A控制電流時，復(fù)原行程初期仍有一定空程，空程畸變的主要特征是：隨著試驗次數(shù)增加而加劇，試驗停頓重啟后空程畸變消失，然后逐漸出現(xiàn)，初步判斷為工作液乳化，出現(xiàn)了泡沫.另一方面可能與支承座與工作缸之間的間隙有關(guān)，試驗階段為方便拆裝，工作缸與支承座之間采用間隙配合.

盡管有空程，但與未采用單程閥相比，已得到了大幅改善.按照汽車減振器驗收標準，是可接受的.

試驗中測量了減振器外筒上、中、下位置的溫度，結(jié)果顯示不同部位溫差較小，說明單程閥形成的單向循環(huán)改善了外筒散熱能力.

4 結(jié) 論

單程閥使補償液形成循環(huán)流動，消除了沉降影響.解決了雙筒式電/磁流變減振器常見的堵塞問題，實現(xiàn)了阻尼介質(zhì)動態(tài)混合均勻，有利于保持阻尼穩(wěn)定性；在材料制備方面，可不再以材料沉降性作為主要追求目標，為改善剪切屈服強度創(chuàng)造了有利條件，推進了電/磁流變技術(shù)工程化應(yīng)用進程.

單程閥增加了流向外筒上半部補償油的流量，改善了散熱性能，提高減振器高溫時的阻尼容量.這些優(yōu)點都有利于車輛機動性的提高.

單程閥的開關(guān)要依賴導(dǎo)向帶與活塞桿之間的摩擦力，其運行穩(wěn)定性、耐久性還需要進一步考核，結(jié)構(gòu)還需要改進.