新型減振器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

雷先華，劉湘，劉栩婷

新型減振器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

雷先華，劉湘，劉栩婷

（湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421000）

車輛行駛平順性與安全性問題往往和懸架密不可分，而減振器又是這其中至關重要的部件。減振器自問世以來不斷更新?lián)Q代，早期的液壓減振器因其造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單和易于維修的特點而廣泛使用，隨著人們對舒適性的要求進一步提高，傳統(tǒng)減振器很難滿足我們的需求。應勢而生的新型減振器成為減振器行業(yè)的生力軍，文章主要分析復合型減振器、可調(diào)減振器、電/磁流變減振器和自供電磁流變減振器的發(fā)展現(xiàn)狀與前景。

復合型減振器；可調(diào)減振器；電/磁流變減振器；自供電

1 引言

1580年簡陋的彈簧懸架裝在四輪馬車上由此形成了減振器的雛形，此后經(jīng)過漫長的發(fā)展于1886年出現(xiàn)了成型的汽車減振器，并裝在“奔馳1號”上。但彈簧減振器滿足不了日漸復雜而沉重的汽車，1908年法國人霍迪立發(fā)明了液力減振器，為自那以后的減振器研發(fā)者提供了寶貴的經(jīng)驗，20世紀30年代搖臂式液力減振器開始推廣普及，其性能較前者得到很大提升，但它容易損壞且結(jié)構(gòu)復雜而難以維修，沒能得到長足的發(fā)展。二戰(zhàn)結(jié)束后取而代之的是現(xiàn)在最常見的筒式液力減振器，因為其良好的性能和精簡的結(jié)構(gòu)得到了現(xiàn)代汽車的青睞，但這種傳統(tǒng)液壓減振器由于阻尼特性不可改變，導致其對于道路的適應性差[1]。此后、20世紀中葉單筒充氣式減振器發(fā)展起來，它在克服噪聲和充油不及時問題上頗有建樹。實踐表明，車輛裝備充氣式減振器后行駛平順性和輪胎接地性都得到了有效改善[2]。20世紀60年代以后減振器在國外取得蓬勃發(fā)展，復合型減振器、阻尼可調(diào)減振器相繼研發(fā)問世，往后人們對于減振器的要求更加多元化和智能化。20世紀40年代提出的電/磁流變概念為20世紀末期電/磁流變減振器、自供電磁流變減振器等取得突破性進展提供了理論依據(jù)。種類眾多的新型減振器的出現(xiàn)為解決傳統(tǒng)液力減振器的缺陷提供了多種途徑。

2 傳統(tǒng)液力減振器現(xiàn)狀

現(xiàn)今普遍使用的筒式液力減振器一般為雙筒型，內(nèi)筒為工作缸、外筒為儲油缸，是被動型減振器的一種，主要由阻尼不可調(diào)的液力減振器和剛度固定不變的彈簧構(gòu)成。汽車受到振動及來自路面的激勵時，車身和車橋之間的相對運動迫使減振器內(nèi)的活塞上下往復運動，減振器內(nèi)的油液便通過孔隙在兩腔之間循環(huán)流動，此時孔壁與油液及油液分子間的摩擦力便對震動形成阻尼力，把汽車的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能經(jīng)由殼體散發(fā)到大氣中。在懸架中減振器與彈性元件并聯(lián)安裝在一起，工作過程中彈性元件僅起緩沖作用并不能衰減振動，這樣當車身和車橋發(fā)生相對運動時，在阻尼較小的壓縮行程中，懸架主要充當彈性元件以此緩和路面沖擊；而在復原行程中具有較大的阻尼力，懸架主要充當阻尼元件使其快速衰減振動[3]。阻尼力的大小通過調(diào)節(jié)閥門彈簧的剛度和預緊力來實現(xiàn)，這一過程往往由生產(chǎn)廠商完成，車主后期使用一般不可調(diào)或操作復雜而難以實施，使得車輛不能很好的兼容多變的路況，乘坐舒適性也隨之變差。

3 新型減振器的研究現(xiàn)狀

3.1 復合型減振器

復合型減振器也是充氣式減振器的一種，由普通液力減振器與充氣式減振器組合而成，往普通雙筒液壓減振器的外筒充入低壓氮氣而制成。復合型減振器兼?zhèn)淦胀ㄒ毫p振器和充氣式減振器的優(yōu)點，且彌補了液力減震器的部分缺陷，得到廣泛的認可。傳統(tǒng)液壓減振器在某些特殊工況下會出現(xiàn)充油不及時現(xiàn)象，從而引起異響、減振器外特性畸變等狀況，相應的在減振器示功圖上會有“未飽滿”現(xiàn)象，如圖1所示。減振器所衰減的振動能量即為示功圖所包含的面積，外特性的畸變常常使減振器不能充分衰減振動能量，還會因為工作的不穩(wěn)定而對減振器造成不可逆性傷害。減振器在壓縮行程中如若油液不能及時充滿工作缸上腔，會產(chǎn)生成“空穴”現(xiàn)象，這樣活塞在復原行程前期會有一段無阻尼或低阻尼的非正常行程，使得減振器外特性發(fā)生畸變，如a處所示，若要避免這種情況的出現(xiàn)就要求工作缸下腔與工作缸上腔的壓差要小于工作缸下腔與貯油腔的壓差。同樣地，為避免壓縮行程畸變的出現(xiàn)，如b處所示，這樣就要求由工作缸上腔和貯液筒流入工作缸下腔的油液量等于或大于工作缸下腔空出的容積[4]。

圖1 復合型減振器示功圖

復合型減振器由于充有低壓氮氣，在缸筒內(nèi)建立了一定的背壓，上述減振器外特性畸變現(xiàn)象得到很大改善。主要有油氣分隔式和油氣混合式兩種類型，分隔式減振器需在儲油缸中單獨設立一個氣室，但其有油氣混合型減振器所沒有的優(yōu)點，即能有效防止油液乳化、硬化和變質(zhì)等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。復合型減振器的工作原理和傳統(tǒng)液壓減振器類似，但減振器外特性得到了有效改善，減振器的臨界速度也得到了不小的提高，尤其在消除外特性畸變和降低噪聲方面具有顯著進步，此外還具有靜摩擦力小可靠性好的優(yōu)勢?；谄淞己玫男阅鼙憩F(xiàn)現(xiàn)被廣泛應用于小轎車上，相對于傳統(tǒng)液壓減振器來說結(jié)構(gòu)稍顯復雜，體積上較單筒減振器有所增加，同時較高水準的氣密性對制造工藝提出了一定的要求。

3.2 阻尼可調(diào)減振器

傳統(tǒng)減振器和復合型減振器一旦制成其阻尼就固定不變，當車輛空載或半載行駛時，會出現(xiàn)過阻尼現(xiàn)象，乘坐舒適性差同時對車輛零部件的疲勞壽命也產(chǎn)生嚴重影響。當車輛滿載時，車輛行駛表現(xiàn)出欠阻尼現(xiàn)象，動作幅度大而變得很不安全[5]，且不能滿足高性能轎車及經(jīng)常在路況復雜多變的條件下使用，而阻尼可調(diào)減振器可以分級甚至連續(xù)不間斷地調(diào)節(jié)阻尼力，很好的兼顧了汽車行駛平順性與操縱穩(wěn)定性。阻尼可調(diào)減振器主要由三大部件組成，即傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)，工作時ECU將傳感器收集到的信息進行分析與匹配，隨后把經(jīng)過處理的電信號傳送給控制機構(gòu)來控制通流截面積的大小，阻尼特性隨流通面積的改變而改變，流通面積越小阻尼越大、阻尼建立也越快，反之亦然。

執(zhí)行機構(gòu)最常見的有兩種形式，一種是把控制閥放入活塞內(nèi)，閥門通過一根閥桿穿過中空的活塞桿由步進電機控制，電機使閥桿作軸向或者周向運動來改變通流截面的大小從而改變阻尼，如圖2所示。額外的旋轉(zhuǎn)閥式阻尼調(diào)節(jié)機制是由閥芯和閥體、閥芯和閥體孔變化的重合度、液體通過節(jié)流面積的變化，來實現(xiàn)阻尼監(jiān)管功能的[6]。另一種是在傳統(tǒng)減振器外部增加一個旁路比例電磁閥作為先導式泄壓閥，控制電磁閥就可以改變節(jié)流孔面積，對阻尼力進行調(diào)節(jié)[7]，如圖3所示。

圖2 主油路控制式減振器

圖3 旁路控制式減振器

有級式阻尼可調(diào)減振器能提供的阻尼等級屈指可數(shù)，駕駛?cè)丝筛鶕?jù)路況及反饋回來的駕駛感受選擇盡可能舒適的阻尼等級。無級式阻尼可調(diào)減振器則能自動地、實時地根據(jù)路況和行駛狀態(tài)連續(xù)不斷地改變阻尼大小，使得汽車能在極短的時間內(nèi)衰減振動能量，表現(xiàn)出良好的平順性與操縱性。阻尼可調(diào)減振器的這種工作特性受到了國內(nèi)外中高檔車的喜愛，在現(xiàn)階段的減振器市場中有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但造價較傳統(tǒng)型減振器和復合型減振器都要更昂貴些。

3.3 電/磁流變減振器

20世紀40年代美國學者W.Winslow和J.Rabinow分別提出電流變液（Electro Rheological Fluids，簡稱ERF）和磁流變液（Magneto Rhelogical Fluids，簡稱MRF）概念。在電場/磁場的作用下ERF和MRF會出現(xiàn)固化現(xiàn)象，從而發(fā)生粘度的變化，這一特性正是電/磁流變減振器可以改善阻尼特性的理論依據(jù)。20世紀末期受益于智能材料技術的發(fā)展，ERF和MRF均取得了不小成就，其中MRF在多方面性能要優(yōu)于ERF，在磁場的作用下，磁流變液可在毫秒級的時間內(nèi)連續(xù)、可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)楦唣ざ取⒌土鲃有缘腂ingham流體，表觀黏度可增加2個數(shù)量級以上，表現(xiàn)出類似固體的力學性質(zhì)[8]。除此之外，MRF適應的工作溫度寬可達-40～150℃；強度高出ERF1～2數(shù)量級，從而可以縮小體積；化學穩(wěn)定性也強；采用12～24V的低電壓，耗能低、易控制、結(jié)構(gòu)較電流變減振器簡單，可以說磁流變減振器比電流變減振器更加實用。磁流變減振器的阻尼力大小、阻尼值域及其響應速度是磁流變減振器的重要指標，其中阻尼力的大小與阻尼通道的布局密不可分，因此設計高性能的阻尼通道是掌握磁流變減振器開發(fā)技術的首要因素[9]。來自湘潭大學的科研工作者通過設計改良磁路使其在結(jié)構(gòu)尺寸及輸入條件不變的情況下，增加有效長度16mm后，阻尼力的最大輸出力增加了1380N，阻尼調(diào)節(jié)域調(diào)整至500-3000N左右，更加符合汽車道路行駛要求[10]。但它具有其固有的缺陷，磁流變液的功能性成分鐵磁顆粒容易團聚、沉降、另外造價也較為昂貴、需要外部供能，穩(wěn)定性難以保障，盡管如此，磁流變減振器的眾多優(yōu)點展露了極大的發(fā)展前景引發(fā)了廣大科研工作者的濃厚興趣。

3.4 自供能電磁流變減振器

上文提到的磁流變減振器雖然有著反應靈敏、阻尼可調(diào)的優(yōu)點，但它在外部供能的條件下才可發(fā)揮作用。車輛在行駛過程中需要減振器的時刻護航，這給整車能源消耗帶來了不小的壓力，與節(jié)能減排的發(fā)展理念相悖，因此眾多科研工作者開始研究自供電磁流變減振器。

傳統(tǒng)型減振器把來自路面激勵引起的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能并散發(fā)到大氣中，這部分能量如果加以利用或可滿足磁流變減振器能量的自給自足，這一理論的可行性現(xiàn)已得到不少科研工作者的驗證。如Chen[11-12]等研究人員研究的自供電-自感知磁流變減振器，其結(jié)構(gòu)緊湊并且自供電能可以滿足其感知的需求,國內(nèi)重慶大學的董小閔[13]等研究人員對自供電式汽車磁流變減振器特性研究也表明它的可行性與實用性。根據(jù)減振器能量回收方式的不同，可將其分為壓電式和電磁感應式。壓電式利用壓電陶瓷在車身上下振動時，反復擠壓壓電陶瓷產(chǎn)生電能，但研究表明，壓電效應能量回收效率較低，轉(zhuǎn)化的電能還不足以實現(xiàn)磁流變減振器的自供能[14]。電磁感應式則是利用活塞上下運動帶動線圈與永磁體發(fā)生相對運動而生電，根據(jù)其采用的電機又有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩類，而減振器的簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量是直線往復式，故采用旋轉(zhuǎn)式電機還需運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，這一過程通常由齒輪齒條或滾珠絲杠來完成。研究表明直線電機式轉(zhuǎn)換效率較低，能量大多以熱量的形式散失，而滾珠絲杠式逆?zhèn)鲃有矢?，集成性好[15]，展露了誘人的發(fā)展前景。

4 總結(jié)及展望

本文主要闡述了減振器的發(fā)展形勢--傳統(tǒng)型減振器在當下無法滿足人們對于舒適性的進一步追求，急需更有優(yōu)勢的新型減振器；論述了現(xiàn)在幾種主要的新型減振器的發(fā)展現(xiàn)狀與前景，簡要闡明了各自的優(yōu)劣之處，其中復合型減振器已有足夠的經(jīng)驗和技術；阻尼可調(diào)減振器也在中高檔轎車上廣泛應用，電/磁流變減振器、自供電磁流變減振器嚴格上來說也是阻尼可調(diào)減振器的一種，可見阻尼可調(diào)是減振器發(fā)展的必然趨勢，關鍵在于哪種形式的阻尼可調(diào)減振器能更快、更有效、更智能的應對來自外界的振動；電/磁流變減振器的研究雖都有收獲，但均處在研發(fā)初期階段，價格昂貴、體積較大、鐵磁顆粒的穩(wěn)定性等這些還是亟待解決的難題；自供電磁流變減振器的應用除了基于擁有成熟的磁流變減震技術外，還要輔以較高的機械能--電能轉(zhuǎn)變技術，可以說如果磁流變減震技術都掌握不夠成熟而單只研究電能轉(zhuǎn)變，那么自供電磁流變減振器也無從談起。從短期來看復合型和阻尼可調(diào)型將是主流，同時也是向更加智能型減振器發(fā)展的過渡產(chǎn)品，從中長期來看，在不可再生能源日益枯竭的嚴峻形勢下，新能源汽車和電動汽車將成為汽車發(fā)展的歷史選擇。屆時，電子化、智能化的電/磁流變減振器、自供電磁流變減振器或?qū)⑷〉瞄L足的發(fā)展與應用。

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Research Status and Development Trend of New Type Shock Absorber*

Lei Xianhua, Liu Xiang, Liu Xuting

( Traffic Engineering College of Hunan, Hunan Hengyang 421000 )

The problems of vehicle ride comfort and safety are often inseparable from the suspension, and the shock absorber is one of the important components. Since the advent of the shock absorber, it has been continuously updated. Early hydraulic shock absorbers were widely used because of their low cost, simple structure and easy maintenance. As people's demand forcomfort is further enhanced, traditional shock absorbers are difficult to meet the requirement The new shock absorber, which should be born, has become the life force of the shock absorber industry. This paper mainly analyzes the development status and prospects of Composite shock absorbers, Adjustable shock absorbers, Electromagnetic rheological shock absorbers,Self-supplied electromagnetic rheological shock absorbers.

Composite shock absorbers; Adjustable shock absorbers; Electromagnetic rheological shock absorbers; Self-powered

A

1671-7988(2020)24-236-04

雷先華（1988-），男（漢），研究生，講師，就職于湖南交通工程學院，研究方向：車輛工程、智能材料的應用。

U463

A

1671-7988(2020)24-236-04

湖南省項目：地方普通本科院校汽車專業(yè)應用型人才培養(yǎng)研究（HNJG-2020-1249）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.078

CLC NO.: U463