汽車雙筒減振器閥系參數(shù)對(duì)阻尼特性影響分析

儲(chǔ)著金

（201108 上海市 上海匯眾薩克斯減振器有限公司）

0 引言

1908 年，法國人Handalle 研制出第一個(gè)實(shí)用液壓減振器[1]。該發(fā)明使油液通過筒體內(nèi)節(jié)流通道產(chǎn)生阻尼力，達(dá)到減振效果。20 世紀(jì)30 年代，工作穩(wěn)定、可靠性更好的搖臂式減振器得到普遍應(yīng)用。20 世紀(jì)40 年代，筒式液壓減振器逐漸取代搖臂式減振器，但其有容易發(fā)生畸變、沖擊和噪聲比較嚴(yán)重的缺點(diǎn)。20 世紀(jì)50 年代出現(xiàn)了充氣式雙筒減振器，這是現(xiàn)代減振器的雛形。

作為汽車減振器的兩大品牌，德國SACHS 和BOGE一直對(duì)減振器的閥系進(jìn)行不斷的迭代研發(fā)，先后推出過遞增形阻尼特性的閥系、線性阻尼特性的閥系和非線性混合型阻尼特性的閥系。這些閥系的優(yōu)化設(shè)計(jì)直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性[2]。

目前，國內(nèi)外市場(chǎng)上最流行的一種閥系即為非線性混合型阻尼特性閥系。該閥系的不同參數(shù)影響著阻尼特性的不同速度段，對(duì)閥系參數(shù)的分析有利于設(shè)計(jì)人員更快速、更精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)出適合不同車型的減振器。

1 汽車減振器原理

1.1 雙筒減振器的基本結(jié)構(gòu)

雙筒減振器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由導(dǎo)向器、活塞桿、內(nèi)筒、外筒、復(fù)原閥系、壓縮閥系和底蓋組成。外筒底部焊接有底蓋，壓縮閥系安裝在底蓋上，壓縮閥系和導(dǎo)向器分別過盈安裝在內(nèi)筒的兩端，外筒頂部通過卷邊工藝將導(dǎo)向器壓死，并封閉筒體。活塞桿穿過導(dǎo)向器，在活塞桿末端安裝有復(fù)原閥系。

內(nèi)筒、復(fù)原閥系和壓縮閥系將減振器筒體內(nèi)部分割成3 部分，即復(fù)原閥系上部的上腔，復(fù)原閥系下部的下腔，以及內(nèi)筒外部的外腔。上腔和下腔均充滿液壓油，外腔的下部充滿液壓油，上部充滿惰性氣體，一般充入氮?dú)狻?/p>

活塞桿的上端頭一般與車身連接板相連，減振器外筒一般與汽車下懸架相連，通過活塞桿不斷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起到減振作用。

1.2 雙筒減振器的基本原理

在不考慮液壓油與氮?dú)庀嗳艿臈l件下，減振器筒體內(nèi)遵從體積守恒原則。即，無論活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)中處于何種狀態(tài)，上腔的油液體積V0，oAR，下腔的油液體積V0，uAR，外腔的油液體積V0，R，外腔的氣體體積V0，G，這四者的和保持恒定。

定義：RR——活塞桿直徑，RP——活塞直徑，ARod——活塞桿截面積，ARing——上腔截面積，AKst——外腔截面積，QoAR——上腔液壓油流量，QR——外腔液壓油流量，QuAR——下腔液壓油流量，ΔpKV——復(fù)原閥系節(jié)流壓差，ΔpBV——壓縮閥系節(jié)流壓差。

可知：

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型如圖2 所示，即可推導(dǎo)出減振器的系統(tǒng)阻尼力：

即減振器的系統(tǒng)阻尼力是復(fù)原閥系和壓縮閥系的壓差共同決定的。

由于流體的機(jī)械能守恒，即：動(dòng)能+重力勢(shì)能+壓力勢(shì)能=常數(shù)，伯努利方程如式（4）。

式中：p ——流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)；v——流體該點(diǎn)的流速；ρ——流體密度；g ——重力加速度；h ——該點(diǎn)所在高度；C ——常量。

根據(jù)伯努利原理可以推論出，流體等高流動(dòng)時(shí)，流速大，壓力就小[3]。因此，可以在復(fù)原閥系和壓縮閥系上設(shè)置一些節(jié)流通道，通過這些節(jié)流通道的參數(shù)設(shè)置，保證節(jié)流孔板的厚度小于節(jié)流孔的直徑，就可以調(diào)節(jié)不同速度段該節(jié)流通道的阻尼力。

1.3 雙筒減振器的閥系結(jié)構(gòu)

雙筒減振器的閥系結(jié)構(gòu)如圖3 所示，分為復(fù)原閥系和壓縮閥系。復(fù)原閥系安裝在活塞桿的活塞端，由上至下依次套裝有支撐片、星型彈簧、上節(jié)流閥片、活塞閥體、高速閥片、外光螺母、下節(jié)流閥片、O 型橡膠圈、閥體、調(diào)節(jié)彈簧、調(diào)節(jié)螺母。

壓縮閥系安裝在內(nèi)筒底部。彈簧帽、錐形彈簧、覆蓋閥片、高速閥片、底閥體、缺口閥片、彈簧閥片組由上至下依次套裝在鉚釘上。鉚釘?shù)纳隙藳_壓變形，使彈簧帽與鉚釘固定連接。這些閥系子零件的參數(shù)決定了減振器的阻尼特性。

復(fù)原閥系中的活塞閥體，中間設(shè)有均布的圓形節(jié)流孔，靠近直徑外側(cè)則設(shè)置有均布的腰形旁通孔。上節(jié)流閥片設(shè)置了C 形孔，對(duì)應(yīng)安裝在活塞閥體的旁通孔上部，星型彈簧預(yù)壓在上節(jié)流閥片上部，通過星型彈簧的預(yù)緊力可以調(diào)節(jié)上節(jié)流閥的開閥時(shí)間。高速閥片為小直徑圓形閥片，對(duì)應(yīng)安裝在活塞閥體的節(jié)流孔下部，高速閥片的外徑蓋住部分節(jié)流孔，使得節(jié)流孔形成節(jié)流通道，通過改變高速閥片的直徑大小來控制節(jié)流通道的大小。外光螺母安裝在高速閥片的底部，下節(jié)流閥片套裝在外光螺母上，下節(jié)流閥片的底部受到調(diào)節(jié)彈簧傳遞過來的預(yù)緊力。通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母，即可改變調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，進(jìn)而改變下節(jié)流閥片的開閥時(shí)間。由于操作簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母是最簡易的一種調(diào)節(jié)阻尼力的方法。

壓縮閥系中的底閥體，中間設(shè)有均布的圓形節(jié)流孔，靠近直徑外側(cè)則設(shè)置有均布的腰形旁通孔。高速閥片為小直徑圓形閥片，對(duì)應(yīng)安裝在底閥體的節(jié)流孔上部，高速閥片的外徑蓋住部分節(jié)流孔，使得節(jié)流孔形成節(jié)流通道，通過改變高速閥片的直徑大小來控制節(jié)流通道的大小。覆蓋閥片為中間含有3 個(gè)半橋的圓形閥片，直接覆蓋在底閥體的上端面上，錐形彈簧壓在覆蓋閥片的上端面上，錐形彈簧的預(yù)緊力，使覆蓋閥片起到單向隔離閥的作用。

缺口閥片外徑均布設(shè)置有半圓缺口，這些缺口覆蓋在底閥體的下端面上，缺口處形成了節(jié)流通道，通過改變?nèi)笨诘拇笮。梢哉{(diào)節(jié)該速度段的阻尼力。彈簧閥片組一般由3～5 片圓形閥片堆疊而成，通過在缺口閥片下面安裝不同數(shù)量、不同直徑的圓形閥片，可以調(diào)節(jié)開閥力矩，實(shí)現(xiàn)阻尼力的調(diào)整。

1.4 閥系工作的原理

如圖4 所示，當(dāng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器筒內(nèi)的油液在復(fù)原閥系和壓縮閥系的各種節(jié)流通道中流動(dòng)，各個(gè)節(jié)流通道會(huì)產(chǎn)生不同阻尼力，這些阻尼力的合力形成了汽車減振器的系統(tǒng)阻尼力。

復(fù)原行程:當(dāng)減振器復(fù)原時(shí)，活塞桿往上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)復(fù)原閥系往上運(yùn)動(dòng)，上腔的體積變小，下腔的體積變大，由于上腔的活塞桿本來占用了一部分體積，根據(jù)體積守恒原則，油液通過復(fù)原閥系的節(jié)流通道從上腔流入下腔的同時(shí)，也會(huì)有一部分油液通過壓縮閥系的節(jié)流通道從外腔流入下腔，來補(bǔ)充原本活塞桿占用的空間。

壓縮行程：相反，當(dāng)減振器壓縮時(shí)，活塞桿往下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)復(fù)原閥系往下運(yùn)動(dòng)，上腔的體積變大，下腔的體積變小，一部分油液會(huì)通過復(fù)原閥系的節(jié)流通道從下腔流入上腔，另一部分油液會(huì)通過壓縮閥系的節(jié)流通道從下腔流入外腔。

在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，缸筒內(nèi)的減振器油不斷經(jīng)過閥系的節(jié)流通道或縫隙產(chǎn)生壓力降，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，再通過缸筒將熱量散發(fā)到空氣中消耗掉。而作用在活塞桿上的阻尼力，會(huì)因?yàn)榛钊麠U的運(yùn)動(dòng)速度變化造成閥系不同元件的開閥，而發(fā)生改變。

綜上所述，汽車減振器就是通過其內(nèi)部閥系元件對(duì)油液的節(jié)流，使得來自于車輪及車身的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱量消耗,從而達(dá)到衰減振動(dòng)的目的。所以，閥系元件特性對(duì)于減振器特性有決定性的影響[4]。

2 減振器閥系參數(shù)的影響分析

2.1 液壓模型邏輯圖的建立

將減振器閥系的工作原理建立液壓模型的邏輯圖，如圖5 所示。可以將減振器的液壓模型簡化為不同閥系參數(shù)控制的節(jié)流孔混聯(lián)系統(tǒng)，圖5 中Q代表下腔的油液流量，VD 代表高速閥片，KD 代表復(fù)原閥系活塞閥體上的刻槽孔，BP 代表活塞閥體上設(shè)置的旁通孔，SF 代表調(diào)整彈簧，RV 代表上節(jié)流閥片，BD 代表壓縮閥系的缺口閥片，TF 代表彈簧閥片組，PV 代表覆蓋閥片。

由上述閥系工作原理已知，當(dāng)一組減振器閥系搭建完畢，KD 的節(jié)流通道為恒定面積，該部分產(chǎn)生的阻尼力為線性的。在中速段或高速段，VD的節(jié)流通道也為恒定面積，在中速過渡高速時(shí),VD會(huì)開閥，以開閥點(diǎn)為分界點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生兩種線性阻尼特性。SF 和TF 的節(jié)流通道為可變面積，該部分產(chǎn)生的阻尼特性為非線性的。PV 只起到單向隔離閥的作用，BP 為常通孔，均不影響阻尼力。這些節(jié)流通道混聯(lián)后共同組成的系統(tǒng)阻尼特性，呈現(xiàn)出汽車減振器需要的非線性的特點(diǎn)。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于減振器阻尼力的測(cè)試方法，可根據(jù)QC/T 545-1999《汽車筒式減振器 臺(tái)架試驗(yàn)方法》，通過示功機(jī)采用正弦激勵(lì)的方式對(duì)減振器的阻尼力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[5]。試驗(yàn)行程為±50 mm，激勵(lì)速度分別為0.05、0.13、0.26、0.39、0.52、1.05 m/s。

將某品牌乘用車后減振器置于示功機(jī)上運(yùn)行，可得示功圖，如圖6 所示。

由圖6 可以看出，在任一速度激勵(lì)下的減振器，其在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的中點(diǎn)，即行程為0 時(shí)，阻尼力最大。由于示功機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，傳感器記錄阻尼力會(huì)有偏差，可以取每個(gè)速度點(diǎn)下，行程中點(diǎn)的±5%的阻尼力均值，作為該速度點(diǎn)的最大阻尼力。記錄不同速度激勵(lì)的最大阻尼力，然后描點(diǎn)即可得出減振器阻尼力的Fv曲線。

以某品牌乘用車后減振器為例，該減振器的規(guī)格為TT36/18，即活塞直徑為36 mm，活塞桿直徑為18 mm，外筒內(nèi)徑52 mm，充油量300 g，充氣力100 N。示功機(jī)測(cè)出阻尼力如表1 所示。

表1 某減振器阻尼力Tab.1 Damping force of a twin tube shock absorber

分別調(diào)整該減振器閥系的KD、TF、RV、PV、BP、BD、VD、SF 參數(shù)，依次在示功機(jī)測(cè)試阻尼力。由設(shè)備生產(chǎn)減振器的Fv曲線，如圖7 所示。

圖7 中的曲線顯示，如果僅有KD 參數(shù)的作用，阻尼力將呈虛線的完全線性的阻尼特征。PV 參數(shù)包括覆蓋閥片直徑和錐形彈簧的預(yù)緊力，錐形彈簧剛度很小，只起單向隔離閥的作用，不對(duì)阻尼力產(chǎn)生影響。其他參數(shù)BD、SF、TF、VD、PV 分別會(huì)在活塞的低速區(qū)間、中速區(qū)間和高速區(qū)間起到主要作用。這些參數(shù)的綜合影響形成圖7 中的復(fù)原阻尼特性和壓縮阻尼特性。減振器阻尼特性直接決定車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性，通常減振器低速段（＜0.3 m/s）的阻尼特性主要影響車輛操縱穩(wěn)定性，中高速段（＞ 0.3 m/s）的阻尼特性主要影響平順性[6]。

2.2.1 低速區(qū)間主要影響因素

在復(fù)原行程，KD 為主要影響因素。KD 參數(shù)包括閥體刻槽的寬度和深度，刻槽寬度和深度越小，則節(jié)流通道越小，某速度點(diǎn)下，阻尼力越大（阻尼特征曲線的斜率越大）。

在壓縮行程，BD 為主要影響因素。BD 參數(shù)包括缺口閥片缺口的數(shù)量和大小。缺口越大，數(shù)量越多，則缺口閥片和底閥體之間形成的節(jié)流通道越大，該速度點(diǎn)下的阻尼力越小，低速區(qū)間阻尼特征曲線的斜率越小。

2.2.2 中速區(qū)間主要影響因素

在復(fù)原行程，SF 為主要影響因素。SF 參數(shù)即為調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，當(dāng)調(diào)緊調(diào)節(jié)螺母時(shí)，調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力變大，中速區(qū)間阻尼特征曲線的斜率越大。

在壓縮行程，TF 為主要影響因素。TF 參數(shù)即為彈簧閥片組的回彈能力，改變彈簧閥片組的回彈能力可以通過改變圓形閥片的數(shù)量、直徑以及堆疊方式實(shí)現(xiàn)。圖7 中的曲線顯示，當(dāng)活塞速度在中速區(qū)間時(shí)，彈簧閥片組開閥，開始影響曲線斜率。彈簧閥片組的回彈能力越大，阻尼力越大。

2.2.3 高速區(qū)間主要影響因素

無論是復(fù)原行程還是壓縮行程，VD 都為高速區(qū)間的主要影響因素。VD 參數(shù)即為高速閥片的直徑。當(dāng)活塞速度處于高速區(qū)間時(shí)，高速閥片開閥。此時(shí)，VD 的參數(shù)會(huì)影響阻尼特性曲線，即高速閥片的直徑越大，高速區(qū)間的阻尼力會(huì)越陡增（高速區(qū)間阻尼特征曲線的斜率越大）。

2.2.4 中高速區(qū)間主要影響因素

在壓縮行程，RV 對(duì)中高速區(qū)間的阻尼曲線均有顯著影響。RV 參數(shù)包括上節(jié)流閥片的厚度、直徑以及星型彈簧的預(yù)緊力。RV 開閥形成的節(jié)流通道越小，中高速區(qū)間，任一速度點(diǎn)的阻尼力越大，中高速區(qū)間阻尼特征曲線的斜率越大。

2.3 閥系參數(shù)調(diào)整的主原則

調(diào)試閥系參數(shù)的試驗(yàn)中，在壓縮行程，有可能會(huì)發(fā)生一種“咯咯咯”的異響。這是由于下腔的油液流入外腔比流入到上腔慢，造成氣蝕現(xiàn)象，使外腔氣體進(jìn)入到了上腔。為了避免這種現(xiàn)象，減振器設(shè)計(jì)必須保證，壓縮閥系的壓降大于復(fù)原閥系的壓降。即：

根據(jù)體積守恒原則，可得出：

式中：BleedP——復(fù)原閥系的總開閥截面積；BleedB——壓縮閥系的總開閥截面積。

閥系參數(shù)調(diào)試結(jié)束后，計(jì)算BleedP和BleedB，如果滿足式（6），該組閥系即完成調(diào)試。

3 結(jié)論

通過理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）為了汽車有更好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，汽車減振器的阻尼特性應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn)，且在低速區(qū)間、中速區(qū)間和高速區(qū)間呈現(xiàn)不同的曲線斜率。設(shè)計(jì)過程中，可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的閥系參數(shù)，得到所需阻尼曲線。

（2）低速段主要可以通過調(diào)整閥體刻槽大小來影響阻尼力。

（3）中速段主要可以通過調(diào)整彈簧閥片組或調(diào)整彈簧來影響阻尼力。

（4）高速段主要可以通過調(diào)整高速閥片影響阻尼力。