汽車減震器的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

陳偉 賈春松 鄧鵠 張 廣

摘要：汽車減震器是汽車懸掛系統(tǒng)中的重要組成部分，它能減小車輛在行駛中因路面不平而產(chǎn)生的震動(dòng)和顛簸，提高駕駛舒適性和車輛的穩(wěn)定性。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和人們對(duì)駕駛舒適性和安全性要求的提高，汽車減震器也在不斷演進(jìn)和改進(jìn)。了解汽車減震器的基本原理和發(fā)展歷程，有助于車主和技術(shù)人員更好地了解其重要性和維護(hù)方法，同時(shí)也能為汽車減震器的改進(jìn)和升級(jí)帶來(lái)一定的啟示。從汽車減震器的原理、發(fā)展歷程、設(shè)計(jì)和材料等方面進(jìn)行探討，并指出當(dāng)前汽車減震器面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：汽車減震器；性能指標(biāo)；碳纖維；智能化控制

中圖分類號(hào)：U463? 收稿日期：2023-04-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.009

1 前言

汽車減震器是車輛懸掛系統(tǒng)中至關(guān)重要的組件之一，它的主要功能是減少車輛在路面行駛中的震動(dòng)和顛簸，提高駕駛舒適性和車輛穩(wěn)定性。減震器通過(guò)將懸掛系統(tǒng)與車身連接起來(lái)，將路面的沖擊和振動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能或機(jī)械能來(lái)緩解震動(dòng)。

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)已經(jīng)成為制約汽車發(fā)展的重大障礙。汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)將嚴(yán)重降低汽車的舒適性、穩(wěn)定性和安全性，降低人們乘坐汽車時(shí)的享受，并且汽車零部件的使用壽命也會(huì)大大縮短。因此，在人們對(duì)汽車舒適和安全性要求越來(lái)越高的情況下，汽車減震器的重要性也愈加凸顯，研發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好，能夠滿足汽車高速運(yùn)行狀態(tài)的減震器也已經(jīng)成為汽車領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。本文介紹了汽車減震器發(fā)展歷程及發(fā)展現(xiàn)狀，以及汽車減震器的基本原理和分類，同時(shí)探究了汽車減震器的發(fā)展趨勢(shì)。

2 汽車減震器的發(fā)展歷程

2.1 彈簧減震器

彈簧是最早的汽車阻尼系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它的阻尼性能可靠、穩(wěn)定性好，但它的缺點(diǎn)是不能吸收振動(dòng)能量，并且容易出現(xiàn)共振。但由于橡膠與彈簧結(jié)合在一起的減震器只具有單向作用[1]，彈簧減震器的減震性能無(wú)法滿足人們對(duì)減震性能的要求，若減震器的結(jié)構(gòu)形式仍停留在簡(jiǎn)單的彈簧式，就難以實(shí)現(xiàn)汽車減震系統(tǒng)性能上的突破。在早期有一種單作用彈簧減震器，由彈簧、減振器與導(dǎo)向輪三個(gè)部件組成，當(dāng)汽車行駛過(guò)程中遇到路面顛簸時(shí)，減振器內(nèi)的彈簧會(huì)產(chǎn)生較大阻尼力使車身上下振動(dòng)得到有效抑制。但是這種減震器所需零部件較多、重量較大、成本高。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車減震系統(tǒng)要求越來(lái)越高，為了滿足人們對(duì)汽車減震系統(tǒng)的要求，減震器由彈簧式轉(zhuǎn)向了液壓式。

2.2 液壓減震器

20世紀(jì)10年代出現(xiàn)了第一個(gè)使用的液壓減震器，在橡膠制成的中空節(jié)中有油液流通經(jīng)過(guò)所產(chǎn)生的阻尼可以在一定程度上衰減振動(dòng)。20世紀(jì)40年代，筒式液壓阻尼器被開發(fā)并被廣泛使用。如圖2所示，當(dāng)活塞在阻尼器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，油液會(huì)進(jìn)入阻尼器的另外一個(gè)內(nèi)腔，通過(guò)與內(nèi)腔的摩擦形成阻尼力，從而達(dá)到減震的目的。筒式液壓減震器具有適應(yīng)性強(qiáng)、質(zhì)量輕、成本低且使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但在高速運(yùn)行下的減震器會(huì)有充油不及時(shí)的情況發(fā)生，造成工作特性發(fā)生改變，不能有效地減震，還會(huì)產(chǎn)生噪聲和沖擊[2]。

2.3 充氣式液壓減震器

由于筒式液壓減震器有諸多不足，20世紀(jì)50年代研發(fā)出充氣式減震器。如圖3所示，充氣式減震器的工作原理主要是為汽車振動(dòng)時(shí)，使活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且有油壓差產(chǎn)生在活塞上下腔，來(lái)回流動(dòng)通過(guò)壓力油推開伸張閥和壓縮閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后借助壓力油產(chǎn)生較大阻尼以起到減震效果。將低壓氣體沖入補(bǔ)償室內(nèi)可以使補(bǔ)償能力得到有效提高，從而使充油不及時(shí)的問(wèn)題加以解決[3]。充氣式減震器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且充油不需要依靠活塞來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在技術(shù)上能夠得到充分的發(fā)展。充氣式減震器的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠達(dá)到良好的減震效果，但缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。

3 汽車減震器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)外液壓阻尼器的發(fā)展還比較先進(jìn)，處于發(fā)展充氣阻尼器、可調(diào)阻尼器和自適應(yīng)阻尼器的階段。充氣式阻尼器和可調(diào)式阻尼器是主流的阻尼器，它隨負(fù)載變化而變化。國(guó)外研究人員更強(qiáng)調(diào)節(jié)能、降低油耗和提高速度等功能。由于液壓雙缸減震器的開發(fā)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，技術(shù)相對(duì)成熟，因此傳統(tǒng)減震器也有市場(chǎng)和空間，其市場(chǎng)占有率相對(duì)較高。一些新的可調(diào)式減震器也在積極開發(fā)和商業(yè)應(yīng)用中，日本、德國(guó)和韓國(guó)的汽車公司都在積極開發(fā)。許多汽車制造商都建立起了一個(gè)比較大的汽車結(jié)構(gòu)的研究和技術(shù)團(tuán)隊(duì)，并將其作為一個(gè)主要的工作來(lái)進(jìn)行實(shí)際的探索。健全的研發(fā)體系、成熟的推廣應(yīng)用體系、及時(shí)的反饋體系，這些都是國(guó)外在汽車減振器研發(fā)中所總結(jié)出來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，值得我國(guó)有關(guān)企業(yè)借鑒和使用[4-5]。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)汽車工業(yè)誕生得比較晚，但技術(shù)更新和應(yīng)用頻率較快，對(duì)于汽車減震器來(lái)說(shuō)我國(guó)的發(fā)展時(shí)間也相對(duì)較短。現(xiàn)階段，很多汽車上安裝的減震器技術(shù)水平比較低，甚至相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)90年代的技術(shù)水平，自有技術(shù)積累相對(duì)不足。許多中高檔轎車使用的減震器是進(jìn)口的，而國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)轎車仍然使用標(biāo)準(zhǔn)的雙缸液壓減震器。因此，提高汽車減震器的開發(fā)和應(yīng)用水平急待提高。

近年來(lái)，我國(guó)汽車減震器的研發(fā)水平逐步提高。在零部件工藝標(biāo)準(zhǔn)和整體微調(diào)活動(dòng)方面取得了很大進(jìn)展，企業(yè)開發(fā)了符合行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的減震器。汽車減震器零部件生產(chǎn)企業(yè)逐漸增多，上下游供應(yīng)鏈的整合水平逐漸提高，這意味著支撐結(jié)構(gòu)已經(jīng)升級(jí)，汽車減震器生產(chǎn)的專用設(shè)備廠家已經(jīng)形成。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、自主生產(chǎn)的自主懸掛式減震器已被國(guó)外一些汽車制造商采用，自產(chǎn)減震器在汽車行業(yè)取得了一定的應(yīng)用效果，在減震器理論和實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上取得了一些建設(shè)成果[6-7]。

4 汽車減震器的工作原理

4.1 彈簧減震器

彈簧減震器是一種常用的機(jī)械裝置，其工作原理是利用彈簧的彈性來(lái)吸收和減少震動(dòng)和沖擊[8]。

彈簧減震器的結(jié)構(gòu)主要由彈簧、活塞、缸體和閥門組成。在正常情況下，彈簧和閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，路面的不平整會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和沖擊力，這些力會(huì)傳遞到彈簧減震器上。減震器內(nèi)部的彈簧受到壓縮產(chǎn)生反彈力，反彈力與外部震動(dòng)力相抵消，從而減少了車輛的震動(dòng)。同時(shí)，減震器內(nèi)的閥門也會(huì)被打開，壓縮空氣會(huì)通過(guò)活塞進(jìn)入缸體，增加缸體內(nèi)部的壓力。當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，閥門關(guān)閉。這樣，彈簧減震器就能夠穩(wěn)定地控制機(jī)器或車輛的震動(dòng)和沖擊。

4.2 液壓減震器

液壓減震器的工作原理是利用液體的壓縮和流動(dòng)來(lái)吸收和消散機(jī)器或車輛產(chǎn)生的能量[9]。

液壓減震器的結(jié)構(gòu)包括液體封閉管、活塞、缸體和閥門。當(dāng)機(jī)器或車輛行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和沖擊，這些力會(huì)傳遞到液壓減震器上。當(dāng)液壓減震器受到震動(dòng)和沖擊時(shí)，液體在活塞和缸體之間產(chǎn)生壓縮和流動(dòng)。活塞隨著液體流動(dòng)的方向而移動(dòng)，使液體在缸體內(nèi)部產(chǎn)生阻力，從而減少機(jī)器或車輛的震動(dòng)和沖擊。閥門會(huì)控制液體的流動(dòng)，確保液體在活塞和缸體之間形成穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)。

液壓減震器的工作原理還包括兩個(gè)重要的特點(diǎn)：阻尼和回彈。阻尼是指液體在活塞和缸體之間產(chǎn)生阻力，阻止機(jī)器或車輛產(chǎn)生過(guò)度的震動(dòng)?；貜検侵敢后w在活塞和缸體之間產(chǎn)生彈性反彈力，使機(jī)器或車輛回到原來(lái)的位置，確保運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性[10]。

4.3 液氣混合減震器

液氣混合減震器是一種結(jié)合液壓減震器和氣壓減震器優(yōu)點(diǎn)的新型減震器。它的工作原理是基于液體和氣體的壓縮和擴(kuò)張，通過(guò)控制內(nèi)部的壓力和流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)車身的減震和穩(wěn)定控制。

液氣混合減震器的結(jié)構(gòu)由兩部分組成：液壓減震器和氣體彈簧。液體減震器主要由活塞、缸體、閥門組成，通過(guò)閥門控制油液的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車身的減震。氣體彈簧則是通過(guò)填充氣體，使減震器具有彈性，可以更好地吸收沖擊，提高車輛的行駛舒適性[11]。

液氣混合減震器的工作原理基于活塞和缸體之間的液體和氣體的壓縮和擴(kuò)張。當(dāng)車身受到?jīng)_擊時(shí)，液體和氣體同時(shí)受到擠壓，液體通過(guò)閥門流入減震器的膛室，減緩沖擊的力量，同時(shí)氣體彈簧也隨之壓縮。當(dāng)車身減速或停止時(shí)，液體和氣體同時(shí)擴(kuò)張，液體從膛室流回缸體，氣體彈簧恢復(fù)原狀，使車身恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。

液氣混合減震器具有良好的減震性能和穩(wěn)定性，同時(shí)也具有較高的彈性和調(diào)節(jié)性能，綜合了液壓減震器和氣壓減震器優(yōu)點(diǎn)，是目前汽車中應(yīng)用最廣泛的減震器之一[12]。

4.4 磁流變阻尼器

磁流變阻尼器是一種利用磁流變流體產(chǎn)生的阻尼力來(lái)控制機(jī)械振動(dòng)的裝置。如圖4所示，它通常由磁流變阻尼器本體、電磁線圈、控制系統(tǒng)等組成[13-14]。

磁流變阻尼器的工作原理是通過(guò)改變磁流變液體在磁場(chǎng)中的流動(dòng)狀態(tài)，從而改變阻尼器的阻尼特性。當(dāng)磁流變液體處于磁場(chǎng)中時(shí)，由于磁力線的影響，液體的流動(dòng)狀態(tài)和粘度會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生阻尼力。

在磁流變阻尼器中，液體的流動(dòng)狀態(tài)和粘度是由電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小和方向來(lái)控制的。通過(guò)改變電磁線圈的電流大小和方向，可以改變磁場(chǎng)的大小和方向，從而調(diào)整磁流變液體的流動(dòng)狀態(tài)和粘度，控制阻尼器的阻尼特性。

磁流變阻尼器的工作特點(diǎn)是阻尼力可調(diào)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。它可以通過(guò)改變電磁線圈的電流大小和方向，快速地調(diào)整阻尼器的阻尼特性，以適應(yīng)不同的機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)。由于磁流變液體具有良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，磁流變阻尼器的穩(wěn)定性和耐久性也比較好，適用于各種機(jī)械振動(dòng)控制領(lǐng)域[15-16]。

5 汽車減震器的性能指標(biāo)

5.1 阻尼力

汽車減震器中的阻尼力是指減震器在緩沖沖擊時(shí)產(chǎn)生的阻尼力，也就是阻礙減震器的運(yùn)動(dòng)，其大小取決于減震器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)[17]。

阻尼力可以提高汽車的穩(wěn)定性和控制性能，保證汽車的行駛舒適性。當(dāng)汽車通過(guò)坑洼路面或者過(guò)彎時(shí)，車身會(huì)產(chǎn)生較大的擺動(dòng)，如果沒有減震器的阻尼作用，車身會(huì)繼續(xù)彈跳，導(dǎo)致行駛不穩(wěn)定，甚至發(fā)生側(cè)翻事故。而適當(dāng)?shù)淖枘崃梢詫④嚿淼臄[動(dòng)穩(wěn)定在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，提高車輛的穩(wěn)定性和控制性能，從而保證行車安全以及行駛時(shí)的舒適感[18]。

5.2 溫度特性

汽車減震器中的溫度特性是指減震器在不同溫度下的性能表現(xiàn)。

減震器在高溫環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生油液泄漏等問(wèn)題。在汽車長(zhǎng)時(shí)間高速行駛后，減震器會(huì)因?yàn)槭艿綇?qiáng)烈的摩擦而產(chǎn)生高溫，從而影響其正常的工作效果。油液泄漏會(huì)降低減震器的液壓性能，從而降低車輛的行駛穩(wěn)定性。

減震器在低溫環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生油液黏度變化和減震器彈性降低等問(wèn)題。在寒冷的環(huán)境下，減震器的油液黏度會(huì)變得較高，從而影響其液壓性能和響應(yīng)速度。同時(shí)，減震器的彈性特性也會(huì)因?yàn)榈蜏囟档?，從而影響車輛的操縱性能。

溫度特性對(duì)減震器壽命也有著重要的影響。減震器在高溫和低溫環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的損耗，從而縮短減震器的使用壽命。車輛經(jīng)常在惡劣的環(huán)境下行駛時(shí)，減震器的使用壽命可能會(huì)更加縮短，因此需要定期維護(hù)和更換[19]。

5.3 耐久性

汽車減震器的耐久性是指其在長(zhǎng)期使用過(guò)程中保持正常工作狀態(tài)的能力。

減震器是汽車中比較容易磨損的部件之一。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，減震器會(huì)因?yàn)槭艿降缆奉嶔?、震?dòng)等因素而產(chǎn)生磨損，從而降低其性能。如果減震器磨損過(guò)度，可能會(huì)導(dǎo)致車輛行駛時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定、跳動(dòng)等問(wèn)題，甚至危及行車安全。

減震器的耐久性還與材料和制造工藝等因素有關(guān)。如果減震器的材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)或者制造工藝不精良，可能會(huì)影響減震器的使用壽命和性能。例如，減震器中的密封圈如果失效，可能會(huì)導(dǎo)致油液泄漏，進(jìn)而影響減震器的液壓性能。因此，在減震器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，需要注重材料的選擇和制造工藝的精益求精，以提高減震器的耐久性和性能。

6 汽車減震器的發(fā)展趨勢(shì)

6.1 材料方面

隨著科技的不斷發(fā)展和人們對(duì)汽車行駛安全性能要求的不斷提高，新材料的應(yīng)用已成為汽車減震器未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

傳統(tǒng)的汽車減震器主要采用金屬材料制造，然而金屬材料存在著密度大、重量重、易生銹等缺點(diǎn)。相比之下，碳纖維材料具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可以大幅減輕重量，并且提高減震器的性能，因此在汽車減震器中的運(yùn)用具有很大的優(yōu)勢(shì)[20-21]。

陶瓷材料也是汽車減震器中的先進(jìn)材料。陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等特點(diǎn)，這些特性可以大大提高減震器的耐久性和抗沖擊性能，能夠抵抗酸堿等化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，減少減震器的損耗和維護(hù)成本，同時(shí)，陶瓷材料的高溫穩(wěn)定性也能夠保證減震器在高溫環(huán)境下的正常工作[22-23]。

6.2 工藝方面

3D打印技術(shù)是一種快速、高效的制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)汽車減震器的定制化生產(chǎn)，滿足個(gè)性化需求。并且，3D打印技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的多種組合，以及對(duì)減震器部件的微觀結(jié)構(gòu)和性能的精細(xì)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)[24-25]。

納米技術(shù)也是一種研究材料和器件在納米尺度下的特性和應(yīng)用的前沿技術(shù)，不僅可以有效提高減震器部件的性能和耐久性，增強(qiáng)減震器的緩震效果和穩(wěn)定性能，而且可以制造出更加精細(xì)、復(fù)雜的減震器部件，提高減震器的精度和穩(wěn)定性。此外，納米技術(shù)還可以通過(guò)提高減震器部件的表面能和潤(rùn)滑性能，減少減震器部件之間的磨擦和損耗，從而降低汽車維修成本和能源消耗[26-27]。

綜上所述，從新工藝的角度看，未來(lái)汽車減震器的發(fā)展方向是精密化和高效化。這些新工藝的應(yīng)用可以提高減震器的質(zhì)量和性能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本和環(huán)境污染，有利于推動(dòng)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[28-29]。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，汽車對(duì)減震器的要求越來(lái)越高，但汽車減震器無(wú)論向哪個(gè)方向發(fā)展，最終都只有一個(gè)目的，即改善汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，并且在操縱性和舒適性之間取得最理想的工作點(diǎn)?？傊?，未來(lái)的汽車減震器應(yīng)該具備高精度、高密封性以及更好的使用性能，為車內(nèi)駕駛者與乘客提供更加舒適安全的環(huán)境。

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作者簡(jiǎn)介：

陳偉，男，1976年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚋p震器。

張廣（通訊作者），男，1990年生，副教授，研究方向?yàn)榇帕髯冎悄懿牧吓c結(jié)構(gòu)。