某純電動(dòng)汽車減振器低溫異響研究

張端軍，趙曰賀，鹿鵬程，馬超

(221116 江蘇省 徐州市 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院)

0 引言

汽車減振器是汽車底盤的重要部件，其性能直接影響汽車舒適性和操控性。目前，汽車上廣泛采用雙筒式液壓減振器。雙筒式液壓減振器主要由活塞組件、底閥組件、導(dǎo)向器總成、油封、工作缸筒等組成，其中活塞組件和底閥組件是減振器的主要阻尼特性部件，減振器的阻尼力主要取決于這2部分?；钊M件和底閥組件根據(jù)不同廠家、不同結(jié)構(gòu)又分為不同種類，但多數(shù)都是由支撐片、補(bǔ)償閥片、低速閥片、中速閥片、活塞、底閥以及彈簧等組成。當(dāng)輪胎相對(duì)于車身做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞組件在減振器的工作缸筒內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，缸筒內(nèi)充有減振器油液，減振器油液在活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)便反復(fù)地從活塞組件和底閥組件的閥片或者閥孔內(nèi)流過，此時(shí)，減振器油液與內(nèi)壁的摩擦及液體分子的內(nèi)摩擦便形成阻尼力。

汽車減振器異響問題一直困擾著汽車底盤開發(fā)人員，消費(fèi)者對(duì)于減振器異響的投訴也居高不下。純電動(dòng)汽車用電驅(qū)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，電驅(qū)系統(tǒng)比發(fā)動(dòng)機(jī)更加安靜，車輛上本來不太明顯的噪音將會(huì)被明顯放大，所以純電動(dòng)汽車對(duì)于車輛異響的控制水平要求更高，這也給減振器開發(fā)工作者帶來了更大的挑戰(zhàn)。

1 問題發(fā)現(xiàn)與原因分析

本次出現(xiàn)異響的車輛為某公司一款由燃油車改款的純電動(dòng)汽車，該車輛在黑河冬季試驗(yàn)場進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)減振器異響現(xiàn)象。駕駛該純電動(dòng)汽車在路況良好的路面上行駛時(shí)沒有減振器異響，當(dāng)以10～30 km/h 的速度行駛在顛簸路面時(shí)，后減振器傳來“咚咚”的敲擊聲，減振器異響聲音隨顛簸振動(dòng)頻率增大而增大。該車的燃油車型減振器也有類似敲擊聲，響度較輕，且在發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的干擾下并不能很清晰地被感知到，不會(huì)引起很大抱怨，而改為純電動(dòng)汽車后，減振器異響可以清晰被感知，會(huì)引起抱怨。該純電動(dòng)車型在常溫狀態(tài)下減振器異響也不明顯，不會(huì)引起抱怨。

多位專家學(xué)者對(duì)減振器異響的成因進(jìn)行了研究，和題等[1]得出減振器在復(fù)原和壓縮行程的換向時(shí)刻對(duì)活塞的沖擊振動(dòng)是產(chǎn)生異響的重要因素，并且發(fā)現(xiàn)減振器活塞桿組件是該型號(hào)減振器異響的主要來源；安成光等[2]發(fā)現(xiàn)減振器的氣穴現(xiàn)象是引起減振器噪音的主要因素，活塞常通節(jié)流孔對(duì)異響影響較大，增加復(fù)原常通節(jié)流孔有效直徑和充氣壓力能有效降低氣穴異響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)減振器節(jié)流孔氣穴現(xiàn)象一般出現(xiàn)在復(fù)原行程，這與和題等的結(jié)論一致；稅永波等[3]通過仿真方法得出橡膠襯墊剛度、流通閥節(jié)流面積、壓縮孔直徑、復(fù)原閥初始預(yù)緊力、油液黏度對(duì)汽車減振器噪音影響較大；舒紅宇等[4]認(rèn)為空程沖擊是噪聲產(chǎn)生的原因，壓縮和復(fù)原行程切換時(shí)活塞與油液間空程沖擊將引起減振器異響，減小空程距離可有效降低減振器異響；劉祖斌等[5]從減振器本身和傳遞路徑2 個(gè)方面分析了減振器異響的影響因素，通過試驗(yàn)得出不同減振器方案噪音水平不同；黃俞淇等[6]和戎紅俊等[7]都確定了減振器“活塞+活塞桿+外連接套”組件是減振器產(chǎn)生異響的重要部件；許翔等[8]發(fā)現(xiàn)減振器異響是減振器活塞桿振動(dòng)頻率與異響頻率重合導(dǎo)致共振引起的，通過縮短活塞桿長度降低減振器異響。從上述文獻(xiàn)可知，減振器本身閥系結(jié)構(gòu)和傳遞路徑是異響的主要來源，其中減振器閥系活塞組件比底閥組件更加容易產(chǎn)生異響。

2 評(píng)價(jià)方法及閥系介紹

2.1 主觀評(píng)價(jià)

汽車性能評(píng)估方法分為主觀評(píng)價(jià)及客觀測試2種。主觀評(píng)價(jià)是由專業(yè)評(píng)估人員通過自身的主觀感受來評(píng)估車輛性能的方法，評(píng)估人員評(píng)估后會(huì)給出評(píng)估意見及改進(jìn)建議；客觀測試先是通過安裝在車上的測試設(shè)備來測量獲得車輛在各種工況下的性能指標(biāo)值，然后再通過對(duì)性能指標(biāo)值的分析來判斷車輛性能的一種方法。主觀評(píng)價(jià)是汽車底盤性能開發(fā)與調(diào)校過程中的一種常用的重要手段，底盤開發(fā)與調(diào)校往往涉及多零件多輪次的對(duì)比與優(yōu)化；客觀測試由于費(fèi)時(shí)長且與主觀感受不能很好地直接轉(zhuǎn)換等原因，不能全程應(yīng)用到底盤開發(fā)與調(diào)校過程，因此只在某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)需要某些技術(shù)參數(shù)時(shí)才會(huì)進(jìn)行客觀測試。主觀評(píng)價(jià)相對(duì)于客觀測試速度快、效率高，評(píng)估結(jié)果更接近消費(fèi)者主觀感受，故底盤調(diào)校目前主要以主觀評(píng)價(jià)為主。由于減振器異響影響因素較多，且需要進(jìn)行多輪評(píng)估驗(yàn)證，故本次減振器異響評(píng)估采用主觀評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行。

2.2 主觀評(píng)價(jià)打分標(biāo)準(zhǔn)

本次減振器異響評(píng)估主要在黑河低溫試驗(yàn)場進(jìn)行，環(huán)境溫度-15 ℃左右，為了保證減振器的低溫特性，每組減振器都在室外靜置30 min 以上，在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)保證評(píng)價(jià)車輛與人員的一致性。在進(jìn)行評(píng)價(jià)之前應(yīng)先進(jìn)行底盤零部件檢查，確保底盤其他零部件沒有開裂或漏油等情況，消除底盤其他零部件異響帶來的干擾。

由于車速在10～30 km/h時(shí)減振器異響最明顯，車速超過30 km/h 異響會(huì)減小，故本次評(píng)估車速采用20 km/h。

為了能夠準(zhǔn)確描述、合理比較不同減振器的異響程度，本次采用10 分制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從1 到10分依次表示減振器異響可接受的程度，如表1 所示。

表1 主觀評(píng)價(jià)10 分制打分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Subjective evaluation 10-point scoring standard

2.3 閥系介紹

車輛配置的減振器為普通彈簧Blow-off 閥系，如圖1 所示，該閥系活塞組件主要由支撐片1、星形彈簧片2、補(bǔ)償片3、活塞4、活塞螺母5、高速節(jié)流閥片6、浮動(dòng)閥體7、復(fù)原閥彈簧8、復(fù)原閥彈簧螺母9 等組成。

圖1 減振器活塞組件Fig.1 Shock absorber piston assembly

其中活塞、高速節(jié)流閥片、復(fù)原閥彈簧等為主要調(diào)試件。復(fù)原閥彈簧螺母擰緊力矩為22 N·m。活塞組件主要決定減振器復(fù)原行程的阻尼力，活塞槽節(jié)流面積決定低速復(fù)原力及開閥點(diǎn)的先后，螺母高度調(diào)整墊片與復(fù)原閥彈簧決定中速復(fù)原力的大小，高速復(fù)原力主要由活塞孔的面積決定。

如圖2 所示，底閥組件主要由螺釘1、墊片2、中速閥片3、低速節(jié)流閥片4、底閥5、補(bǔ)償片6、錐形彈簧7、底閥螺母8 等組成。其中中速閥片、低速節(jié)流閥片、底閥為主要調(diào)試件，底閥螺母擰緊力矩3 N·m。壓縮組件主要決定減振器壓縮行程的阻尼力，從低速到高速各速度段阻尼力決定部件依次是節(jié)流閥片、中速閥片和底閥孔的面積。

圖2 減振器底閥組件Fig.2 Shock absorber bottom valve assembly

3 異響研究

根據(jù)上文分析，減振器本身閥系結(jié)構(gòu)和傳遞路徑是異響的主要來源，基于先易后難的排查原則，先排查傳遞路徑，再對(duì)減振器本身閥系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

3.1 異響傳遞路徑研究

異響由減振器內(nèi)部產(chǎn)生，然后順著活塞桿傳遞到減振器上支撐座，減振器上支撐座再將異響傳遞給車身輪罩，車身輪罩將異響擴(kuò)大再傳遞到人耳。

為研究傳遞路徑，做了3 個(gè)方案：（1）將橡膠上支撐座更換為聚氨酯上支撐座；（2）在支撐座與車身之間加橡膠墊；（3）在輪罩內(nèi)部貼隔音材料。具體評(píng)價(jià)結(jié)果如表2 所示。

表2 改善傳遞路徑異響主觀評(píng)價(jià)表Tab.2 Subjective evaluation for improving abnormal noise of transmission path

由評(píng)估結(jié)果可知，更換聚氨酯上支撐座對(duì)異響改善不大，由于沒有不同剛度上支撐座可供評(píng)價(jià)，所以未對(duì)不同剛度上支撐座進(jìn)行評(píng)價(jià)。在支撐座與車身之間加裝橡膠墊可以降低異響程度，抖動(dòng)感覺也有一定改善。在輪罩內(nèi)部貼隔音材料，可以隔離一部分異響，同時(shí)可以改變聲音的清脆度，聲音略微發(fā)悶。雖然各個(gè)方案都有一定改善，但并不能使異響達(dá)到滿意的程度。疊加方案效果最好，但還是能夠聽到異響，不能滿足挑剔消費(fèi)者的要求。通過試驗(yàn)可以看出，優(yōu)化傳遞路徑也是一種異響解決的方法，可以從其他方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。

3.2 更換閥系

某公司開發(fā)了多款車型，除了該車型應(yīng)用的普通彈簧閥系外還應(yīng)用了其他閥系減振器。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，線性閥系減振器低溫異響效果最好，線性閥系中沒有復(fù)原閥彈簧及復(fù)原浮動(dòng)閥體、螺母高度調(diào)整墊片等組件，結(jié)構(gòu)比較簡單。線性閥系又稱為純閥片閥系，該閥系活塞組件僅由支撐片、補(bǔ)償閥片、低速節(jié)流閥片、中速閥片與活塞組成，線性閥系活塞組件結(jié)構(gòu)如圖3 所示

圖3 線性閥系減振器活塞組件Fig.3 Piston assembly of linear valve system damper

將該純電動(dòng)汽車減振器活塞組件更換為線性閥系活塞組件，底閥組件維持不變，然后將減振器進(jìn)行組裝，將更換閥系的減振器裝車后進(jìn)行異響評(píng)估，結(jié)果如表3 所示。

表3 更換活塞組件異響主觀評(píng)價(jià)表Tab.3 Subjective evaluation of abnormal noise when replacing piston assembly

更換了線性閥系活塞組件的減振器在車上的異響表現(xiàn)較好，完全達(dá)到了可以接受的程度。經(jīng)過隨機(jī)顛簸路面時(shí)，只有當(dāng)加速度很大時(shí)才會(huì)發(fā)出異響，一般顛簸路面情況下異響幾乎消除。由于只是將活塞組件進(jìn)行簡單更換，并沒有經(jīng)過專業(yè)減振器調(diào)校工程師對(duì)閥片進(jìn)行調(diào)整與匹配，所以該減振器的舒適性能表現(xiàn)并不好，與車身運(yùn)動(dòng)不匹配，沖擊與抖動(dòng)控制也不好。

通過該試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致減振器低溫異響的主要部件為減振器活塞組件，底閥組件對(duì)低溫異響貢獻(xiàn)較少。

3.3 閥系結(jié)構(gòu)研究

由于導(dǎo)致減振器低溫異響的主要部件為減振器活塞組件，故此對(duì)閥系結(jié)構(gòu)的研究主要集中在活塞組件，而活塞組件的主要調(diào)試參數(shù)為活塞槽節(jié)流面積、復(fù)原閥彈簧與活塞孔面積，這3 個(gè)參數(shù)分別決定復(fù)原低、中、高速的阻尼力。

原車安裝的減振器低速節(jié)流面積為1.6 mm2，另外選取節(jié)流面積0.80、1.20、2.04、2.40 mm2進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，結(jié)果見表4。

表4 低速節(jié)流面積異響主觀評(píng)價(jià)表Tab.4 Subjective evaluation of abnormal noise of low-speed throttle area

減小節(jié)流面積會(huì)使異響變嚴(yán)重，隨著節(jié)流面積增大異響有所緩和，后續(xù)還對(duì)更大的節(jié)流面積進(jìn)行了評(píng)估，但異響改善結(jié)果沒有進(jìn)一步明顯提升。

原車裝的減振器復(fù)原彈簧剛度為29.6 N/mm，另外選取剛度值為20.0、41.6、50.4 N/mm 的復(fù)原彈簧進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，結(jié)果見表5。

表5 復(fù)原彈簧異響主觀評(píng)價(jià)表Tab.5 Subjective evaluation of abnormal sound of rebound spring

隨著復(fù)原閥彈簧剛度增加，異響出現(xiàn)的頻次降低，稍小的顛簸異響不明顯，大顛簸異響依然存在，且響度基本沒有減弱。復(fù)原閥彈簧剛度太大，車身運(yùn)動(dòng)不流暢，舒適性不理想。

經(jīng)過評(píng)估，活塞孔的變化對(duì)異響影響不大，此處不再詳細(xì)列舉。另外對(duì)減振器的充氣壓力和復(fù)原彈簧螺母擰緊力矩也進(jìn)行了評(píng)估。充氣壓力增大，低溫異響略有改善，但效果不是很大。復(fù)原彈簧螺母擰緊力矩增大的效果和更換大剛度的復(fù)原彈簧結(jié)果類似，可以降低異響出現(xiàn)的頻次但響度相當(dāng)。

4 結(jié)論

本文對(duì)汽車減振器低溫異響問題進(jìn)行了研究，主要從異響傳遞路徑和減振器結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1）改善傳遞路徑可以降低低溫異響程度，可以從減振器上支撐座、車身輪罩方面進(jìn)行改善；（2）純閥片閥系的減振器低溫異響很輕微，彈簧Blow-off 閥系低溫異響較差，通過閥系重新匹配可降低異響程度，但是不能完全消除異響；（3）增大低速節(jié)流面積可減輕異響程度；增大復(fù)原彈簧剛度、增加復(fù)原彈簧螺母擰緊力矩可降低異響出現(xiàn)的頻次，但響度相當(dāng)；充氣壓力增大，低溫異響略有改善，但效果不理想；（4）本次研究結(jié)果是基于該款純電動(dòng)汽車，車輛參數(shù)不同可能會(huì)有不一樣的趨勢，研究結(jié)果供異響排查參考使用。