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1、汽车减震器的原理与分析机制091贾强强2009200106一、汽车减震器的作用研究减振器在汽车中的作用必须先从悬架说起。悬架是汽车的重要总成之一，它把车身与 车轮弹性地连接起来，其主要任务是传递作用在车身和车轮之间的一切力和力矩，并且缓和 由不平路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车平顺地行驶。一般汽车的悬架主要由弹性组件、导向机构和减振器组成。弹性组件主要起缓和路面冲击 的作用。当汽车悬架中只有弹性组件而没有减振器时，汽车车身的振动将会延长很长时间， 使汽车的行驶平顺性和操纵稳定性恶化。为衰减车身和车轮的振动，悬架总成中的减振器是 必不可少的。二、国内外汽车减震器的
2、研究现状减振器的发展经历了将近100年的历史。最早的汽车减振器是采用悬架弹簧来消除路面带 来的冲击的，弹簧虽具有性能可靠的优点，但它不能吸收振动能量，还易出现共振现象。后 来，人们采用橡胶块和弹簧一起来吸收车辆产生的振动能量，抑制车身振动，但它只能单向 作用。直N1908年，法国的娩Handallle研制出了第一个实用的液压减振器。20世纪30年代，摇臂式减振器被普遍采用。60年代，筒式减振器逐渐取代了摇臂式减振器。它具有工艺性好、成本低、寿命长、质量 轻等优点，主要零件采用了冲压、粉末冶金及精密拉管等高效工艺，适于大批量生产20世纪80年代以来，计算机技术在汽车工程领域得到了广泛应用，传感器
3、技术的发展在汽 车技术方面发挥了巨大作用，出现了激振高频和低幅调节阻尼的减震器出现，实现了减震 器的智能化可调。目前，国内、外广泛使用的，制造工艺比较成熟完善的减振器仍是液压减振器。三、减震器的工作原理悬架系统中由于弹性元件受冲击产生振动，为改善汽车行驶平顺性，悬架中与弹性元件并 联安装减振器，为衰减振动，汽车悬架系统中采用减振器多是液力减振器，其工作原理是当 车架（或车身）和车桥间受振动出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的 油液便反复地从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。此时孔壁与油液间的摩擦和油液分 子间的内摩擦对振动形成阻尼力，使汽车振动能量转化为油液热能，再由减振器吸
4、收散发到 大气中。在油液通道截面和等因素不变时，阻尼力随车架与车桥（或车轮）之间的相对运动 速度增减，并与油液粘度有关。减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使 减振器连接件损坏。因面要调节弹性元件和减振器这一矛盾。（1）在压缩行程（车桥和车架相互靠近），减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的 弹性作用，缓和冲击。这时，弹性元件起主要作用。（2）在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离），减振器阻尼力应大，迅速减振。（3）当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻 尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。在汽车悬
5、架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双 向作用式减振器，还有采用新式减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器。1.活塞杆；2.工作缸筒；3.活塞；4.伸张阀；5.储油缸筒；6.压缩阀；7.补偿阀；8.流通阀；9.导向座；10.防尘罩；11.油封上图为双向作用筒式减振器示意图双向作用筒式减振器工作原理说明：在压缩行程时，指汽车车轮移近车身，减振器受压 缩，此时减振器内活塞3向下移动。活塞下腔室的容积减少，油压升高，油液流经流通阀8 流到活塞上面的腔室（上腔）。上腔被活塞杆1占去了一部分空间，因而上腔增加的容积 小于下腔减小的容积，一部分油液于是就推开压缩阀6,
6、流回贮油缸5。这些阀对油的节约 形成悬架受压缩运动的阻尼力。减振器在伸张行程时，车轮相当于远离车身，减振器受拉伸。 这时减振器的活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀8关闭，上腔内的油液推开伸张 阀4流入下腔。由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液不足以充满下腔增加的容积，主使 下腔产生一真空度，这时储油缸中的油液推开补偿阀7流进下腔进行补充。由于这些阀的 节流作用对悬架在伸张运动时起到阻尼作用。由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力设计的大于压缩阀，在同样压力作用下，伸张阀及相应的 常通缝隙的通道载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道截面积总和。这使得减振器的伸 张行程产生的阻尼力大于压缩行程的阻尼力，达
7、到迅速减振的要求。下图表示了奥迪100轿车前、后悬架减振器结构图。其作用原理如前所述。四、建立减震器的物理模型减振器阻尼力，是由在减振器振动时间历程之内的压力降所决定的。在对减振器建立计算 模型时，通常将各阀看成为常通道的流动和卸荷阀的组合。活塞的流通阀和底阀的补偿阀是 单向阀，阻力主要由弹簧阀片和螺旋弹簧提供，通常这个力值都很小。在活塞和底阀上还开 有若干个常通的小孔，它们的作用是在减振器受到小负荷、高频率振动时提供压力降。活塞 上的复原阀和底阀上的压缩阀，是由压力弹簧和阀片控制的压力阀，只有在压力达到一定值 时才会开启和上浮，复原阀和压缩阀主要是在紊流状态下产生很大的压力降。当活塞杆及活塞
8、总成向上运动时（复原行程），油液通过活塞总成的常通孔或复原阀（当 油压足够高时）从工作缸活塞杆腔流向工作腔，由于活塞杆体积的存在，从活塞杆腔流向工 作腔的油液不足以补充工作腔的体积变化，一部分油液便会通过底阀上的补偿阀和常通孔从 贮油筒流向工作腔。在油液流过所有这些阀和孔时，都会产生压力降，从而消耗大量能量， 迅速衰减振动。当活塞杆及活塞总成向下运动时（压缩行程），油液通过活塞总成的常通孔和 流通阀，从工作腔流向活塞杆腔，由于活塞杆体积的存在，从工作腔流向活塞杆 腔的油液量大于活塞杆腔的体积变化，一部分油液便会通过底阀上的常通孔或压 缩阀（当油液压力足够高时）工作腔流向贮油筒。在油液流过所有这
9、些阀和孔时都 会产生压力降，从而消耗掉能量。由于活塞杆和工作缸之间的相对速度的变化， 使得作用在活塞上的力也是变化的根据此物理模型，以活塞杆和活塞作为一个整体进行受力分析，列平衡方程有:即乌=P1 （ A厂气）-P 2 A/ P 0 气 + f=(P1 - P 2)A气)-P 2 气 + P 0 气 + f=P12 (A气)-P 23 .气 TP 3 - P 0)气 + f式中：Fz 一减振器所产生的阻尼力；P 1 一复原时活塞上腔的压强；P 2 一复原时活塞下腔的压强；P 3 一储油腔的压强，在充气式减振器中即为充气压强，在非充气式减振器中等于大 气压强；P0 一大气压强；P12 一活塞上下
10、的压强差；P23 一底阀上下的压强差；Ah 一活塞的截面积；Ag 一活塞杆的截面积；f一活塞上下运动产生的摩擦阻力，它是由减振器导向杆与导向器密封套，以及活塞上的密封囤与工作缸之间的摩擦造成的。但只有当减振器受到横向力作用时才会产生较大 的摩擦力。式中：P12与流经活塞的油流量Qh有关，P23与流经底阀的油流量Qd有关。Qh()-知)( Ah-气)Qd(t) =v(t) 气式子中：v(t)-活塞运动速度；以上各式是仿真计算减振器阻尼力的基本模型，阻力的大小主要由活塞速度和减振器结构参 数以及油液粘度等因素决定。五、减振器的其他参数对其性能的影响在对减振器建立了物理模型后，就可以按照一定的减振器
11、工作状况，来模拟计算其阻尼力 了。通过计算机物理建模的最大优势在于：可以改变、调整减振器的各个参数和工作状况， 根据得到各种参数和工作状况下的示功图和速度特性曲线图，来分析各因素对减振器外特性 的影响，为减振器的设计提供参考依据，最终确定减振器的各参数。1. 减振器油液温度的影响温度对减振器工作特性的影响主要取决于其对工作油液粘度的影响。温度略微升高，粘度显著降低，温度略微下，油液粘度增大。这是由于温度增加使液体分子内聚力 减少的原因。温度对减振器阻尼力的影响是很大的。随着油液温度，的升高，油液粘度逐渐 变小，阻尼力也因而显著下降。2. 活塞杆直径的影响随着活塞杆直径的增加，减震器复原阻尼力逐
12、渐减小，减缩阻尼力逐渐增加。这是由于活 塞杆直径增加时，会导致流经活塞的油液流量减少，而流经底阀体的油液流量增加。所以随 着活塞杆直径的增加，复原阻尼力逐渐减少，而压缩阻尼力逐渐增大。3. 活塞内圈小孔直径的影响随着活塞中间小孔直径的减少，减震器的复原阻尼力逐渐增大。这是由于在其他参数不变， 而小孔直径减少时，油液流通面积会减少，因而阻力增大。4. 活塞外圈小孔直径的影响随着活塞外圈小孔直径的增加，减震器的压缩阻尼力逐渐增大。这是由于在其他参数不变， 而活塞外墙按小孔直径增加时，油液流通面积会增大，因而阻力减小。参考文献1. 黄恒，呈广伟，邓楚南.车用减震器的外特性建模与仿真J.2005,(1
13、1)2. 檀润华，陈鹰，赵凡等.汽车减震器新型数学模型的研究J.汽车工程，1998, 203. 李世民，吕振华.汽车减振器液-固耦合动力学特性的分布间接耦合迷你分析J.汽车技术，2005，(2)，12-164. 陈家瑞主编。汽车构造，北京：机械工业出版社，20055. 罗惕乾主编.流体力学.北京:机械工业出版社,20036. 赵毅山主编.流体力学.上海：同济大学出版社,20047. 彭拾义编著.减振器.北京:国防工业出版社,19798. 刘惟信主编.汽车设计.北京:清华大学出版社.20019. 吉林工业大学汽车教研室编.汽车设计.北京:机械工业出版社，200210. 余志生主编。汽车理论。北京：机械工业出版社，200011. 蔡学熙主编。现代机械设计方法实用手册.北京：化学出版社9010总60总 哩哩眼so 5
