减震缓冲技术

减震缓冲技术发展综述

姓名：尚兴超 学号：511011503 指导老师：梁医

一．概述

机械振动、冲击问题广泛存在于工程机械[1]、汽车机械、建筑机械、船舶机械、航空航天、武器领域[2]等，减振器和缓冲器主要是用于减小或削弱振动或冲击对设备与人员影响的一个部件。它起到衰减和吸收振动的作用。使得某些设备及人员免受不良振动的影响,起到保护设备及人员正常工作与安全的作用，因此它广泛应用于各种机床、汽车、摩托车、火车、轮船、飞机及坦克等装备上。

振动问题的基本方程为：

()e sin n t d x A t ζωωφ-=+

从方程中可以看出，系统振动幅值的衰减与阻尼系数大小ζ有关[3]，也就是说，震动产生的能量将会被阻尼所吸收。减震器和缓冲器就是基于此原理而设计的。

二．发展历史

世界上第一个有记载、比较简单的减震器是1897年由两个姓吉明的人发明的。他们把橡胶块与叶片弹簧的端部相连，当悬架被完全压缩时，橡胶减震块就碰到连接在汽车大梁上的一个螺栓， 产生止动。1898年，第一个实用的减震器 由一个法国人特鲁芬特研制成功并被安装到摩托赛车上。他将前叉悬置于弹簧上，同时与一个摩擦阻尼件相连，以防止摩托车的振颤。1899年，美国汽车爱好者爱德华特·哈德福特将前者应用于汽车上。后来，又经历了加布里埃尔减震器、平衡弹簧式减震器和1909年发明的空气弹簧减震器。空气弹簧减震器类似于充气轮胎的工作原理，它的主要缺点是常常产生漏气。

1908年法国人霍迪立设计了第一个实用的液压减震器。其原理是液流通过小孔时产生的阻尼现象。20世纪60年代，通用公司麦迪逊工程师研制了把螺旋弹簧、液压减震器和上悬架臂杆组成的麦迪逊减震器，其体积比较小，得到了广泛的应用[4]。

三．研究现状

液压缓冲器是目前应用最为广泛的减震缓冲装置，其结构简单，运行平稳。

液压缓冲器的工作原理为：当运动物体撞到液压缓冲器活塞杆端部时，活塞向里运动。由于内筒上小孔的节流作用，腔中的油不能通畅流出，外界冲击能使腔中的油压急剧上升。高压油从小孔以高速喷出，使大部分压力能转变为热能，由筒体逸散到大气中[4]。

目前，液压缓冲器的研究方向很多，主要是将液压缓冲器进行改良。一方面，许多学者和研究机构对液压缓冲器进行新结构的设计，如多孔式液气缓冲器，主要依靠设计在液压缸壁上的一系列特殊排列的节流小孔来实现缓冲, 并由惰性

气体推动活塞复位。该型缓冲器的特点是结构紧凑, 吸能量大, 且无反弹, 在保证要求的最大减速度和缓冲行程条件下尺寸最小, 吸收撞击能最高可达到90%

以上[5]。

另一方面是对阻尼介质的研究。如用合成烃和烷基芳烃为基础油，研制出了具有优良的粘温特性、剪切安定性和减震性的减震油，来更好的吸收震动和冲击能量[7]。利用未硫化硅橡胶的黏弹性、流动性和体积可压缩性制作的弹性胶泥这种新型黏弹性高阻尼材料，由它制作的弹性胶泥缓冲器克服了液压缓冲器、弹簧缓冲器和硫化橡胶缓冲器的缺点，集合了它们的优点，具有特殊的减振缓冲性能和理想的使用寿命[8]。

现在比较热门的是磁流变液和电流变液减震器的研究。1948年, 美国国际

标准化协会学者Jaeak Rabinow 发明了磁流变液材料[9]。其工作原理是在外加磁场的作用下, 磁流变液中随机分布的磁极化颗粒沿磁场方向运动, 磁化运动使

颗粒首尾相连, 形成链状或网状结构, 从而使磁流变液的流动特性发生变化,

阻尼通道两端的压力差发生变化, 从而达到改变阻尼力的目的 [10]。电流变液是

一种在电场作用下。流体流动特性急剧变化的液体。这种流体特性变化的现象称为电流变效应[11] [12]。1995年,在第五届国际电流变国际会议上, 人们将电流变液和磁流变液通称为可控流体[13]。在未加磁场时, 磁流变液表现为牛顿流体的特性, 其剪切应力等于粘度与剪切率的乘积; 在外加磁场的作用下, 磁流变液表现为

宾汉(Bingham)流体的特性, 其剪切应力由液体的粘滞力和屈服应力两部分组成,其流变特性的改变表现为屈服应力随磁场强度的增加而单调增加, 而液体的粘

度不变。在强磁场作用下能在瞬间从自由流动的液体转变为半固体, 呈现可控的屈服强度, 而且这种变化是可逆的[14]。流变液减震器的力学模型主要有

Bouc-wen模型、改进的Bouc-Wen模型、Bingham 塑性模型非线性双粘性模型、非线性滞回双粘性模型和非粘性弹一塑性模型等[15] [16] [17]。基于阻尼介质阻尼的可控性，人们设计了一种加上半主动控制的磁流变减震器，能够很好的抑制共振峰值，达到良好的减震效果[18]。以及在可控悬架上得到了越来越广泛的应用的电流变减震器，它是一种通过电信号快速连续地对阻尼进行调节的新型减震器[19]。

此外，国外加利福尼亚大学伯克利分校的Sang-Hee Yoon 和 Sungmin Park 两人提出了仿生的减震方式[20]。啄木鸟长着长长的嘴，它不仅通过长嘴啄树觅食，还要靠它在树干中挖洞建巢，互相传递信息或者示威。每只啄木鸟一天啄树次数高达1.2 万次，每次撞击的减速力达到重力的1200倍，相当于以每小时25千米的速度在撞墙。要是人类也这样，即使不得脑震荡，恐怕头痛病也是免不了的。Sang-Hee Yoon 和 Sungmin Park两人在研究了啄木鸟的头部结构后，提出应用此方法进行机械防震。目前，二人仍在对此进行研究。

三．未来前景

减震缓冲技术在高精尖技术中具有重要的战略作用。解决好振动和冲击问题，对于高精密技术的发展具有巨大的推动作用。随着计算机技术和自动控制技术的发展，减震器和缓冲器会向智能化的方向发展。未来的减震系统将不仅仅只有减震器，而且会将是有可控减震器、振动传感器、控制中枢组成的闭环系统。

日本的日立公司研制的电磁减震器是由传感器、电子控制器、圆筒型线性电动机和弹簧液压减震器四大部分组成的有源悬架系统。加速度传感器用来检测路面凹凸不平的程度,输送给电子控制器,发出指令控制线性电动机产生与减震运动方向完全相反的反作用力运动行程，从而达到减震的目的。

美国博斯公司研制的动力-发电减震器与日本日立所研制的电磁减震器的不同点是取消了弹簧液压减震器, 完全由线性电动机电磁系统组成电磁减震器，不仅进一步简化了系统的结构, 而且可在正常行驶工况下, 具有发电功能[21]。四．总结

本文对减震缓冲技术进行了综述，简单的概括了减震器和缓冲器的发展历程、研究现状和未来前景。减震防冲击技术将是21世纪的一个热门问题，人们在追求高质量、高精度、高技术含量的道路上，必然要将振动冲击问题解决好。未来通过自调整的减震器技术，减小甚至消除振动将变为现实。