新型减震器在汽车悬架系统上的应用

新型减震器在汽车悬架系统上的应用

陈浩1李社锋2沈德魁2

（１．机械电子研究所；２．热能工程研究所）

摘要：介绍了一种阻尼可变的筒式减震器，说明了实现阻尼变化的原理。同时设计了旋转减震器并构造了新的悬架避震系统，进行了简单的系统分析。

关键词：压力减震器；旋转减震；系统分析；阻尼系数

1 设计研究背景

舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架作为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。目前轿车采用的减震方式，用的比较多的有如下几种：1.钢板弹簧+筒式减震器；2.螺旋弹簧+筒式减震器；2.气体减震器（气包）；3.弹簧杠杆减震器；在2-30万区间的轿车，大都采用第二种形式，越野车和CUV、SUV等车型，采用的是前轴2.后轴1的形式。如图所示为汽车悬架以及减震系统的大致结构

1.螺旋弹簧+筒式减震器

2.横向和纵向推力杆

3.横向稳定杆

图1.汽车悬架以及减震系统

通常用的结构又被称作麦弗逊结构，主要元件就是筒式减震器。特点在于简单，响应速度快。并且在一个下摇臂和支柱的几何结构下能自动调整车轮外倾角，让其能在过弯时自适应路面，让轮胎的接地面积最大化，而且占用空间小适合小型车以及大部分中型车使用。但是由于结构简单使得悬挂刚度较弱，稳定性差，转弯侧倾明显。另外，由于一般欧美车比较重，该机构中的弹簧承受的负荷比较大，再加上国内道路状况不是那么的良好，沟坎路面多，车身向下的大冲击力很频繁的出现在驾驶过程中，这就造成了螺旋弹簧的金属疲劳，在新车行驶一段时间后（视经常行驶路面情况，时间长短有所不同，同时，车辆的载荷也有很大关系），弹簧的回位力量减弱；于是就有车身高度下降，托底，轮胎容易和翼子板刮蹭等等这样的现象发生。弹簧回位力量减弱，变软，还会造成一个严重的问题，就是损害减震器，大家都知道，在重载情况下，减震器会有极限工况，也就是减震器震芯压到极限行程，这样的工况，会是减震器漏油，密封圈破损，造成减震器寿命缩短，在弹簧变软的情况下，减震器的寿命就会受到严重影响。

其他如充气性减震器，变阻尼减震器要求比较昂贵的密封装置，机构复杂，只在高性能的轿车上使用。

2 设计目标

本文设计的目标在于采取对现有筒式减震器的功能优化设计达到半主动悬架的目的。通过油压的变化产生不同的阻尼比，适应不同速度和路面情况。同时，针对传动悬架系统纵向推力杆单一弹性元件设计的情况，引入旋转阻尼部件，改善汽车在急停、转弯等动作状态下汽车的刚性特征。

设计结果拟用新型筒式压力减震器替代原系统中的减震器，其他部件不变，引入一小型油泵与该减震器相连，油泵有电机控制，能实时改变油压。油压得产生使得减震器能分担弹簧负担的车身载荷。

同时，在原来纵向推力杆处增加旋转阻尼器，增加原来仅仅由弹性杆件提供的侧向缓冲作用，旋转阻尼器的作用原理和新型筒式压力减震器相似，但不提供附加载荷作用在推力杆上。

图2 新型筒式/旋转压力减震器以及油泵

3 设计原理

根据流体力学中薄壁小孔的压力流量公式

)(32212p p W b q -=ηπ

可以看出，当压差提高时，流量变大。流量大小直接和阻尼系数有关。通过分析，可以得出，

A q

x =.， A ---减震器内截面积

也就是说，压差影响了活塞杆移动的速度；不需要通过微分方程的计算，就可以分析得出压差大的时候，阻尼系数小；压差小的时候相应的阻尼系数大。

因此，通过改变普通筒式减震器中的油压，可以改变减震器工作时的压差，从而达到改变阻尼比的效果。

而普通筒式减震器中的阻尼系数C 一般不可变改，以下我们通过新型筒式压力减震器的结构研究来得出它的优势。

新型筒式压力减震器的原理和双向

作用筒式减震器的原理很相似，只不过

采用了压力油作为工作介质，压缩阀和

补偿阀均与电机油泵相连通。

首先，由于上下两腔充满压力油，

适当调节流通阀和伸张阀，就可以避免

由于活塞运动造成的“真空”，从而降

低噪声，延长减震器寿命。同时可以发

现，由于上腔室的截面积小于下腔室，

从而产生向上的提升力

()12A A p F -=

2A --下腔室截面积

1A --上腔室截面积

承担车身负载。 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，油液流经流通阀流到活塞上面的腔室（上腔）。上腔被活塞杆占去了一部分空间，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，流回油源。这些阀对油的节约形成悬架受压缩运动的阻尼力。我们通过以下推导得出相对于常规减震器，阻尼比的变化。

由PV 不变，活塞运动时，上腔室的守恒方程为：

)(/111v V P V p ∆+=------------------------（1）

下腔室：

)(//222v V P V p ∆-=---------------（2） 初始状态： 21P p = -------------------（3）

由（1），（2），（3），得出动态情况下，压差为：

11/21'2'P v V V v V V P P ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+-∆-=-

压差受初始减震器内压力的影响。从而，通过调节电动油泵的出油压力，

就图 3 新型筒式压力减震器

可以改变震动情况下的压差，阻尼比，达到在低速、平稳地面，阻尼比小，而在高速或者崎岖不平地面情况下，阻尼力大的目的。

根据相似的原理，设计旋转减震器，但

是不需要提供附加载荷。如下图所示：

该减震器采用叶片结构，如右图所示，

在左腔，设计成为渐变得腔室结构，使得旋

转式流通需通过阀口，或需要油泵补油，根

据筒式结构的分析，同样可以认为，该结构

为阻尼可变的结构，但由于左右腔室截面积

相同，不会产生附加力矩。为了实现渐变式

结构，同时不影响叶片运动，采取下图的结

构设计。