汽车底盘设计系列讲座之三

1、 安徽工程大学：时培成安徽工程大学：时培成 20102010年年1111月月汽车底盘设计系列讲座之三汽车底盘设计系列讲座之三（减振器设计）（减振器设计）汽车底盘设计系列讲座之三汽车底盘设计系列讲座之三（减振器设计）（减振器设计）汽车减振器的作用汽车减振器的作用1.1.对因路面不平或驾驶条件差而引起向车身传递的振对因路面不平或驾驶条件差而引起向车身传递的振动进行阻尼，动进行阻尼，保持车辆的平顺性，乘座舒适。保持车辆的平顺性，乘座舒适。2.2.快速消除由路面引起的轴和车轮的振动，保证车轮快速消除由路面引起的轴和车轮的振动，保证车轮随时抓地，从而保证车辆的转向和刹车功能，随时抓地，从而保证车辆的转向

2、和刹车功能，提高提高车辆行驶的安全性。车辆行驶的安全性。筒式减振器型号表示麦氟逊式减振器型号表示麦氟逊式减振器型号表示汽车减振器相关术语：汽车减振器相关术语：汽车筒式减振器的分类v1 按结构分：摇臂式和筒式按结构分：摇臂式和筒式v摇臂式减振器能够在比较大的工作压力摇臂式减振器能够在比较大的工作压力(10(1020MPa)20MPa)条件下工条件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大作，但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大而遭淘汰。筒式减振器工作压力虽然仅为而遭淘汰。筒式减振器工作压力虽然仅为2.52.55MPa5MPa，但是因，但是因为工作性能稳定而在现代汽车

3、上得到广泛应用。为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛应用。v筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。种。双筒充气液力减振器具双筒充气液力减振器具有工作性能稳定、干有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低、总长度短等优点，在轿车摩擦阻力小、噪声低、总长度短等优点，在轿车上得到越来越多的应用。上得到越来越多的应用。筒式液压减振器的工作原理筒式液压减振器的工作原理 当车架与车桥作往复相对运动，活塞在缸筒内作当车架与车桥作往复相对运动，活塞在缸筒内作往复运动，往复运动，油液便反复地从一个内腔通过一些窄小油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔，的

4、孔隙流入另一内腔，此时，此时，孔壁与油液间摩擦及孔壁与油液间摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，把车身与液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，把车身与车架振动的能量转化为热能，并由减振器内油液吸车架振动的能量转化为热能，并由减振器内油液吸收，进而通过减振器壳体然后散发到大气中。收，进而通过减振器壳体然后散发到大气中。双向作用筒式液压减振器基本构成双向作用筒式液压减振器基本构成 v双向作用筒式液压减振器主要由：油封、活塞杆、双向作用筒式液压减振器主要由：油封、活塞杆、活塞阀、底阀、工作缸、油筒以及上下连接件等活塞阀、底阀、工作缸、油筒以及上下连接件等组成。（即双筒、一杆、四阀）。组成。（即双

5、筒、一杆、四阀）。v减振器的工作过程由是复原行程和压缩行程持续减振器的工作过程由是复原行程和压缩行程持续交变过程形成的。交变过程形成的。 减振器在复原（拉伸）工况下的工减振器在复原（拉伸）工况下的工作原理：作原理：拉 伸 (复 原 )复 原 阀流 通 阀压 缩 阀补 偿 阀V 下 增上 减 V 常 通 孔减振器在压缩工况下的工作原理减振器在压缩工况下的工作原理 压 缩复 原 阀流 通 阀补 偿 阀压 缩 阀V 上 增 V 下 减常 通 孔复原行程v影响低速时的阻尼力大小的因素：影响低速时的阻尼力大小的因素：活塞的泄漏，开口阀片的活塞的泄漏，开口阀片的开口大小。开口大小。低速，复原阀开阀前的工作

6、状况压缩行程高速低速高速畸变与临界速度高速畸变与临界速度 充气式减振器充气式减振器 减振器主要故障及影响因素减振器主要故障及影响因素v减振器早期漏油减振器早期漏油1 1 油封处漏油油封处漏油2 2 其它原因引起的漏油其它原因引起的漏油v减振器异常噪声减振器异常噪声v减振器失效减振器失效油封处漏油原因油封处漏油原因缝焊处漏油原因其它原因引起的漏油其它原因引起的漏油异响异响 v减振器的异响分为空程性异响与摩擦性异响。减振器的异响分为空程性异响与摩擦性异响。v空程性异响：空程性异响：由于减振器外特性畸变形成的是某种由于减振器外特性畸变形成的是某种空程性冲击噪声，在一定条件下，与车身的共振而空程性冲击

7、噪声，在一定条件下，与车身的共振而产生的异响。产生的异响。v摩擦性异响：摩擦性异响：减振器油封与连杆之间的摩擦较大，减振器油封与连杆之间的摩擦较大，而产生的摩擦异响。而产生的摩擦异响。v减振器与悬架系统不匹配、减振器吊环与橡胶衬套减振器与悬架系统不匹配、减振器吊环与橡胶衬套松旷、导向器组件内孔尺寸偏小也可能产生异响。松旷、导向器组件内孔尺寸偏小也可能产生异响。v 因此因此减摩降噪是减振器外特性设计和工艺控制的减摩降噪是减振器外特性设计和工艺控制的重要原则和目标。重要原则和目标。一、减振器阻尼设计（相对阻尼系数）一、减振器阻尼设计（相对阻尼系数） 减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力减振器在卸荷

8、阀打开前，减振器中的阻力F与减振器运动速度与减振器运动速度v之间有如下关系之间有如下关系 F=v 式中，式中，为减振器阻尼系数。为减振器阻尼系数。v图具有如下特点：图具有如下特点：阻力阻力速度特性由四段近似直线速度特性由四段近似直线线段组成，线段组成，其中压缩行程其中压缩行程和伸张行程的阻力和伸张行程的阻力速度速度特性各占两段；特性各占两段；各段特性各段特性线的斜率是减振器的阻尼线的斜率是减振器的阻尼系数系数=F=Fv v，所以减振器所以减振器有四个阻尼系数。在没有有四个阻尼系数。在没有特别指明时，减振器的阻特别指明时，减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数而言。的阻

9、尼系数而言。通常压通常压缩行程的阻尼系数与伸张缩行程的阻尼系数与伸张行程的阻尼系数不等。行程的阻尼系数不等。v汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数的大小来评定振动衰减的快慢程度。的大小来评定振动衰减的快慢程度。)2(skmvk为悬架系统的垂直刚度，为悬架系统的垂直刚度， ms为簧上质量。为簧上质量。v减振器的阻尼作用在与不同刚度减振器的阻尼作用在与不同刚度k k和不同簧上质量和不同簧上质量m ms s的悬架系统的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。匹配时，会产生不同的阻尼效果。值大，振动能迅速衰减，值

10、大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；同时又能将较大的路面冲击力传到车身；值小则反之。值小则反之。v通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数Y Y取得小些，伸张取得小些，伸张行程时的相对阻尼系数行程时的相对阻尼系数S S取得大些。保持取得大些。保持Y Y=(0.25=(0.250.5)0.5)S S的的关系。关系。v设计时，先选取设计时，先选取Y Y与与S S的平均值的平均值。对于无内摩擦的弹性元。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取件悬架，取=0.25=0.250.350.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，；对于有内摩擦的弹性元件悬架，值取小些

11、。对于行驶路面条件较差的汽车，值取小些。对于行驶路面条件较差的汽车，值应取大些，一值应取大些，一般取般取S S 0.3 0.3；为避免悬架碰撞车架，取；为避免悬架碰撞车架，取Y Y =0.5 =0.5S S 。v减振器阻尼系数减振器阻尼系数 。因悬架系统固有振动频。因悬架系统固有振动频率率 ，所以理论上，所以理论上 。实际上应根据减振。实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。器的布置特点确定减振器的阻尼系数。 skm2三、减振器阻尼系数三、减振器阻尼系数的确定的确定smk /sm222/2anms例如，当减振器如图例如，当减振器如图a）安装时，其阻尼系数）安装时，其阻尼系数为为如图如

12、图b）安装时，）安装时，为为)cos/(2222anms如图如图c）安装时，）安装时，为为22cos/2nmsv由此可见，在下横臂长度由此可见，在下横臂长度n不变的条件下，改变减振器在下不变的条件下，改变减振器在下横臂上的固定点位置或者减振器轴线与铅垂线之间的夹角横臂上的固定点位置或者减振器轴线与铅垂线之间的夹角，会影响减振器阻尼系数的变化。会影响减振器阻尼系数的变化。 v为减小传到车身上的冲击为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器度达到一定值时，减振器打开卸荷阀。此时的活塞打开卸荷阀。此时的活塞速度称为卸荷速度速度称为卸荷速度vx 。在。在减

13、振器安装如图减振器安装如图b时时 naAvx/cos四、最大卸荷力的确定四、最大卸荷力的确定v卸荷速度卸荷速度vx 一般为一般为0.150.30m/s。A为车身振幅，取为车身振幅，取40mm40mm；为悬架振动固有频率。为悬架振动固有频率。v如已知伸张行程时的阻尼系数如已知伸张行程时的阻尼系数s ，在伸张行程的最大卸荷力为，在伸张行程的最大卸荷力为xsvF0五、筒式减振器工作缸直径五、筒式减振器工作缸直径D的确定的确定根据伸张行程的最大卸荷力，计算工作缸直径。根据伸张行程的最大卸荷力，计算工作缸直径。pp为工作缸最大允许压力，取为工作缸最大允许压力，取3 34MPa4MPa；为活塞杆直径与为活

14、塞杆直径与缸筒直径之比，双筒减振器取缸筒直径之比，双筒减振器取=0.40.5,单筒式减振器取单筒式减振器取=0.30.35减振器的工作缸直径减振器的工作缸直径D D有有2020、3030、4040、(45)(45)、5050、65mm65mm等几等几种。选取时应按标准选用，详见种。选取时应按标准选用，详见JBl459JBl459汽车筒式减振器尺汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件寸系列及技术条件。贮油简直径。贮油简直径D Dc c=(1.35=(1.351.50)D1.50)D，壁厚取，壁厚取为为2mm2mm，材料可选，材料可选2020钢。钢。)1(420pFDv减振器的外特性是指减振器伴随减振器

15、的外特性是指减振器伴随( (相对相对) )运动的位移或运动的位移或( (相对相对) )运动的速度，与相应产生的工作阻力之间的关系，通常指运动的速度，与相应产生的工作阻力之间的关系，通常指的是试验示功图和试验速度特性。的是试验示功图和试验速度特性。v作为减振器的基本性能，示功图和速度特性的工作品质，作为减振器的基本性能，示功图和速度特性的工作品质，决定了它与悬架系统的匹配工作质量。决定了它与悬架系统的匹配工作质量。v实际减振器的外特性是非线性的，又是非对称的，即减振实际减振器的外特性是非线性的，又是非对称的，即减振器在复原行程和压缩行程，开阀前和开阀后的阻尼系数都器在复原行程和压缩行程，开阀前和

16、开阀后的阻尼系数都是变量。是变量。v因此，先进工业国家的标准通常要求减振器外特性按多个因此，先进工业国家的标准通常要求减振器外特性按多个规范速度进行检测，以多个限速测点参数给出减振器的外规范速度进行检测，以多个限速测点参数给出减振器的外特性规范特性规范( (参见表参见表1)1)。六、减振器的外特性设计六、减振器的外特性设计v速度规范定义的阻尼力，实际上是在保证速度特性的速度规范定义的阻尼力，实际上是在保证速度特性的“走向走向”，非线性的或是近于某种分段线性的，都是在使这种非线性的或是近于某种分段线性的，都是在使这种“走向走向”所定所定义的阻尼力能够与悬架的阻尼设计需要相匹配。义的阻尼力能够与悬

17、架的阻尼设计需要相匹配。v这个相匹配的外特性是评价减振器性能的重要指标，持续地按匹这个相匹配的外特性是评价减振器性能的重要指标，持续地按匹配指标稳定的工作能力配指标稳定的工作能力 ( (经台试或路试考核经台试或路试考核) )则是减振器的寿命则是减振器的寿命评价。因此，这是减振器设计的第一个重要问题。评价。因此，这是减振器设计的第一个重要问题。v减振器外特性是内特减振器外特性是内特性设计的依据，性设计的依据，内特内特性则由某种确定的结性则由某种确定的结构所保证构所保证; ;这是反求这是反求设计和主动设计都须设计和主动设计都须遵循的基本原则。遵循的基本原则。v当前在悬架减振器的国产化进程中试制件外

18、特性往往超出样机规当前在悬架减振器的国产化进程中试制件外特性往往超出样机规范要求范要求( (参见图参见图4 4），大都是在这个基本原则上，或者是结构，或），大都是在这个基本原则上，或者是结构，或者是工艺措施，反求设计没完全适应样机规范要求，因而才越出者是工艺措施，反求设计没完全适应样机规范要求，因而才越出允差区的。允差区的。v减振器的改进措施千变万化，但目标大体集中在三个基本方减振器的改进措施千变万化，但目标大体集中在三个基本方面面: :va.a.以兼顾车辆平顺性和安全性以兼顾车辆平顺性和安全性“折衷折衷”方案为基础的，外特方案为基础的，外特性三级控制性三级控制; ;vb.b.以防止漏油失效为

19、目标的工作可靠性，以防止漏油失效为目标的工作可靠性，vc.c.以控制外特性畸变为基础的工作稳定性。以控制外特性畸变为基础的工作稳定性。v其中，无一不涉及外特性的畸变问题。在这个意义上讲，研其中，无一不涉及外特性的畸变问题。在这个意义上讲，研究和改善减振器的性能和工作质量，究和改善减振器的性能和工作质量，使之具有稳定的匹配阻使之具有稳定的匹配阻尼功能，关键在于消除减振器外特性的畸变尼功能，关键在于消除减振器外特性的畸变; ;因为它对车辆因为它对车辆平顺性和安全性的影响，不容忽视。平顺性和安全性的影响，不容忽视。va. a. 减振液内混有气减振液内混有气体，造成工作液物理体，造成工作液物理性质的不

20、稳定性，使性质的不稳定性，使减振器外特性呈现某减振器外特性呈现某种程度的滞后现象，种程度的滞后现象，如图所示。如图所示。v良好（微量畸变）良好（微量畸变）v合格（畸变行程合格（畸变行程S/2S/2S/2）v对于减振器而言，存在一个发生畸变的临界速度；该临界速对于减振器而言，存在一个发生畸变的临界速度；该临界速度与激励频率并无直接关系。无论频率大小，只要减振器的度与激励频率并无直接关系。无论频率大小，只要减振器的工作速度达到了临界速度，便会发生畸变。见下图。工作速度达到了临界速度，便会发生畸变。见下图。结论结论v1. 1. 悬架减振器的内特性是根据外特性要求设计的，并通过悬架减振器的内特性是根据

21、外特性要求设计的，并通过一定的结构设计来保证一定的结构设计来保证. .因此，减振器外特性畸变必然存在因此，减振器外特性畸变必然存在结构设计和工艺保证两方面的潜在原因。结构设计和工艺保证两方面的潜在原因。v2. 2. 减振器外特性畸变的主要形式为压缩行程初期的畸变、减振器外特性畸变的主要形式为压缩行程初期的畸变、复原行程初期的畸变和靴畸。复原行程初期的畸变和靴畸。v3. 3. 改善传统液压减振器内特性设计，可以有效地消除复原改善传统液压减振器内特性设计，可以有效地消除复原行程初期的空程性畸变。行程初期的空程性畸变。v4. 4. 由于补偿阀的补偿能力所限，对于传统的双筒液压减振由于补偿阀的补偿能力

22、所限，对于传统的双筒液压减振器总存在一个临界速度，当减振器工作速度高于临界速度时，器总存在一个临界速度，当减振器工作速度高于临界速度时，便会发生畸变。加大补偿阀通径以及提高补偿阀前后压差，便会发生畸变。加大补偿阀通径以及提高补偿阀前后压差，可以有效地提高此临界速度，消除压缩行程初期的空程性畸可以有效地提高此临界速度，消除压缩行程初期的空程性畸变。变。v5. 5. 双筒充气减振器由于在贮油腔内建立了一定的背压双筒充气减振器由于在贮油腔内建立了一定的背压. .可以可以有效地提高卜述临界速度有效地提高卜述临界速度. .使减振器在实际工作过程中不会使减振器在实际工作过程中不会发生空程性畸变。发生空程性

23、畸变。结论结论v对于外特性呈现压缩行程畸变，特别是超越对于外特性呈现压缩行程畸变，特别是超越l/2l/2行程的空行程的空程性畸变的减振器，由于减振器运行中工作液不连续而酿成程性畸变的减振器，由于减振器运行中工作液不连续而酿成冲击噪声的潜在噪声源，这种噪声不论被听觉与否，畸变与冲击噪声的潜在噪声源，这种噪声不论被听觉与否，畸变与噪声同期存在。噪声同期存在。 v建议改进该类型减振器的补偿阀结构，以期提高补偿流量建议改进该类型减振器的补偿阀结构，以期提高补偿流量( (当然，彻底解决是采用充气的结构和工艺当然，彻底解决是采用充气的结构和工艺) )。v对于呈现双向空程畸变的减振器，最终后果也将造成潜在的

24、对于呈现双向空程畸变的减振器，最终后果也将造成潜在的噪声源。噪声源。关于噪声（关于噪声（“发响发响”）v卡滞或卡死现象的本质，是超常摩擦力对行驶平顺性的有害卡滞或卡死现象的本质，是超常摩擦力对行驶平顺性的有害影响影响; ;v凡出现空程畸变的试件，几乎概不例外地呈现非常摩擦力，凡出现空程畸变的试件，几乎概不例外地呈现非常摩擦力，样件的摩擦力大体在样件的摩擦力大体在100100200N200N，它会使车辆平顺性变坏；，它会使车辆平顺性变坏；v我们把由于复原阻力过低破坏了匹配阻尼，引起行程限位器我们把由于复原阻力过低破坏了匹配阻尼，引起行程限位器与导向器刚性撞击与导向器刚性撞击( (概率增加概率增加

25、) )，叫作元件匹配阻尼不足引起，叫作元件匹配阻尼不足引起系统的硬响应，而不是减振器系统的硬响应，而不是减振器“发硬发硬”；v我们把减振器的压缩阻力过高我们把减振器的压缩阻力过高( (最高达标准值的最高达标准值的208%208%，均值，均值也达也达105.4%)105.4%)则习惯地称之为减振器硬了。则习惯地称之为减振器硬了。v因为减振器压缩阻力的标准值，通常要考虑利用匹配弹簧的一部份弹性因为减振器压缩阻力的标准值，通常要考虑利用匹配弹簧的一部份弹性力，因此，过份地加大压缩阻力，即等于不适当地增大弹簧刚度，从而力，因此，过份地加大压缩阻力，即等于不适当地增大弹簧刚度，从而改变了预期的刚度和阻尼

26、的标准匹配关系，使平顺性变坏。改变了预期的刚度和阻尼的标准匹配关系，使平顺性变坏。关于摩擦力（关于摩擦力（“发硬发硬”）关于悬架减振器非线性外特性的规律化和量化问题关于悬架减振器非线性外特性的规律化和量化问题在解决悬架阻尼系数的匹配在解决悬架阻尼系数的匹配问题时，必须解决减振器非问题时，必须解决减振器非线性外特性的规律化和量化线性外特性的规律化和量化问题。问题。为此，工程上通常将为此，工程上通常将减振器的外特性用近似的分减振器的外特性用近似的分段线性特性来描述，并按振段线性特性来描述，并按振动速度，分为低速段、中速动速度，分为低速段、中速段和高速段，如图段和高速段，如图1 1所示。所示。分分段

27、线性化解决了用工程近似段线性化解决了用工程近似方法设计非线性减振器的外方法设计非线性减振器的外特性问题。特性问题。v根据图根据图1 1可以定义几个用于表征分段线性规律并便于量化的特可以定义几个用于表征分段线性规律并便于量化的特征参数。征参数。v双向阻尼比双向阻尼比bsbs: :减振器在规范速度下的压缩阻力与复原阻力减振器在规范速度下的压缩阻力与复原阻力的比值。规范速度在有关标准中规定为的比值。规范速度在有关标准中规定为0.3 m/s0.3 m/s、0.52 m/s0.52 m/s和和1.0 m/s1.0 m/s。双向阻尼比反映悬架减振器复原阻力与压缩阻力。双向阻尼比反映悬架减振器复原阻力与压缩

28、阻力的配置要求。的配置要求。v开阀后阻尼系数开阀后阻尼系数C Ckhkh: :决定于外特性的决定于外特性的KKKK段。段。它反映车辆在中它反映车辆在中间行驶频区工况下所需要的减振器匹配阻尼。间行驶频区工况下所需要的减振器匹配阻尼。由于兼顾改善平顺由于兼顾改善平顺性和安全性的需要性和安全性的需要, ,一般实施软阻尼一般实施软阻尼, ,因此因此,C,Ckhkh变得较小。变得较小。这个工这个工况下的激振频区的高限已接近车轮共振区况下的激振频区的高限已接近车轮共振区, ,但尚未达到车轮共振但尚未达到车轮共振区。区。v开阀阻尼系数开阀阻尼系数C Ck k: :决定于外特性的决定于外特性的OKOK段段,K,K称为开阀点。称为开阀点。C Ck k可视为减振器常通孔节流以可视为减振器常通孔节流以及直到开阀点及直到开阀点K K的阻尼系数。的阻尼系数。开阀点通常