半主动式减振技术在国内商用车领域的研究与应用

柴文钧

(上海交通大学，上海200030)

1 减振器振动阻尼的原理与功能

过减振器进行衰减的 (上方曲线)。

1.1 被动式减振器的减振原理

减振器实际上是振动阻尼器的别名，但“减振器”一词却是汽车底盘行业内通过的术语。常规减振器的作用是减小振动。当车辆在弹簧上振动时，减振器的作用力总是与运动的方向相反，起着阻止振动的作用。由于道路不平，车体在弹簧上就产生大振幅的自由振动，而振动的大小随着车辆运行的速度变化，在一定的速度范围内会发生共振，即车体的振动越来越大。有了减振器就能使振动很快衰减，阻止车辆共振的发生，并有效地减少车辆的振动。

当汽车遇到颠簸时，悬挂弹簧和减振器均被压缩，悬挂可以吸收振动对车身的冲击。它可以避免簧载质量mb(车身以及载荷)同非簧载质量ma(轴和车轮)发生接触。但另一方面，弹簧要释放压缩时吸收的能量并复原。正是为了快速抑制轴和车身之间的相对往复振动，才在底盘上设置减振器。簧载质量mb和非簧载质量ma在不同频率范围内振动。振动衰减图(图1)清晰地描述了由地面引起的振动 (下方曲线)如何通

1.2 频率可调节式 (FSD)减振器的减振原理

FSD阀体的设计在大范畴中属于正比阀中的一种衍生，即半主动调节系统中的阻尼控制正比阀，应用对象为双筒式液压减振器。液压式阻尼器是一种对速度反应灵敏的吸收衰减振动装置，它能够吸收、衰减振动与冲击的能量，从而减少构建的动力反应［1］。结合国内目前的实际路况，大多是选择在减振器活塞阀体上安装FSD阀来主动调节复原行程上的阻尼力，来实现整车在遇到颠簸路面以及经过坑洼路面时减少从路面传递到整车底盘以及客车车厢的振动。其外部无需电气控制器，根据整车接收到的从路面传递的变动频率，为底盘提供可变的阻尼力调节舒适性与操控性。从图2中可以了解到FSD减振器的结构。

其中 活塞阀体是减振器在复原方向上制造阻尼力的关键部件，油通过回路1压缩活塞阀片产生阻尼力，衰减来自车辆的振动和颠簸。孔B是FSD阀体中的重要特征，孔径0.025 mm，工作中类似于液压放大器，放大的阻尼力依附于运动频率与关闭阀门A，切断平行油路2所需要的时间。在高频下(大于7 Hz)，压缩与复原之间不足以留出0.15～0.2s完全关闭阀门A，所以减少的阻尼力幅度取决于减振器运动的频率。阀门A为液压触动型，当膜下房室从孔B充满油时，阀门在固定时间里将完全关闭流量 (0.15～0.2s)。预载垫片会产生非常小的预载荷，将阀门A置于阀座上，使阀门在复原开始时刻为常开“open”状态。

2 FSD与常规减振器的性能对比实验

2.1 背景介绍

在为宇通客车集团ZK6122HD9车型配套减振器项目中，客户希望通过对FSD减振技术在整车路试中的测试，来对其优于常规减振器的阻尼特性作验证。整车路试地点选在襄樊试验场平顺性试验专用车道，试验方法采用汽车平顺性随机输入行驶试验 (GB/T 4970－1996)。实验结果显示FSD减振器在改善平顺性上有实际效果。

在研发后期，为了深入研究针对商用车开发的FSD减振器在性能上的优异表现，为宇通定制了一款FSD减振器，希望通过与普通减振器的对比实验的研究，用示功图的形式分析和反映FSD减振器的变阻尼特性。

2.2 研究一:相同速率，不同频率下的阻尼特性对比研究

研究一研究的对象是常规减振器 (左侧)和FSD减振器(右侧)。分别制作了10只FSD减振器和常规减振器样品，在一个速率0.13 m/s下，调整频率以1～10 Hz来测试两种减振器，观察示功图的结果。

(1)研究环境:适用于拥有1.3 Hz的自然频率的汽车底盘。

(2)研究目的:通过F-v图形观察常规减振器与FSD减振器受频率影响下的复原和压缩阻尼特性

图3中横坐标代表减振器位移 (振幅mm)，纵坐标代表减振器阻尼力 (力值N);上端每个波峰代表一个速率下的复原最大力;下端每个波谷代表一个速率下的压缩最大力，力值采集后在上方表格中显示。分别采集了两种减振器在相同的速率下，调整频率从1 Hz至10 Hz产生的复原和压缩阻尼力。

图3(a)中显示了常规减振器在0.13 m/s速率下，频率对阻尼力的影响。通过研究发现:在相同的速率下，常规减振器受到从1 Hz到10 Hz频率波动，振幅从21 mm减少至2 mm。其复原阻尼力在1.98～2.07 kN之间波动，压缩阻尼力0.27～0.35 kN之间波动。这表明常规减振器复原和压缩阻尼特性基本不会受到频率影响。

图3(b)中显示了商用车设计的FSD减振器在0.13 m/s速率下，频率对阻尼力的影响。通过研究发现:在相同的实验条件下，递增的频率对FSD减振器的复原阻尼影响非常显著，在采集的10组数据中，FSD减振器受到从1 Hz到10 Hz频率波动，振幅从21 mm减少至2 mm。其复原阻尼力从1 Hz下的2.4 kN逐级递减，到10 Hz时下降到0.56 kN，复原阻尼力的衰减与频率成正比。

由此可知，压缩阻尼性能同常规减振器，不受频率影响。这表明，为商用车设计的FSD阀在一个速率下的阻尼特性达到了设计目的，能通过调整频率实现对复原阻尼的衰减。

2.3 研究二:变化速率，不同频率下的常规减振器阻尼特性

在研究二中研究的对象是常规减振器 (图3)的示功图。还是用相同的样品量和方法来研究。在不同速率 (从0.02 m/s提高到0.3 m/s)下，观察常规减振器在频率从1～10 Hz的复原与压缩阻尼特性。

(1)研究环境:这是一个适用于拥有1.3 Hz的自然频率的汽车底盘。

(2)研究目的:通过F-v图形观察常规减振器在不同速率下受频率影响的复原和压缩阻尼特性。

图 的研究对象是常规减振器 图中横坐标代表减振器位移 (振幅mm)，纵坐标代表减振器阻尼力 (力值N);上端每个波峰代表一个速率下的复原最大力;下端每个波谷代表一个速率下的压缩最大力，力值采集后在上方表格中显示。采集了10只常规减振器在不同速率下，频率从1 Hz至10 Hz产生的复原和压缩阻尼力。在研究一的基础上，通过改变速率研究高频和低频下对常规减振器复原和压缩阻尼特性的影响。研究将速率分为两个区间 (高频区间和低频区间)，每个区间分为5个速率点 (0.02 m/s，0.05 m/s，0.13 m/s，0.22 m/s和 0.33

可以发现

(1)在复原低频区，随着速率从0.02 m/s增长到0.33 m/s，复原阻尼从257N增长到2 700N;复原阻尼力与速率成正比。

(2)在复原高频区，采集与低频区相同的5个速率点下的阻尼力，发现高频区采集的阻尼力与低频时几乎完全一致。复原阻尼力与速率成正比。

(3)在压缩低频与高频区，在相同的实验条件下，压缩阻尼特性分别在5个速率点上表现出了相等的阻尼力。

这个结果表明不带FSD阀的常规减振器在不同速率下，拥有相同的低频和高频阻尼特性，此特征涵盖复原和压缩两个行程，也就是说，常规减振器的阻尼力在不同速率下的阻尼力值不会受改变的频率影响而发生改变。

2.4 研究三:变化速率，不同频率下的FSD减振器阻尼特性

结合研究二中得出的结论，常规减振器的阻尼力在不同速率下的阻尼力值不会受改变的频率影响而发生改变。如果是在不同速率下，针对商用车设计的FSD减振器又会表现出如何的性能?仍旧用相同的样品量和方法来研究，研究的对象改为商用车设计的FSD减振器规减振器，在不同速率 (从0.02 m/s提高到0.3 m/s)下，观察在频率从1～10 Hz的复原与压缩阻尼特性。

(1)研究环境:这是一个适用于拥有1.3 Hz的自然频率的汽车底盘。

(2)研究目的:通过F-v图形观察FSD减振器受频率影响下的复原和压缩阻尼特性。

图5的研究对象是商用车用FSD减振器，图中横坐标代表减振器位移 (振幅mm)，纵坐标代表减振器阻尼力 (力值N);上端每个波峰代表一个速率下的复原最大力;下端每个波谷代表一个速率下的压缩最大力，力值采集后在上方表格中显示。采集了10只FSD减振器在不同速率下，观察频率从1 Hz至10 Hz复原和压缩阻尼力的变化。研究将速率分为两个区间(高频区间和低频区间)，每个区间分为5个速率点 (0.02 m/s，0.05 m/s，0.13 m/s，0.22 m/s 和 0.33 m/s)，可 以发现:

(1)在复原低频区，复原阻尼力与速率成正比，随着速率从0.02 m/s增长到0.33 m/s，复原阻尼从427N增长到3 196N。

(2)在复原高频区，复原阻尼力与速率成正比，采集与低频区相同的5个速率点下的阻尼力，发现高频区采集的阻尼力与低频区相比得到了显著的衰减。随着速率从0.02 m/s增长到0.33 m/s，复原阻尼从195N增长到1 600N。衰减率达到45% ～50%。

(3)在压缩低频与高频区，在相同的实验条件下，压缩阻尼特性在5个速率点上表现出了相同的阻尼力。

这个结果表明商用车FSD阀在不同速率下的阻尼特性达到了设计目的。在高频下的复原阻尼相较于低频能得到显著的衰减;在压缩行程，高频区与低频区表现出相同的阻尼力。

3 结束语

根据频率可调节式减振器作为纯机械式半主动式减振器，能为商用车底盘提供常规减振器不能给予的舒适与操控兼容性，FSD减振阻尼技术在国内中高端商用车市场作出的贡献，能够使更多的用户有机会接触到由半主动减振器的减振技术带来的不同的驾乘感觉。在如今大规模引进高新技术的大背景下，随着海外先进技术不断涌入国内，FSD减振技术也一定能推动国内商用车底盘自主研发的革新之路，将会为社会创造更多的价值。

【1】解绍伟，尚增温，郗安民，陈红光.液压阻尼器试验系统设计［J］.液压与气动，2005(12):9－11.