汽车悬架双活塞阻尼减振器特性研究

陈 双 梁海林 王一臣王 建

（1.辽宁工业大学；2.锦州立德汽车减振器有限公司）

1 前言

近年来，越来越多的学者开始关注减振器功能的提高以及新型减振器的应用[1～4]。目前，筒式减振器在汽车悬架系统上的应用较为广泛，根据所用缸筒的数量，可分为单筒式和双筒式。本文在普通双筒式减振器基础上，提出了一种适用于汽车麦弗逊悬架的双活塞阻尼减振器，并通过试验研究分析了设计参数对该减振器的影响。这种双活塞阻尼减振器不仅比传统减振器具有更好的限位缓冲功能，还能提高汽车的乘坐舒适性，延长减振器的使用寿命。

2 双活塞阻尼减振器结构及工作机理

双活塞阻尼减振器在双筒式液压阻尼减振器原有活塞结构基础上，增加了一套具有限位缓冲功能的浮动活塞总成，具体结构如图1所示，主要由限位弹簧和浮动活塞总成组成（包括图中1、2、3）。浮动活塞设有花瓣型流通槽，上部设有支撑螺旋弹簧。当减振器静止时，限位缓冲垫到导向套的距离是弹簧的自由长度，即减振器的拉伸限位行程。调整弹簧长度可以改变限位行程，从而改变减振器的阻尼特性。

当减振器处于伸张行程时，限位缓冲垫首先与浮动活塞总成相接触，使得浮动活塞上通孔被限位缓冲垫遮住一部分，上腔中油液流回下腔。随着活塞杆继续向拉伸方向移动，限位缓冲垫带动浮动活塞总成压缩限位弹簧向导向器的方向移动，此时浮动活塞总成上腔空间减小、油压升高，上腔油液在压力作用下通过浮动活塞的孔隙与限位缓冲垫形成小孔节流，从而产生一种附加阻尼力值。

当减振器由伸张行程转为压缩行程，即活塞杆向相反方向移动时，浮动活塞在限位弹簧的张力作用下向下运动。下腔油液通过浮动活塞的通孔及上端（支撑弹簧下方）的旁通孔回流，来补充上腔空间，以便下次伸张行程时产生伸张阻尼力。由于限位弹簧的簧丝直径小、弹簧刚度小，只能满足浮动活塞回位，所以在此过程中对压缩的阻尼力影响很小，可以忽略不计。

3 减振器特性的理论分析

从物理结构考虑，减振器的阻尼作用是由一系列固定节流孔和可变节流孔共同作用产生，因此汽车悬架双活塞阻尼减振器可以简化为一系列液压元件组成的等效液压系统，其简化模型如图2所示。根据其工作原理，可以将浮动活塞总成结构等效为由节流面积较小的常通孔和节流面积很大的可变节流孔组成的液压系统。

正常工况下，可变节流孔全部打开，此时液压缓冲限位器几乎不起节流作用，减振器的阻尼作用由流经活塞阀的油液流量决定。根据流体力学相关理论，流经减振器活塞阀的油液流量Qd与活塞上、下表面油液压力差和阀体的节流孔面积有关，流经伸张阀的油液流量可表示为：

式中，ΔPd=P1-P2，P1为工作缸上腔压力，P2为工作缸下腔压力；ρ为油液密度；Cd为流量系数；Am为阀体节流孔面积。

根据减振器结构特点，活塞杆运动产生的油液流量由活塞杆截面面积和活塞运动速度决定，即：

式中，Ap为活塞杆截面面积；vp为活塞运动速度。

若忽略补偿阀产生的油液流量，则在正常工况下，Qd=Qp，由公式（1）和公式（2）可得：

由于减振器的阻尼力由活塞上、下表面油液压力差和活塞杆截面积决定，因此在一定活塞运动速度下，减振器阻尼力计算公式为：

由公式（4）可知，正常工况下，减振器的阻尼力与活塞运动速度有关。

当减振器被逐渐拉伸时，流经限位缓冲结构可变节流孔部分的油液会被限位缓冲垫遮挡，并随着减振器运行至极限行程位置，油液几乎全部流经节流面积很小的常通孔，从而产生一个附加的阻尼力。根据流体力学相关理论，流经浮动活塞孔隙的油液流量Qa由浮动活塞总成上、下腔的压力差和常通孔面积决定，即：

此时，活塞杆运动产生的油液流量Qp包括流经伸张阀的油液流量Qd和流经浮动活塞孔隙的油液流量 Qa，即：

将公式（1）、公式（2）和公式（5）代入公式（6）中，可得：

二是建档制度。在制度制约下，内容丰富详实的土地质量档案资料，可在土地利用规划编制、耕地保护及土地交易、土地流转、耕地占补平衡、土地整治、土地质量等级变更、农产品安全源头追溯等方面，发挥重要作用。

限位缓冲结构产生的附加阻尼力由浮动活塞总成上、下腔的压力差和活塞杆截面面积决定，即：

式中，ΔPa=P3-P4，P3为浮动活塞总成上腔油液压力，P4为浮动活塞总成下腔油液压力。

则有：

从公式（9）中可以看出，浮动活塞总成产生的附加阻尼力也与活塞的运动速度有关。

4 试验设计及结果分析

4.1 试验方法

参照QC/T545-1999《汽车筒式减振器台架试验方法》，在MTS公司生产的减振器试验台上进行相关示功特性试验。对双活塞阻尼减振器试件施加正弦位移激励，行程固定，依次变化频率（每个频率下进行3个循环周期试验），从低速到高速进行试验，得到相应的示功曲线。为了满足用户需求，本文选取 5 个测试速度点， 即 0.05 m/s、0.13 m/s、0.26 m/s、0.39 m/s和 0.53 m/s。

为了研究浮动活塞总成设计参数对减振器特性的影响，本文将对4种不同浮动活塞总成的减振器进行台架试验，试验计划如表1所示。

表1 减振器试验计划

4.2 试验结果分析

对双活塞阻尼减振器试验样件按上述试验方法试验，得到表1中4组不同浮动活塞总成的减振器示功特性曲线如图3所示。

a. 减振器在正常拉伸工作区间运行时，会产生与汽车弹性元件相匹配的拉伸阻尼特性；当减振器拉伸到极限位置时，其拉伸阻尼会逐步增大；减振器在压缩行程的阻尼特性无变化。

b.示功特性曲线中，伸张行程的最大阻尼力并不是发生在运动速度最大的平衡位置0点，而是超过了平衡位置。由此可知，活塞运动到平衡位置时，浮动活塞上通孔的流通面积还处于不断变化中，直到示功曲线上最大阻尼点对应的位置流通面积达到最小。

c. 同一类型浮动活塞总成下，不同活塞运动速度的示功特性曲线都在同一位置出现拐点，阻尼力从这一点开始迅速增加。由此可以判断出，曲线上拐点对应的位移即为浮动活塞总成限位缓冲作用的起始位置。

d. 同一类型浮动活塞总成下，随着活塞运动速度的增加，阻尼力增大明显，且阻尼力的变化是连续变化的，图3中表现为梯度较大的圆滑曲线，不仅能有效缓冲减振器极限位置的冲击，还能缓解由于冲击造成的乘坐舒适性差等问题。

e.支撑弹簧刚度和浮动活塞上通孔直径的大小都对减振器的阻尼特性具有一定影响。

综合上述可知，本文提出的双活塞阻尼减振器可以增加伸张行程中的最大阻尼力，且不影响压缩行程的阻尼特性。

5 结束语

本文对普通液压阻尼减振器进行改进，提出一种适用于汽车麦弗逊悬架的双活塞阻尼减振器，并对其工作机理进行分析，通过台架试验得到示功特性。试验结果表明，本文提出的双活塞阻尼减振器在伸张行程可以产生附加的阻尼力，使其比传统减振器具有更好的缓冲减振功能，有效提高了汽车恶劣行驶工况下的平顺性，且延长了减振器的使用寿命。

1 Etman,L F P,Vernmeulen,R C N,Van Heck,J G A M,Schoofs,A J G,Van Campen,D H D.Design ofa stroke dependent damper for the front axle suspension of a truck using multibody system dynamics and numerical optimization.Vehicle system dynamics,38(2):85～101,2002.

2 Choon－Tae Lee.Simulation and experimental validation of vehicle dynamic characteristics for displacement－sensitive shock absorber using fluid－flow modeling.Mechanical Systems and Signal Processing 20,2006:37～388.

3 孙胜利.位移相关减振器动力学建模及对车辆性能影响的研究：[学位论文].长春：吉林大学，2008.

4 杨帆.液压限位结构在某军用越野车辆上的应用：[学位论文].长春：吉林大学，2012.

5 曾庆东.机动车减振器设计.机械工业出版社，2000.