减震器的研究现状

2020-02-21王婉莹张金萍

机械工程师 2020年5期

王婉莹，张金萍

（沈阳化工大学机械工程学院，沈阳110142）

0 引言

减震器是指在工作过程中通过往返运动使振动系统内部能量得到衰减，从而达到减震的目的。国内外的学者对减震器都有了较为深入的研究，取得了较好的成绩，但仍没有解决液压式减震器密封不实的漏油问题、橡胶减震器环境适应性差及磁流变减震器控制较为复杂等问题，因此，以现有研究成果为基础，研究新型适用范围更广的减震器具有重要意义。

1 减震器的分类

减震器的形式主要包括机械式减震器、液压式减震器、磁流变阻尼减震器等。机械式又包括弹簧减震器、橡胶减震器。

1.1 机械式减震器

1.1.1 弹簧减震器

弹簧减震器是最常用的一种钢制减震器，主要有螺旋形、碟形、环形和板形等形式，具有静态压缩量大、低频减震性能好、不易受环境影响等优点。但其本身阻尼很小，易产生摇摆运动，减震性能不够稳定，一般可填充些橡胶或毛毡等软材料以改善减震性能。光板弹簧-质量阻尼系统和叶子弹簧-质量组成的减震器阻尼系统多应用于重型车辆[1]。其他类型弹簧减震器多用于小型车辆。W.H. Tan[2]通过数学模型和仿真结合的方法深入分析了弹簧减震器的内部参数，研究发现，当悬架系统暴露在谐振的环境中，会产生过大的挠度，减震系统将会很快失效。

1.1.2 橡胶减震器

橡胶减震器是用橡胶制成的减震器，主要分为压剪型、剪切型和压缩剪切型。它的最大优点是具有足够的内阻尼，适用于静态位移小而动态位移虽短暂但很大的情况，主要用于隔离高频振动。其形状和尺寸调整灵活，以适应空间的要求。但其对工作环境条件适应性较差，易老化，产生蠕变。王贵一[3]研究了橡胶减震器不同胶种、不同的结构和形状对减震器减震性能的影响得出，橡胶减震器的冲击变形和动态变形量在高负载作用下要小得多。Y. Ping[4]根据硅油和橡胶材料的性质研制了一种新型硅油耦合减震器弹簧，分析阐述了振幅和频率激励等因素对减震器性能的影响。Yu Lianjiang[5]制备了一种新型的耦合型硅橡胶减震器，通过建立减震器的力学模型和试验仿真对比的方法，研究了减震器的工作原理。表明刚度系数和阻尼系数是影响振动控制效果的重要因素。

1.2 液压式减震器

液体在一定条件下可以被压缩，并且在压缩时液体会吸收外在能量，流动时还会将吸收的能量进行消耗，这样就达到了减少甚至消除振动的目标，这就是液压式减震器的工作原理。

魏文鹏[6]建立减震器热力学研究模型，得出外部环境的温差对减震器减震稳定性的影响和减震器稳定工作的阻尼随温度改变的变化趋势。汪通悦[7]通过仿真和理论计算发现减震器容性的大小随油液可压缩能力的增大而增大。从柔和程度、耐用程度和性能方面来说，液压式减震器比较优越，但是易发生密封不实、漏油等现象，所以在减震稳定性和性价比方面，机械式减震器更具有优势。

1.3 磁流变阻尼减震器

磁流变减震器是利用磁流变液在磁场下快速可逆的流变特性制造的一种新型减震器，较之传统的减震器，磁流变减震器具有阻尼大、体积小、响应快、阻尼力连续可调等优点。闫占辉[8]介绍了一种新型磁流变液减震器的工作原理及结构，建立了磁流变液减震器阻尼力特性方程，仿真分析该减震器的阻尼力-位移、阻尼力-速度变化规律，验证了所建立磁流变液减震器阻尼力数学模型的正确性，为磁流变液减震器的深入研究提供了理论依据。但长时间使用后磁流变液易沉降，影响减震效果。

2 减震器的研究及应用

2.1 汽车减震器

汽车行驶路中难免会产生颠簸，为改进乘客的乘坐体验，实现振动能量的回收再利用，馈能减震器的研究体现出了较好的使用价值。赵立军等[9]设计一种实用新型液压式馈能减震器的原理及结构，可实现在车辆行驶的振动过程中，将油液压入高压蓄能器，将悬架的振动能量回收，对节能减排有借鉴价值。杜巧连等[10]采用机电液耦合系统，设计了一种新型液电馈能式汽车减震器，将直线往复运动转换为液压马达旋转，推动发电机产生电能，实现能量回收。A. Casavola等[11]提出了一种增益调度控制策略，用于地面车辆电磁再生减震器的主动控制，以获取由路面不平度引起的机械能，实现能量再利用。但是液压减震器难免会产生漏油状况，在后续研究中应注意如何解决液压式馈能减震器的漏油问题。

2.2 船用减震器

对于船用减震器来说，如何避免高频时段的共振，是一个很重要的问题，李健等[12]通过无谐振原理，研究出一种新型减震器结构，将其用在舰载上，并计算其结构参数，根据舰载环境下的振动特性对其进行了有限元分析，发现设计的减震器固有频率低，达到避免高频时段共振的效果，满足舰载环境要求，并且能够为以后优化结构参数和设计新的结构，打下了良好的基础。刘亚龙[13]基于现代主动控制振动技术，采用主动控制技术与传统减震方式相结合的方法设计了一种新型管道减震器，实现对管道更为智能的减震功能，具有低频效果好、自适应能力强、能够有效降低管道振动和管道被夹持部位的应力、延长管道的使用寿命等优点。

2.3 其他类型减震器

雷先华[14]基于电流变弹性体的刚度和阻尼可电控调节的特性及压电陶瓷的正压电效应，研制一种基于D33挤压模式的压电自供能电流变弹性体减震器，相比无场强条件下，在压电供电和1000 V恒压的条件下能有效增大电流变弹性体结构阻尼，改变减震器振动响应谱峰值的频率和幅值，提高系统的减震效果。高浩文[15]设计出硅油-橡胶复合式曲轴扭转减震器的机械结构，研究出曲轴振幅与激振频率关系图，设计了完整的硅油-橡胶复合式减震器的加工工艺及相关参数，在最佳阻尼值时达到最佳减震效果。

R. A. Oprea[16]研制了一种新颖的实验装置。通过有限元分析，得到了器件的最佳尺寸和结构。该装置具有通用的结构，它允许研究各种机器拓扑。M. A. Rahman[17]对采用非线性弹簧和阻尼器的两自由度非谐减震系统的非线性边值问题进行了数值研究。分析表明，初始稳定的吸收体可能随时间而变得不稳定，较高的非线性项使系统更加不稳定。对听骨链仿生减震系统的数值模拟分析具有一定的参考意义。

3 新型减震器的研究

学者们研究发现听骨链系统在力的传输过程中具有减弱力的作用强度和减震的作用[18]，听小骨系统具有反应速度快、自适应调节能力强、易于引入控制、对低频信号感应强且高频振动的能量容易衰减、传音功能几乎不随年龄不同而变化的特点，在医学领域已经有了较成熟的应用。根据听骨链仿生设计的减震器可以继承其已有优点，并且具有良好的减震效果，可深入研究进一步提高其减震性能，并将其应用于减震等领域。