新型减振器的研究现状及发展趋势*

雷先华，刘湘，刘栩婷

新型减振器的研究现状及发展趋势*

雷先华，刘湘，刘栩婷

（湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421000）

车辆行驶平顺性与安全性问题往往和悬架密不可分，而减振器又是这其中至关重要的部件。减振器自问世以来不断更新换代，早期的液压减振器因其造价低廉、结构简单和易于维修的特点而广泛使用，随着人们对舒适性的要求进一步提高，传统减振器很难满足我们的需求。应势而生的新型减振器成为减振器行业的生力军，文章主要分析复合型减振器、可调减振器、电/磁流变减振器和自供电磁流变减振器的发展现状与前景。

复合型减振器；可调减振器；电/磁流变减振器；自供电

1 引言

1580年简陋的弹簧悬架装在四轮马车上由此形成了减振器的雏形，此后经过漫长的发展于1886年出现了成型的汽车减振器，并装在“奔驰1号”上。但弹簧减振器满足不了日渐复杂而沉重的汽车，1908年法国人霍迪立发明了液力减振器，为自那以后的减振器研发者提供了宝贵的经验，20世纪30年代摇臂式液力减振器开始推广普及，其性能较前者得到很大提升，但它容易损坏且结构复杂而难以维修，没能得到长足的发展。二战结束后取而代之的是现在最常见的筒式液力减振器，因为其良好的性能和精简的结构得到了现代汽车的青睐，但这种传统液压减振器由于阻尼特性不可改变，导致其对于道路的适应性差[1]。此后、20世纪中叶单筒充气式减振器发展起来，它在克服噪声和充油不及时问题上颇有建树。实践表明，车辆装备充气式减振器后行驶平顺性和轮胎接地性都得到了有效改善[2]。20世纪60年代以后减振器在国外取得蓬勃发展，复合型减振器、阻尼可调减振器相继研发问世，往后人们对于减振器的要求更加多元化和智能化。20世纪40年代提出的电/磁流变概念为20世纪末期电/磁流变减振器、自供电磁流变减振器等取得突破性进展提供了理论依据。种类众多的新型减振器的出现为解决传统液力减振器的缺陷提供了多种途径。

2 传统液力减振器现状

现今普遍使用的筒式液力减振器一般为双筒型，内筒为工作缸、外筒为储油缸，是被动型减振器的一种，主要由阻尼不可调的液力减振器和刚度固定不变的弹簧构成。汽车受到振动及来自路面的激励时，车身和车桥之间的相对运动迫使减振器内的活塞上下往复运动，减振器内的油液便通过孔隙在两腔之间循环流动，此时孔壁与油液及油液分子间的摩擦力便对震动形成阻尼力，把汽车的振动能量转化为热能经由壳体散发到大气中。在悬架中减振器与弹性元件并联安装在一起，工作过程中弹性元件仅起缓冲作用并不能衰减振动，这样当车身和车桥发生相对运动时，在阻尼较小的压缩行程中，悬架主要充当弹性元件以此缓和路面冲击；而在复原行程中具有较大的阻尼力，悬架主要充当阻尼元件使其快速衰减振动[3]。阻尼力的大小通过调节阀门弹簧的刚度和预紧力来实现，这一过程往往由生产厂商完成，车主后期使用一般不可调或操作复杂而难以实施，使得车辆不能很好的兼容多变的路况，乘坐舒适性也随之变差。

3 新型减振器的研究现状

3.1 复合型减振器

复合型减振器也是充气式减振器的一种，由普通液力减振器与充气式减振器组合而成，往普通双筒液压减振器的外筒充入低压氮气而制成。复合型减振器兼备普通液力减振器和充气式减振器的优点，且弥补了液力减震器的部分缺陷，得到广泛的认可。传统液压减振器在某些特殊工况下会出现充油不及时现象，从而引起异响、减振器外特性畸变等状况，相应的在减振器示功图上会有“未饱满”现象，如图1所示。减振器所衰减的振动能量即为示功图所包含的面积，外特性的畸变常常使减振器不能充分衰减振动能量，还会因为工作的不稳定而对减振器造成不可逆性伤害。减振器在压缩行程中如若油液不能及时充满工作缸上腔，会产生成“空穴”现象，这样活塞在复原行程前期会有一段无阻尼或低阻尼的非正常行程，使得减振器外特性发生畸变，如a处所示，若要避免这种情况的出现就要求工作缸下腔与工作缸上腔的压差要小于工作缸下腔与贮油腔的压差。同样地，为避免压缩行程畸变的出现，如b处所示，这样就要求由工作缸上腔和贮液筒流入工作缸下腔的油液量等于或大于工作缸下腔空出的容积[4]。

图1 复合型减振器示功图

复合型减振器由于充有低压氮气，在缸筒内建立了一定的背压，上述减振器外特性畸变现象得到很大改善。主要有油气分隔式和油气混合式两种类型，分隔式减振器需在储油缸中单独设立一个气室，但其有油气混合型减振器所没有的优点，即能有效防止油液乳化、硬化和变质等不良现象的出现。复合型减振器的工作原理和传统液压减振器类似，但减振器外特性得到了有效改善，减振器的临界速度也得到了不小的提高，尤其在消除外特性畸变和降低噪声方面具有显著进步，此外还具有静摩擦力小可靠性好的优势。基于其良好的性能表现现被广泛应用于小轿车上，相对于传统液压减振器来说结构稍显复杂，体积上较单筒减振器有所增加，同时较高水准的气密性对制造工艺提出了一定的要求。

3.2 阻尼可调减振器

传统减振器和复合型减振器一旦制成其阻尼就固定不变，当车辆空载或半载行驶时，会出现过阻尼现象，乘坐舒适性差同时对车辆零部件的疲劳寿命也产生严重影响。当车辆满载时，车辆行驶表现出欠阻尼现象，动作幅度大而变得很不安全[5]，且不能满足高性能轿车及经常在路况复杂多变的条件下使用，而阻尼可调减振器可以分级甚至连续不间断地调节阻尼力，很好的兼顾了汽车行驶平顺性与操纵稳定性。阻尼可调减振器主要由三大部件组成，即传感器、执行机构和控制机构，工作时ECU将传感器收集到的信息进行分析与匹配，随后把经过处理的电信号传送给控制机构来控制通流截面积的大小，阻尼特性随流通面积的改变而改变，流通面积越小阻尼越大、阻尼建立也越快，反之亦然。

执行机构最常见的有两种形式，一种是把控制阀放入活塞内，阀门通过一根阀杆穿过中空的活塞杆由步进电机控制，电机使阀杆作轴向或者周向运动来改变通流截面的大小从而改变阻尼，如图2所示。额外的旋转阀式阻尼调节机制是由阀芯和阀体、阀芯和阀体孔变化的重合度、液体通过节流面积的变化，来实现阻尼监管功能的[6]。另一种是在传统减振器外部增加一个旁路比例电磁阀作为先导式泄压阀，控制电磁阀就可以改变节流孔面积，对阻尼力进行调节[7]，如图3所示。

图2 主油路控制式减振器

图3 旁路控制式减振器

有级式阻尼可调减振器能提供的阻尼等级屈指可数，驾驶人可根据路况及反馈回来的驾驶感受选择尽可能舒适的阻尼等级。无级式阻尼可调减振器则能自动地、实时地根据路况和行驶状态连续不断地改变阻尼大小，使得汽车能在极短的时间内衰减振动能量，表现出良好的平顺性与操纵性。阻尼可调减振器的这种工作特性受到了国内外中高档车的喜爱，在现阶段的减振器市场中有巨大的发展潜力，但造价较传统型减振器和复合型减振器都要更昂贵些。

3.3 电/磁流变减振器

20世纪40年代美国学者W.Winslow和J.Rabinow分别提出电流变液（Electro Rheological Fluids，简称ERF）和磁流变液（Magneto Rhelogical Fluids，简称MRF）概念。在电场/磁场的作用下ERF和MRF会出现固化现象，从而发生粘度的变化，这一特性正是电/磁流变减振器可以改善阻尼特性的理论依据。20世纪末期受益于智能材料技术的发展，ERF和MRF均取得了不小成就，其中MRF在多方面性能要优于ERF，在磁场的作用下，磁流变液可在毫秒级的时间内连续、可逆地转变为高黏度、低流动性的Bingham流体，表观黏度可增加2个数量级以上，表现出类似固体的力学性质[8]。除此之外，MRF适应的工作温度宽可达-40～150℃；强度高出ERF1～2数量级，从而可以缩小体积；化学稳定性也强；采用12～24V的低电压，耗能低、易控制、结构较电流变减振器简单，可以说磁流变减振器比电流变减振器更加实用。磁流变减振器的阻尼力大小、阻尼值域及其响应速度是磁流变减振器的重要指标，其中阻尼力的大小与阻尼通道的布局密不可分，因此设计高性能的阻尼通道是掌握磁流变减振器开发技术的首要因素[9]。来自湘潭大学的科研工作者通过设计改良磁路使其在结构尺寸及输入条件不变的情况下，增加有效长度16mm后，阻尼力的最大输出力增加了1380N，阻尼调节域调整至500-3000N左右，更加符合汽车道路行驶要求[10]。但它具有其固有的缺陷，磁流变液的功能性成分铁磁颗粒容易团聚、沉降、另外造价也较为昂贵、需要外部供能，稳定性难以保障，尽管如此，磁流变减振器的众多优点展露了极大的发展前景引发了广大科研工作者的浓厚兴趣。

3.4 自供能电磁流变减振器

上文提到的磁流变减振器虽然有着反应灵敏、阻尼可调的优点，但它在外部供能的条件下才可发挥作用。车辆在行驶过程中需要减振器的时刻护航，这给整车能源消耗带来了不小的压力，与节能减排的发展理念相悖，因此众多科研工作者开始研究自供电磁流变减振器。

传统型减振器把来自路面激励引起的振动能量转化为热能并散发到大气中，这部分能量如果加以利用或可满足磁流变减振器能量的自给自足，这一理论的可行性现已得到不少科研工作者的验证。如Chen[11-12]等研究人员研究的自供电-自感知磁流变减振器，其结构紧凑并且自供电能可以满足其感知的需求,国内重庆大学的董小闵[13]等研究人员对自供电式汽车磁流变减振器特性研究也表明它的可行性与实用性。根据减振器能量回收方式的不同，可将其分为压电式和电磁感应式。压电式利用压电陶瓷在车身上下振动时，反复挤压压电陶瓷产生电能，但研究表明，压电效应能量回收效率较低，转化的电能还不足以实现磁流变减振器的自供能[14]。电磁感应式则是利用活塞上下运动带动线圈与永磁体发生相对运动而生电，根据其采用的电机又有直线式和旋转式两类，而减振器的簧上质量与簧下质量是直线往复式，故采用旋转式电机还需运动转化机构，这一过程通常由齿轮齿条或滚珠丝杠来完成。研究表明直线电机式转换效率较低，能量大多以热量的形式散失，而滚珠丝杠式逆传动效率高，集成性好[15]，展露了诱人的发展前景。

4 总结及展望

本文主要阐述了减振器的发展形势--传统型减振器在当下无法满足人们对于舒适性的进一步追求，急需更有优势的新型减振器；论述了现在几种主要的新型减振器的发展现状与前景，简要阐明了各自的优劣之处，其中复合型减振器已有足够的经验和技术；阻尼可调减振器也在中高档轿车上广泛应用，电/磁流变减振器、自供电磁流变减振器严格上来说也是阻尼可调减振器的一种，可见阻尼可调是减振器发展的必然趋势，关键在于哪种形式的阻尼可调减振器能更快、更有效、更智能的应对来自外界的振动；电/磁流变减振器的研究虽都有收获，但均处在研发初期阶段，价格昂贵、体积较大、铁磁颗粒的稳定性等这些还是亟待解决的难题；自供电磁流变减振器的应用除了基于拥有成熟的磁流变减震技术外，还要辅以较高的机械能--电能转变技术，可以说如果磁流变减震技术都掌握不够成熟而单只研究电能转变，那么自供电磁流变减振器也无从谈起。从短期来看复合型和阻尼可调型将是主流，同时也是向更加智能型减振器发展的过渡产品，从中长期来看，在不可再生能源日益枯竭的严峻形势下，新能源汽车和电动汽车将成为汽车发展的历史选择。届时，电子化、智能化的电/磁流变减振器、自供电磁流变减振器或将取得长足的发展与应用。

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Research Status and Development Trend of New Type Shock Absorber*

Lei Xianhua, Liu Xiang, Liu Xuting

( Traffic Engineering College of Hunan, Hunan Hengyang 421000 )

The problems of vehicle ride comfort and safety are often inseparable from the suspension, and the shock absorber is one of the important components. Since the advent of the shock absorber, it has been continuously updated. Early hydraulic shock absorbers were widely used because of their low cost, simple structure and easy maintenance. As people's demand forcomfort is further enhanced, traditional shock absorbers are difficult to meet the requirement The new shock absorber, which should be born, has become the life force of the shock absorber industry. This paper mainly analyzes the development status and prospects of Composite shock absorbers, Adjustable shock absorbers, Electromagnetic rheological shock absorbers,Self-supplied electromagnetic rheological shock absorbers.

Composite shock absorbers; Adjustable shock absorbers; Electromagnetic rheological shock absorbers; Self-powered

A

1671-7988(2020)24-236-04

雷先华（1988-），男（汉），研究生，讲师，就职于湖南交通工程学院，研究方向：车辆工程、智能材料的应用。

U463

A

1671-7988(2020)24-236-04

湖南省项目：地方普通本科院校汽车专业应用型人才培养研究（HNJG-2020-1249）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.078

CLC NO.: U463