半主動式減振技術在國內商用車領域的研究與應用

柴文鈞

(上海交通大學，上海200030)

1 減振器振動阻尼的原理與功能

過減振器進行衰減的 (上方曲線)。

1.1 被動式減振器的減振原理

減振器實際上是振動阻尼器的別名，但“減振器”一詞卻是汽車底盤行業(yè)內通過的術語。常規(guī)減振器的作用是減小振動。當車輛在彈簧上振動時，減振器的作用力總是與運動的方向相反，起著阻止振動的作用。由于道路不平，車體在彈簧上就產(chǎn)生大振幅的自由振動，而振動的大小隨著車輛運行的速度變化，在一定的速度范圍內會發(fā)生共振，即車體的振動越來越大。有了減振器就能使振動很快衰減，阻止車輛共振的發(fā)生，并有效地減少車輛的振動。

當汽車遇到顛簸時，懸掛彈簧和減振器均被壓縮，懸掛可以吸收振動對車身的沖擊。它可以避免簧載質量mb(車身以及載荷)同非簧載質量ma(軸和車輪)發(fā)生接觸。但另一方面，彈簧要釋放壓縮時吸收的能量并復原。正是為了快速抑制軸和車身之間的相對往復振動，才在底盤上設置減振器。簧載質量mb和非簧載質量ma在不同頻率范圍內振動。振動衰減圖(圖1)清晰地描述了由地面引起的振動 (下方曲線)如何通

1.2 頻率可調節(jié)式 (FSD)減振器的減振原理

FSD閥體的設計在大范疇中屬于正比閥中的一種衍生，即半主動調節(jié)系統(tǒng)中的阻尼控制正比閥，應用對象為雙筒式液壓減振器。液壓式阻尼器是一種對速度反應靈敏的吸收衰減振動裝置，它能夠吸收、衰減振動與沖擊的能量，從而減少構建的動力反應［1］。結合國內目前的實際路況，大多是選擇在減振器活塞閥體上安裝FSD閥來主動調節(jié)復原行程上的阻尼力，來實現(xiàn)整車在遇到顛簸路面以及經(jīng)過坑洼路面時減少從路面?zhèn)鬟f到整車底盤以及客車車廂的振動。其外部無需電氣控制器，根據(jù)整車接收到的從路面?zhèn)鬟f的變動頻率，為底盤提供可變的阻尼力調節(jié)舒適性與操控性。從圖2中可以了解到FSD減振器的結構。

其中 活塞閥體是減振器在復原方向上制造阻尼力的關鍵部件，油通過回路1壓縮活塞閥片產(chǎn)生阻尼力，衰減來自車輛的振動和顛簸。孔B是FSD閥體中的重要特征，孔徑0.025 mm，工作中類似于液壓放大器，放大的阻尼力依附于運動頻率與關閉閥門A，切斷平行油路2所需要的時間。在高頻下(大于7 Hz)，壓縮與復原之間不足以留出0.15～0.2s完全關閉閥門A，所以減少的阻尼力幅度取決于減振器運動的頻率。閥門A為液壓觸動型，當膜下房室從孔B充滿油時，閥門在固定時間里將完全關閉流量 (0.15～0.2s)。預載墊片會產(chǎn)生非常小的預載荷，將閥門A置于閥座上，使閥門在復原開始時刻為常開“open”狀態(tài)。

2 FSD與常規(guī)減振器的性能對比實驗

2.1 背景介紹

在為宇通客車集團ZK6122HD9車型配套減振器項目中，客戶希望通過對FSD減振技術在整車路試中的測試，來對其優(yōu)于常規(guī)減振器的阻尼特性作驗證。整車路試地點選在襄樊試驗場平順性試驗專用車道，試驗方法采用汽車平順性隨機輸入行駛試驗 (GB/T 4970－1996)。實驗結果顯示FSD減振器在改善平順性上有實際效果。

在研發(fā)后期，為了深入研究針對商用車開發(fā)的FSD減振器在性能上的優(yōu)異表現(xiàn)，為宇通定制了一款FSD減振器，希望通過與普通減振器的對比實驗的研究，用示功圖的形式分析和反映FSD減振器的變阻尼特性。

2.2 研究一:相同速率，不同頻率下的阻尼特性對比研究

研究一研究的對象是常規(guī)減振器 (左側)和FSD減振器(右側)。分別制作了10只FSD減振器和常規(guī)減振器樣品，在一個速率0.13 m/s下，調整頻率以1～10 Hz來測試兩種減振器，觀察示功圖的結果。

(1)研究環(huán)境:適用于擁有1.3 Hz的自然頻率的汽車底盤。

(2)研究目的:通過F-v圖形觀察常規(guī)減振器與FSD減振器受頻率影響下的復原和壓縮阻尼特性

圖3中橫坐標代表減振器位移 (振幅mm)，縱坐標代表減振器阻尼力 (力值N);上端每個波峰代表一個速率下的復原最大力;下端每個波谷代表一個速率下的壓縮最大力，力值采集后在上方表格中顯示。分別采集了兩種減振器在相同的速率下，調整頻率從1 Hz至10 Hz產(chǎn)生的復原和壓縮阻尼力。

圖3(a)中顯示了常規(guī)減振器在0.13 m/s速率下，頻率對阻尼力的影響。通過研究發(fā)現(xiàn):在相同的速率下，常規(guī)減振器受到從1 Hz到10 Hz頻率波動，振幅從21 mm減少至2 mm。其復原阻尼力在1.98～2.07 kN之間波動，壓縮阻尼力0.27～0.35 kN之間波動。這表明常規(guī)減振器復原和壓縮阻尼特性基本不會受到頻率影響。

圖3(b)中顯示了商用車設計的FSD減振器在0.13 m/s速率下，頻率對阻尼力的影響。通過研究發(fā)現(xiàn):在相同的實驗條件下，遞增的頻率對FSD減振器的復原阻尼影響非常顯著，在采集的10組數(shù)據(jù)中，F(xiàn)SD減振器受到從1 Hz到10 Hz頻率波動，振幅從21 mm減少至2 mm。其復原阻尼力從1 Hz下的2.4 kN逐級遞減，到10 Hz時下降到0.56 kN，復原阻尼力的衰減與頻率成正比。

由此可知，壓縮阻尼性能同常規(guī)減振器，不受頻率影響。這表明，為商用車設計的FSD閥在一個速率下的阻尼特性達到了設計目的，能通過調整頻率實現(xiàn)對復原阻尼的衰減。

2.3 研究二:變化速率，不同頻率下的常規(guī)減振器阻尼特性

在研究二中研究的對象是常規(guī)減振器 (圖3)的示功圖。還是用相同的樣品量和方法來研究。在不同速率 (從0.02 m/s提高到0.3 m/s)下，觀察常規(guī)減振器在頻率從1～10 Hz的復原與壓縮阻尼特性。

(1)研究環(huán)境:這是一個適用于擁有1.3 Hz的自然頻率的汽車底盤。

(2)研究目的:通過F-v圖形觀察常規(guī)減振器在不同速率下受頻率影響的復原和壓縮阻尼特性。

圖 的研究對象是常規(guī)減振器 圖中橫坐標代表減振器位移 (振幅mm)，縱坐標代表減振器阻尼力 (力值N);上端每個波峰代表一個速率下的復原最大力;下端每個波谷代表一個速率下的壓縮最大力，力值采集后在上方表格中顯示。采集了10只常規(guī)減振器在不同速率下，頻率從1 Hz至10 Hz產(chǎn)生的復原和壓縮阻尼力。在研究一的基礎上，通過改變速率研究高頻和低頻下對常規(guī)減振器復原和壓縮阻尼特性的影響。研究將速率分為兩個區(qū)間 (高頻區(qū)間和低頻區(qū)間)，每個區(qū)間分為5個速率點 (0.02 m/s，0.05 m/s，0.13 m/s，0.22 m/s和 0.33

可以發(fā)現(xiàn)

(1)在復原低頻區(qū)，隨著速率從0.02 m/s增長到0.33 m/s，復原阻尼從257N增長到2 700N;復原阻尼力與速率成正比。

(2)在復原高頻區(qū)，采集與低頻區(qū)相同的5個速率點下的阻尼力，發(fā)現(xiàn)高頻區(qū)采集的阻尼力與低頻時幾乎完全一致。復原阻尼力與速率成正比。

(3)在壓縮低頻與高頻區(qū)，在相同的實驗條件下，壓縮阻尼特性分別在5個速率點上表現(xiàn)出了相等的阻尼力。

這個結果表明不帶FSD閥的常規(guī)減振器在不同速率下，擁有相同的低頻和高頻阻尼特性，此特征涵蓋復原和壓縮兩個行程，也就是說，常規(guī)減振器的阻尼力在不同速率下的阻尼力值不會受改變的頻率影響而發(fā)生改變。

2.4 研究三:變化速率，不同頻率下的FSD減振器阻尼特性

結合研究二中得出的結論，常規(guī)減振器的阻尼力在不同速率下的阻尼力值不會受改變的頻率影響而發(fā)生改變。如果是在不同速率下，針對商用車設計的FSD減振器又會表現(xiàn)出如何的性能?仍舊用相同的樣品量和方法來研究，研究的對象改為商用車設計的FSD減振器規(guī)減振器，在不同速率 (從0.02 m/s提高到0.3 m/s)下，觀察在頻率從1～10 Hz的復原與壓縮阻尼特性。

(1)研究環(huán)境:這是一個適用于擁有1.3 Hz的自然頻率的汽車底盤。

(2)研究目的:通過F-v圖形觀察FSD減振器受頻率影響下的復原和壓縮阻尼特性。

圖5的研究對象是商用車用FSD減振器，圖中橫坐標代表減振器位移 (振幅mm)，縱坐標代表減振器阻尼力 (力值N);上端每個波峰代表一個速率下的復原最大力;下端每個波谷代表一個速率下的壓縮最大力，力值采集后在上方表格中顯示。采集了10只FSD減振器在不同速率下，觀察頻率從1 Hz至10 Hz復原和壓縮阻尼力的變化。研究將速率分為兩個區(qū)間(高頻區(qū)間和低頻區(qū)間)，每個區(qū)間分為5個速率點 (0.02 m/s，0.05 m/s，0.13 m/s，0.22 m/s 和 0.33 m/s)，可 以發(fā)現(xiàn):

(1)在復原低頻區(qū)，復原阻尼力與速率成正比，隨著速率從0.02 m/s增長到0.33 m/s，復原阻尼從427N增長到3 196N。

(2)在復原高頻區(qū)，復原阻尼力與速率成正比，采集與低頻區(qū)相同的5個速率點下的阻尼力，發(fā)現(xiàn)高頻區(qū)采集的阻尼力與低頻區(qū)相比得到了顯著的衰減。隨著速率從0.02 m/s增長到0.33 m/s，復原阻尼從195N增長到1 600N。衰減率達到45% ～50%。

(3)在壓縮低頻與高頻區(qū)，在相同的實驗條件下，壓縮阻尼特性在5個速率點上表現(xiàn)出了相同的阻尼力。

這個結果表明商用車FSD閥在不同速率下的阻尼特性達到了設計目的。在高頻下的復原阻尼相較于低頻能得到顯著的衰減;在壓縮行程，高頻區(qū)與低頻區(qū)表現(xiàn)出相同的阻尼力。

3 結束語

根據(jù)頻率可調節(jié)式減振器作為純機械式半主動式減振器，能為商用車底盤提供常規(guī)減振器不能給予的舒適與操控兼容性，F(xiàn)SD減振阻尼技術在國內中高端商用車市場作出的貢獻，能夠使更多的用戶有機會接觸到由半主動減振器的減振技術帶來的不同的駕乘感覺。在如今大規(guī)模引進高新技術的大背景下，隨著海外先進技術不斷涌入國內，F(xiàn)SD減振技術也一定能推動國內商用車底盤自主研發(fā)的革新之路，將會為社會創(chuàng)造更多的價值。

【1】解紹偉，尚增溫，郗安民，陳紅光.液壓阻尼器試驗系統(tǒng)設計［J］.液壓與氣動，2005(12):9－11.