汽車減振器安全件設計與測試的技術評價指標

孫娜　張劍　沈昌等

摘要：針對汽車液力減振器安全件產品，提出了設計應遵循的基本原則，歸納了減振器的整體結構尺寸參數，闡述了減振器設計與測試的主要技術評價指標，給出了某A級乘用車減振器的技術指標實例，闡明了減振器的各項指標與減振器功能之間的關系。所提出的技術評價指標、參數以及功能分解關系，能夠指導減振器安全件的設計，以提升系統級的性能。

關鍵詞：液力減振器；設計、測試；技術指標；功能分解

0引言

減振器屬于汽車的安全件之一，其性能和使用壽命直接影響到平順性、安全性[1]。汽車公司從整車平順性和操穩性出發，根據簧載/非簧載質量、懸架剛度、撓度及在整車布置中的安裝空間等具體要求[2]，優化確定減振器的各項指標。零部件供應商根據汽車公司所要求的減振器的阻尼特性、整體尺寸、安裝方式和試驗規范等產品標準，進行減振器的整體結構、閥系選型以及各種零部件的具體設計。前者的目的是確定技術指標，后者是為了滿足該指標。本文主要闡述減振器設計與測試相關的技術評價指標、減振器各項指標與其功能之間的關系，為減振器的設計開發提供指導。

1減振器設計應遵循的基本原則

在滿足基本的外特性要求的前提下，減振器的設計應遵循以下的基本原則：

1.1可靠性高、使用壽命長

a.增強密封性。通過合理設計油封結構，以及采用較好的材質（耐油、耐磨、耐壓、耐高低溫、耐老化等），來延長油封的使用壽命。

b.油液應具有良好的高低溫特性、抗泡沫化和乳化性，化學性能穩定。

c.散熱性能好。正常工作時，減振器的發熱功率與其最大散熱功率相比越小越好。

d.機械強度和疲勞耐久性高。特別是焊接部位，要確保機械強度的可靠性。

1.2制造工藝性好、成本低

a.零部件標準化、系列化設計,以適應大批量生產，同類產品互換性強。

b.保證必要的零件設計和配合精度，使得阻尼特性分散度小，一致性好。

c.產品輕量化，在確保適當的安全系數之下，力求用料少、重量輕。

d.減少切削等機加工，比如閥體盡量采用粉末冶金件，附件采用沖壓等。

2雙筒液壓減振器的整體外形、尺寸與結構

如圖1、2為雙筒式前后減振器的外形圖，需根據車輛性能和懸架布置來設定減振器在各種姿態下的長度和行程；考慮到承受側向力以及散熱的需要，減振器長度及外徑應在合理范圍之內[3]。

a.基長L：可制造的減振器的最小長度，反映結構設計的緊湊性。

b.最小壓縮長度Lmin：裝車時減振器壓縮到底，基準與參考點之間的距離。

c.最大拉伸長度Lmax：裝車時減振器拉伸到最長，基準與參考點之間的距離。

d.行程S：減振器工作時，上、下止點之間的距離，S=Lmax-Lmin。

e．參考姿態下的長度La及反彈力Fa：裝車靜載狀態時對應的長度和力值。

f．特定載荷Fb下的拉伸長度Lb：在特定載荷下，基準與參考點之間的距離。

g.徑向尺寸：活塞桿直徑、活塞外徑或工作缸筒內徑、儲油筒外徑、防塵罩外徑等。

3減振器的測試項目

按照測試的方法主要分為臺架試驗和裝車路試。其中，道路試驗主要是對減振器裝車的實際效果進行各種工況下的主/客觀評價，以及考察減振器相關的車內噪音、疲勞壽命等；減振器臺架試驗的主要測試項目包括：

a.示功特性、抗泡沫化特性試驗

b.速度特性、額定阻尼力、極限速度下的阻尼力試驗

c.阻力-溫度特性、極限溫度特性試驗

d.性能耐久性試驗

e.整體摩擦力、充氣反彈力試驗

f.強激振下的減振器做功試驗

g.噪音、連桿加速度特性試驗

h.密封性試驗

i.耐腐蝕性試驗

j.剛度、抗異常沖擊、結構及焊接部位的強度、疲勞壽命試驗

4減振器主要性能的技術評價指標

4.1減振器的阻尼特性

減振器阻尼特性(外特性)是減振器設計所應滿足的最基本的性能要求。減振器外特性的相對穩定性，是評價其質量優劣的決定因素。減振器的阻尼性能指標主要如下:

a．示功特性與速度特性。減振器示功特性F(s)反映同一速度下力與位移的關系，一般要求光滑、飽滿、無空程、無畸變。阻尼力-速度曲線F(v)反映在不同速度點的活塞平衡位置的阻尼力，通常是由一組離散的關鍵速度點及對應的阻尼力來近似線性構造，如圖3所示。

b.額定阻尼力：一般規定F(V)曲線上，活塞速度為0.52m/s(50mm/3.33Hz)時的減振器阻尼力。

c.溫度特性。溫度特性是在規定的速度下，減振器阻尼力隨溫度變化的關系特性。它反映了減振器在油溫升降時的工作狀況差異[4]。通常以20°C時的阻尼力為基準，考查-30°C以及+80°C時的衰減率。

d.性能耐久性。它反映了減振器在規定的使用期內正常工作的能力。在減振器殼體上施加側向力，同時活塞桿上施加較小的轉角(如30°C)，考查振動循環次數在100萬次以上時的減振器性能變化。

e.極限速度和頻率下的阻尼力。減振器在極限速度(如4m/s)下的壓縮力，以及在高頻(如50Hz/±1mm)下的功率損失，它反映了減振器在極限速度和頻率下的工作情況。

f.抗強激振特性。對減振器施加周期性的梯形方波位移激振，振幅為±25mm，速度為2m/s。在循環50次之后，考查減振器的做功偏差及連桿推力損耗。

g.速度特性曲線的滯回性。如圖4所示，在減振器活塞速度為零的上下止點，會發生滯回現象；此時內部腔的壓差并不為零，活塞桿上還存在有力。滯后的振幅為F（v）曲線上速度過0點時最大、最小曲線的差值。endprint

4.2減振器的整體摩擦力

由于減振器摩擦力的方向總是與活塞運動方向相反，故起到增大阻尼力的作用。通常在v ≤0.005m/s并施加側向力的條件下，測量減振器行程中點的摩擦力。設復原和壓縮行程所測得摩擦力分別為Fmf和Fmy，則減振器的整體摩擦力為Fm=（Fmf-Fmy）/2。

4.3減振器的充氣反彈力

減振器的貯油腔充入低壓氣體之后，在復原行程將使阻尼力減小；在壓縮行程將增大阻尼力；也即使得減振器的示功曲線整體下移一段。如圖5所示，實線表示充氣之后的示功圖，虛線表示抽氣之后的示功圖。通常在v ≤0.005m/s，在減振器行程中點的測量充氣力Fc。設復原和壓縮行程所測得充氣力力分別為Fcf和Fcy，則減振器的充氣力為Fc=（Fcf+Fcy）/2。

4.4 減振器抗泡沫化(畸變)特性

判定時需繪制減振器F(S)曲線圖，如圖6所示，圖中實線為假設理想曲線，虛線為實測曲線。將實測曲線上折返點與切入點之間的距離與理想曲線進行比較，波動不能超過測試行程的25%。

4.5 減振器的機械性能

減振器的機械強度應該能夠滿足整車懸架的要求，其試驗結果應確保質量。對于麥弗遜前減振器來說，應保證的功能主要有導向、支撐彈簧、拉伸和壓縮的行程限位以及固定橫向穩定桿。

對于前減振器側重于以下幾個部分：減振器本體、懸架彈簧的支撐托盤、限位塊支撐隔套、與轉向節連接的支座、橫向穩定桿的支耳；對于后減振器而言，主要關注減振器本體以及下部鉸接。如圖1、2所示。

因此，對于前后減振器機械強度方面，所包括的技術指標主要有：

a.剛度。為減振器的彎曲剛度和跳動剛度。彎曲剛度取決于側向力的方向角以及減振器的行程，跳動剛度則通過緩沖塊限制車輪相對車身拉伸的最大跳動幅度來計算。

b.抗異常沖擊能力。減振器的拉伸限位塊和壓縮緩沖體在最大沖擊力時不應產生損壞。

c.焊接強度。如圖1、2所示，焊接部位包括：支柱式減振器的彈簧盤①、橫向穩定桿支耳②、轉向節支座③，單純筒式減振器的吊環④。在一定的拉力下, 焊接部位不應有明顯的塑性變形、裂紋及斷裂現象。

d.結構強度。減振器總成、支柱式減振器的轉向節支座、彈簧盤和橫向穩定桿支耳，在一定的靜載之下, 減振器的特定部位不應產生塑性變形、裂紋及斷裂等現象。

e.抗疲勞強度。減振器總成、支柱式減振器的轉向節支座、彈簧盤和橫向穩定桿支耳，在指定交變載荷和循環次數下，不應產生裂紋、斷裂破壞等失效形式。

4.6油液特性

泡沫化是影響減振器的示功特性出現畸變的關鍵因素，在設計時應考慮油液的如下特性：a．粘度及粘溫性能；b．抗剪切粘度穩定性；c.抗泡沫穩定性；d.低溫流動性能、熱穩定性能；e．橡膠相容性和防腐蝕性能。

4.7密封性

減振器的密封特性分為兩種：由內到外的油液泄漏情況、由外到內的防水性。減振器經過數分鐘的高速運行之后、以及從- 40°C 運行試驗至溫升80°C之后 ，活塞桿外露部位應該很少甚至沒有粘附油液；以一定的噴水條件，從所有可能的角度，對減振器的密封裝置噴水數分鐘，減振器內部應無水滲入。

4.8噪音特性

減振器在工作時，可能產生如下的噪聲[5]：a.行程轉換時由于空程間隙而造成活塞對油液的撞擊、閥片開啟與關閉的沖擊噪音；b.活塞與缸筒以及活塞桿與油封之間等部位的摩擦噪音；c.油液流經閥門阻尼孔以及油液氣穴造成的流體噪音；d.結構振動傳遞至車身引起的共振噪音等。對減振器施加一定的側向力，在所要求的活塞速度下，減振器的產生的整體噪音不應超過規定的限值。

5減振器的技術指標實例（表１）

6減振器的技術指標與主要功能的關系

用于車輛麥弗遜式前懸架的液壓筒式減振器，其主要功能可分解如下：

功能A: 緩和車身與車輪的相對運動；

功能B：過濾車輪傳遞的沖擊；

功能C：限制拉伸與壓縮的行程；

功能D：用于懸架的導向；

功能E：不產生令人討厭的噪音；

功能F：有助于整車的姿態和柔韌性；

功能G：協調車輪的正常轉向。

以上減振器所應實現的各項功能，與主要技術指標的關聯性可歸納為如表２所列。

7結論

減振器性能的優劣與其設計緊密相關，減振器設計的核心問題即是確定并滿足各項性能技術指標要求。本文所提出減振器應遵循的基本原則，為產品設計指明了大的方向；所給出的減振器設計與測試的技術評價指標，以及某A級乘用車減振器的技術指標實例，為減振器的具體指標確定以及合理性驗證提供了重要的指導和參考；所歸納的減振器的各項指標與其功能分解之間的關系，有助于針對性的解決減振器設計中的關鍵技術問題。

參考文獻：

[1]Dixon J.C. The shock absorber handbook(Second Edition) [M]. CS.L.J:Professional Engineering Publishing Ltd and John Wiley & Sons Ltd, 2007:116-120.

[2]俞德孚.車輛懸架減振器的理論和實踐[M].北京:兵器工業出版社,2003,pp74-81.

[3]QC/T 491-1999,汽車筒式減振器尺寸系列及技術條件[S].

[4]QC/T545-1999,汽車筒式減振器臺架試驗方法[S].

[5]張立軍,余卓平,靳曉雄.汽車筒式液壓減振器噪聲問題研究動態[J].汽車工程,2003,25(02):162-166.endprint