汽车减振器安全件设计与测试的技术评价指标

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摘　要：针对汽车液力减振器安全件产品，提出了设计应遵循的基本原则，归纳了减振器的整体结构尺寸参数，阐述了减振器设计与测试的主要技术评价指标，给出了某A级乘用车减振器的技术指标实例，阐明了减振器的各项指标与减振器功能之间的关系。所提出的技术评价指标、参数以及功能分解关系，能够指导减振器安全件的设计，以提升系统级的性能。

关键词：液力减振器；设计、测试；技术指标；功能分解

0　引言

减振器属于汽车的安全件之一，其性能和使用寿命直接影响到平顺性、安全性[1]。汽车公司从整车平顺性和操稳性出发，根据簧载/非簧载质量、悬架刚度、挠度及在整车布置中的安装空间等具体要求[2]，优化确定减振器的各项指标。零部件供应商根据汽车公司所要求的减振器的阻尼特性、整体尺寸、安装方式和试验规范等产品标准，进行减振器的整体结构、阀系选型以及各种零部件的具体设计。前者的目的是确定技术指标，后者是为了满足该指标。本文主要阐述减振器设计与测试相关的技术评价指标、减振器各项指标与其功能之间的关系，为减振器的设计开发提供指导。

1　减振器设计应遵循的基本原则

在满足基本的外特性要求的前提下，减振器的设计应遵循以下的基本原则：

1.1　可靠性高、使用寿命长

a.增强密封性。通过合理设计油封结构，以及采用较好的材质（耐油、耐磨、耐压、耐高低温、耐老化等），来延长油封的使用寿命。

b.油液应具有良好的高低温特性、抗泡沫化和乳化性，化学性能稳定。

c.散热性能好。正常工作时，减振器的发热功率与其最大散热功率相比越小越好。

d.机械强度和疲劳耐久性高。特别是焊接部位，要确保机械强度的可靠性。

1.2　制造工艺性好、成本低

a.零部件标准化、系列化设计,以适应大批量生产，同类产品互换性强。

b.保证必要的零件设计和配合精度，使得阻尼特性分散度小，一致性好。

c.产品轻量化，在确保适当的安全系数之下，力求用料少、重量轻。

d.减少切削等机加工，比如阀体尽量采用粉末冶金件，附件采用冲压等。

2　双筒液压减振器的整体外形、尺寸与结构

如图1、2为双筒式前后减振器的外形图，需根据车辆性能和悬架布置来设定减振器在各种姿态下的长度和行程；考虑到承受侧向力以及散热的需要，减振器长度及外径应在合理范围之内[3]。

a.基长L：可制造的减振器的最小长度，反映结构设计的紧凑性。

b.最小压缩长度Lmin：装车时减振器压缩到底，基准与参考点之间的距离。

c.最大拉伸长度Lmax：装车时减振器拉伸到最长，基准与参考点之间的距离。

d.行程S：减振器工作时，上、下止点之间的距离，S=Lmax-Lmin。

e．参考姿态下的长度La及反弹力Fa：装车静载状态时对应的长度和力值。

f．特定载荷Fb下的拉伸长度Lb：在特定载荷下，基准与参考点之间的距离。

g.径向尺寸：活塞杆直径、活塞外径或工作缸筒内径、储油筒外径、防尘罩外径等。

3　减振器的测试项目

按照测试的方法主要分为台架试验和装车路试。其中，道路试验主要是对减振器装车的实际效果进行各种工况下的主/客观评价，以及考察减振器相关的车内噪音、疲劳寿命等；减振器台架试验的主要测试项目包括：

a.示功特性、抗泡沫化特性试验

b.速度特性、额定阻尼力、极限速度下的阻尼力试验

c.阻力-温度特性、极限温度特性试验

d.性能耐久性试验

e.整体摩擦力、充气反弹力试验

f.强激振下的减振器做功试验

g.噪音、连杆加速度特性试验

h.密封性试验

i.耐腐蚀性试验

j.刚度、抗异常冲击、结构及焊接部位的强度、疲劳寿命试验

4　减振器主要性能的技术评价指标

4.1　减振器的阻尼特性

减振器阻尼特性(外特性)是减振器设计所应满足的最基本的性能要求。减振器外特性的相对稳定性，是评价其质量优劣的决定因素。减振器的阻尼性能指标主要如下:

a．示功特性与速度特性。减振器示功特性F(s)反映同一速度下力与位移的关系，一般要求光滑、饱满、无空程、无畸变。阻尼力-速度曲线F(v)反映在不同速度点的活塞平衡位置的阻尼力，通常是由一组离散的关键速度点及对应的阻尼力来近似线性构造，如图3所示。

b.额定阻尼力：一般规定F(V)曲线上，活塞速度为0.52m/s(50mm/3.33Hz)时的减振器阻尼力。

c.温度特性。温度特性是在规定的速度下，减振器阻尼力随温度变化的关系特性。它反映了减振器在油温升降时的工作状况差异[4]。通常以20°C时的阻尼力为基准，考查-30°C以及+80°C时的衰减率。

d.性能耐久性。它反映了减振器在规定的使用期内正常工作的能力。在减振器壳体上施加侧向力，同时活塞杆上施加较小的转角(如30°C)，考查振动循环次数在100万次以上时的减振器性能变化。

e.极限速度和频率下的阻尼力。减振器在极限速度(如4m/s)下的压缩力，以及在高频(如50Hz/±1mm)下的功率损失，它反映了减振器在极限速度和频率下的工作情况。

f.抗强激振特性。对减振器施加周期性的梯形方波位移激振，振幅为±25mm，速度为2m/s。在循环50次之后，考查减振器的做功偏差及连杆推力损耗。

g.速度特性曲线的滞回性。如图4所示，在减振器活塞速度为零的上下止点，会发生滞回现象；此时内部腔的压差并不为零，活塞杆上还存在有力。滞后的振幅为F（v）曲线上速度过0点时最大、最小曲线的差值。

4.2　减振器的整体摩擦力

由于减振器摩擦力的方向总是与活塞运动方向相反，故起到增大阻尼力的作用。通常在v ≤0.005m/s并施加侧向力的条件下，测量减振器行程中点的摩擦力。设复原和压缩行程所测得摩擦力分别为Fmf和Fmy，则减振器的整体摩擦力为Fm=（Fmf-Fmy）/2。

4.3　减振器的充气反弹力

减振器的贮油腔充入低压气体之后，在复原行程将使阻尼力减小；在压缩行程将增大阻尼力；也即使得减振器的示功曲线整体下移一段。如图5所示，实线表示充气之后的示功图，虚线表示抽气之后的示功图。通常在v ≤0.005m/s，在减振器行程中点的测量充气力Fc。设复原和压缩行程所测得充气力力分别为Fcf和Fcy，则减振器的充气力为Fc=（Fcf+Fcy）/2。

4.4 减振器抗泡沫化(畸变)特性

判定时需绘制减振器F(S)曲线图，如图6所示，图中实线为假设理想曲线，虚线为实测曲线。将实测曲线上折返点与切入点之间的距离与理想曲线进行比较，波动不能超过测试行程的25%。

4.5 减振器的机械性能

减振器的机械强度应该能够满足整车悬架的要求，其试验结果应确保质量。对于麦弗逊前减振器来说，应保证的功能主要有导向、支撑弹簧、拉伸和压缩的行程限位以及固定横向稳定杆。

对于前减振器侧重于以下几个部分：减振器本体、悬架弹簧的支撑托盘、限位块支撑隔套、与转向节连接的支座、横向稳定杆的支耳；对于后减振器而言，主要关注减振器本体以及下部铰接。如图1、2所示。

因此，对于前后减振器机械强度方面，所包括的技术指标主要有：

a.刚度。为减振器的弯曲刚度和跳动刚度。弯曲刚度取决于侧向力的方向角以及减振器的行程，跳动刚度则通过缓冲块限制车轮相对车身拉伸的最大跳动幅度来计算。

b.抗异常冲击能力。减振器的拉伸限位块和压缩缓冲体在最大冲击力时不应产生损坏。

c.焊接强度。如图1、2所示，焊接部位包括：支柱式减振器的弹簧盘①、横向稳定杆支耳②、转向节支座③，单纯筒式减振器的吊环④。在一定的拉力下, 焊接部位不应有明显的塑性变形、裂纹及断裂现象。

d.结构强度。减振器总成、支柱式减振器的转向节支座、弹簧盘和横向稳定杆支耳，在一定的静载之下, 减振器的特定部位不应产生塑性变形、裂纹及断裂等现象。

e.抗疲劳强度。减振器总成、支柱式减振器的转向节支座、弹簧盘和横向稳定杆支耳，在指定交变载荷和循环次数下，不应产生裂纹、断裂破坏等失效形式。

4.6　油液特性

泡沫化是影响减振器的示功特性出现畸变的关键因素，在设计时应考虑油液的如下特性：a．粘度及粘温性能；b．抗剪切粘度稳定性；c.抗泡沫稳定性；d.低温流动性能、热稳定性能；e．橡胶相容性和防腐蚀性能。

4.7　密封性

减振器的密封特性分为两种：由内到外的油液泄漏情况、由外到内的防水性。减振器经过数分钟的高速运行之后、以及从- 40°C 运行试验至温升80°C之后 ，活塞杆外露部位应该很少甚至没有粘附油液；以一定的喷水条件，从所有可能的角度，对减振器的密封装置喷水数分钟，减振器内部应无水渗入。

4.8　噪音特性

减振器在工作时，可能产生如下的噪声[5]：a.行程转换时由于空程间隙而造成活塞对油液的撞击、阀片开启与关闭的冲击噪音；b.活塞与缸筒以及活塞杆与油封之间等部位的摩擦噪音；c.油液流经阀门阻尼孔以及油液气穴造成的流体噪音；d.结构振动传递至车身引起的共振噪音等。对减振器施加一定的侧向力，在所要求的活塞速度下，减振器的产生的整体噪音不应超过规定的限值。

5　减振器的技术指标实例（表１）

6　减振器的技术指标与主要功能的关系

用于车辆麦弗逊式前悬架的液压筒式减振器，其主要功能可分解如下：

功能A: 缓和车身与车轮的相对运动；

功能B：过滤车轮传递的冲击；

功能C：限制拉伸与压缩的行程；

功能D：用于悬架的导向；

功能E：不产生令人讨厌的噪音；

功能F：有助于整车的姿态和柔韧性；

功能G：协调车轮的正常转向。

以上减振器所应实现的各项功能，与主要技术指标的关联性可归纳为如表２所列。

7　结论

减振器性能的优劣与其设计紧密相关，减振器设计的核心问题即是确定并满足各项性能技术指标要求。本文所提出减振器应遵循的基本原则，为产品设计指明了大的方向；所给出的减振器设计与测试的技术评价指标，以及某A级乘用车减振器的技术指标实例，为减振器的具体指标确定以及合理性验证提供了重要的指导和参考；所归纳的减振器的各项指标与其功能分解之间的关系，有助于针对性的解决减振器设计中的关键技术问题。

参考文献：

[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.车辆悬架减振器的理论和实践[M].北京:兵器工业出版社,2003,pp74-81.

[3]QC/T 491-1999,汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件[S].

[4]QC/T545-1999,汽车筒式减振器台架试验方法[S].

[5]张立军,余卓平,靳晓雄.汽车筒式液压减振器噪声问题研究动态[J].汽车工程,2003,25(02):162-166.

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