汽車減振器的選型設(shè)計(jì)

1、汽車減振器的選型設(shè)計(jì)東風(fēng)汽車工程研究院 陳耀明2010年11月12日目 錄一、汽車減振器的作用和功能-41、減振器的作用-42、減振器的功能-4（1）對(duì)自然振動(dòng)-4（2）對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)-6二、汽車減振器選型設(shè)計(jì)的任務(wù)-8三、汽車減振器額定阻力和工作缸直徑的選擇-91、線性減振器的阻尼特性-92、實(shí)際減振器的非線性-93、減振器示功試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范-104、懸架系統(tǒng)相對(duì)阻尼系數(shù)與減振器阻尼系數(shù)的關(guān)系-115、計(jì)算額定阻力-126、選擇減振器工作缸直徑-13四、驗(yàn)算懸架系統(tǒng)在各種工況下的振動(dòng)特性-14五、減振器行程和長(zhǎng)度的確定-141、減振器最大壓縮（上跳）行程-142、減振器最大拉伸（下跳）行程-15

2、3、減振器的總行程和長(zhǎng)度-15六、減振器上、下端連接方式和安裝角度-161、減振器橡膠鉸接頭的最大轉(zhuǎn)角-162、減振器的安裝角度-16七、特殊結(jié)構(gòu)的減振器-171、帶有反向限位的減振器-172、阻尼可調(diào)的減振器-17八、試驗(yàn)和使用驗(yàn)證-18汽車減振器的選型設(shè)計(jì)一、汽車減振器的作用和功能1、減振器的作用減振器是一種粘性阻尼元件，它能產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反，與運(yùn)動(dòng)速度成比例的阻力。2、減振器的功能減振器的阻力與運(yùn)動(dòng)速度的比值稱為阻尼系數(shù)，在振動(dòng)系統(tǒng)即懸架系統(tǒng)中它與簧載質(zhì)量、彈性元件剛度等形成相對(duì)阻尼系數(shù)（又稱阻尼比或非周期系數(shù)），對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)起重要影響。相對(duì)阻尼系數(shù)的功能主要有兩方面：（1）對(duì)自然振動(dòng)

3、當(dāng)懸架系統(tǒng)受到單一脈沖后，產(chǎn)生自然振動(dòng)，減振器能使振幅衰減，而且系統(tǒng)的固有頻率略為降低。相對(duì)阻尼系數(shù)越大，兩者的降幅越大。對(duì)于單自由度的線性系統(tǒng)，衰減振動(dòng)可用式（1）和圖1表達(dá)： -（1） 可令式（1）中： -（2）稱為有阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的固有圓頻率。從定義有： -（3）且 -（4）又定義： -（5）聯(lián)立式（2）、（3）、（4）、（5），得： -（6）式中 無阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的固有圓頻率 減振器阻尼系數(shù) 振動(dòng)系統(tǒng)簧載質(zhì)量 單位簧載質(zhì)量的阻尼系數(shù)之半 相對(duì)阻尼系數(shù)（阻尼比，非周期系數(shù)）從式（6）可見，相對(duì)阻尼系數(shù)越大，系統(tǒng)的固有圓頻率越低。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)變?yōu)榉侵芷谶\(yùn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)為無阻尼振動(dòng)。汽車懸架系統(tǒng)的

4、相對(duì)阻尼系數(shù)比較小，一般為0.250.35，比只降低3%6%，可以按無阻尼振動(dòng)的固有頻率式（4）來進(jìn)行分析運(yùn)算?，F(xiàn)定義兩個(gè)相鄰振幅與之比為減幅系數(shù)，即： -（7）從式（7）可見，有阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的振幅是按等比級(jí)數(shù)衰減的，相對(duì)阻尼系數(shù)越大，衰減越快。對(duì)式（7）兩邊取自然對(duì)數(shù)，得： 解出： -（8）只要測(cè)到衰減振動(dòng)曲線上相鄰二振幅之比，就可利用式（8）算出相對(duì)阻尼系數(shù)。國(guó)標(biāo)GB/T 4783“汽車懸掛系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比測(cè)定方法”就是根據(jù)上述理論制訂的。（2）對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)汽車行駛中，懸架系統(tǒng)實(shí)際上處在隨機(jī)輸入的強(qiáng)迫振動(dòng)工況，通常用頻率響應(yīng)（幅頻特性）來描述這種工況。系統(tǒng)的相對(duì)阻尼系數(shù)增大，使共振區(qū)的

5、加速度增益明顯減小，但非共振區(qū)的增益卻增大，反之亦然。所以，減振器阻尼值對(duì)不同頻域振動(dòng)的抑制作用是不同的，應(yīng)合理選擇。對(duì)于單自由度的線性系統(tǒng)，可以用式（9）和圖2來描述其位移的幅頻特性。其縱坐標(biāo)稱為簧載質(zhì)量位移輸出對(duì)地面位移輸入的增益（放大因子），橫坐標(biāo)為強(qiáng)迫振動(dòng)圓頻率與固有頻率的比值。 -（9） 在評(píng)價(jià)行使平順性時(shí)，往往要分析加速度輸出，即加速度的幅頻特性。同樣，可以用式（10）和圖3來描述。 -（10） 圖3的縱坐標(biāo)為加速度輸出對(duì)地面位移輸入的增益（放大因子），橫坐標(biāo)為強(qiáng)迫振動(dòng)輸入頻率（以計(jì)量），該案例設(shè)定系統(tǒng)固有頻率，只對(duì)比相對(duì)阻尼系數(shù)的影響。對(duì)比式（9）、（10）可見，加速度的頻率響應(yīng)

6、函數(shù)為位移的頻率響應(yīng)函數(shù)的倍。對(duì)于2質(zhì)量的2自由度振動(dòng)系統(tǒng)，相對(duì)阻尼系數(shù)的影響也是類似的，只是系統(tǒng)有兩個(gè)固有頻率，兩個(gè)共振區(qū)。對(duì)于簧載質(zhì)量（車身）的加速度輸出，主要的側(cè)重點(diǎn)在分析低頻共振區(qū)的振動(dòng)，即懸架系統(tǒng)剛度和阻尼的影響。二、汽車減振器選型設(shè)計(jì)的任務(wù)汽車減振器選型設(shè)計(jì)不進(jìn)行減振器具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，只對(duì)以下涉及選型的各項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)：1、確定減振器的基本性能參數(shù)也就是確定減振器的阻尼系數(shù)，包括復(fù)原（拉伸）和壓縮行程的阻尼系數(shù)。一般只需確定若干特定速度條件下，特別是標(biāo)準(zhǔn)示功試驗(yàn)速度的復(fù)原阻力和壓縮阻力，即所謂的額定復(fù)原阻力和額定壓縮阻力。2、核算懸架系統(tǒng)的振動(dòng)特性即是計(jì)算相對(duì)阻尼系數(shù)的大小，并與推薦

7、值對(duì)比。3、確定基本的規(guī)格尺寸主要是：（1）工作缸直徑；（2）行程及最大、最小長(zhǎng)度。4、確定杠桿比和安裝角。5、確定減振器上、下端的連接方式也就是選擇吊環(huán)襯套式還是螺桿襯墊式，并校核相應(yīng)的許用扭轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角。6、反向限位減振器的選擇。7、阻尼可調(diào)式減振器的選擇。三、汽車減振器額定阻力和工作缸直徑的選擇1、線性減振器的阻尼特性理論上的線性減振器，其阻力與速度成正比： -（11）式中： 阻尼力，與運(yùn)動(dòng)速度方向相反 減振器上、下接頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，簡(jiǎn)稱活塞線速度 阻尼系數(shù)，對(duì)線性減振器，為常數(shù)2、實(shí)際減振器的非線性實(shí)際使用的減振器都是非線性的，主要反映在兩個(gè)方面：（1）速度變化之后，特別是在卸荷閥開啟

8、前后，阻尼系數(shù)變化很大；（2）復(fù)原（拉伸）行程和壓縮行程其阻尼系數(shù)變化更大（對(duì)于常用的雙筒式減振器）。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算一般都采用分段、分級(jí)，按線性理論公式進(jìn)行計(jì)算。3、減振器示功試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范按照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 545所規(guī)定的下列條件進(jìn)行示功試驗(yàn)：（1）減振器上、下端相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度即活塞線速度為:近似的簡(jiǎn)諧波運(yùn)動(dòng)。（2）試驗(yàn)溫度：20±2。（3）試驗(yàn)行程：=（100±1）mm（即振幅為±50 mm）。（4）試驗(yàn)頻率：n =（100±2）cpm（次/分）。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，左側(cè)a)為阻力-位移特性，即示功圖，封閉曲線內(nèi)腔面積為減振器一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)所消耗的

9、功。右側(cè)b)為對(duì)應(yīng)的阻力-速度特性，亦稱為阻尼特性，曲線的斜率則是阻尼系數(shù)。按照簡(jiǎn)諧波的規(guī)律，已知振幅、頻率，就可計(jì)算出峰值和谷值的活塞線速度。圖4是按照振幅（行程）不變，頻率變化的示功試驗(yàn)來求出對(duì)應(yīng)阻尼特性曲線的。當(dāng)然，也可以用頻率不變，振幅變化的示功試驗(yàn)來求出阻尼特性曲線，如圖5所示。根據(jù)上述條件，可計(jì)算出在試驗(yàn)循環(huán)中，減振器活塞的最大線速度為： -（12）對(duì)應(yīng)這個(gè)速度的復(fù)原阻力稱為額定復(fù)原阻力，對(duì)應(yīng)這個(gè)速度的壓縮阻力稱為額定壓縮阻力，均可以從標(biāo)準(zhǔn)示功試驗(yàn)求到，即復(fù)原和壓縮行程中的最大阻力值。4、懸架系統(tǒng)相對(duì)阻尼系數(shù)與減振器阻尼系數(shù)的關(guān)系從線性振動(dòng)理論的定義有： -（5）式中： 相對(duì)阻尼系

10、數(shù)，或稱阻尼比、非周期系數(shù) 懸架剛度 簧載質(zhì)量 懸架固有圓頻率， 懸架固有頻率（Hz）如果減振器安裝位置對(duì)車軸或車輪有杠桿比，則： -（13）式中：為杠桿比 減振器下支點(diǎn)到鉸接點(diǎn)的距離 車軸或車輪到鉸接點(diǎn)的距離 減振器中心線對(duì)鉛垂線的夾角5、計(jì)算額定阻力（1）選定期望的相對(duì)阻尼系數(shù)對(duì)于摩擦較大的彈性元件，如鋼板彈簧，取=0.10.2；對(duì)于摩擦較小的彈性元件，如空氣彈簧，取=0.250.35；行駛路面較好的取下限，反之取上限，山區(qū)使用可加大到=0.5。上列系數(shù)以汽車滿載為條件，即按滿載取值。（2）選定相關(guān)的計(jì)算參數(shù)簧載質(zhì)量取汽車滿載工況；懸架剛度或固有圓頻率取滿載時(shí)的對(duì)應(yīng)值；活塞線速度計(jì)算值取Q

11、C/T 545標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的示功試驗(yàn)的峰值速度，；確定減振器安裝位置的杠桿比和安裝角。（3）求平均阻力參照式（11），令，式（13）轉(zhuǎn)換為 -（14）式中： 速度為時(shí)，復(fù)原阻力和壓縮阻力的平均值 速度為時(shí)的復(fù)原阻力，即額定復(fù)原阻力 速度為時(shí)的壓縮阻力，即額定壓縮阻力 標(biāo)準(zhǔn)示功試驗(yàn)條件的最大活塞線速度，即（4）求額定復(fù)原阻力和額定壓縮阻力令，則： -（15） -（16）式中： 拉、壓阻力比參照標(biāo)準(zhǔn)QC/T 491或樣本，也可按設(shè)計(jì)者意圖選取值。一般=25，個(gè)別的達(dá)到=10。6、選擇減振器工作缸直徑參照QC/T 491標(biāo)準(zhǔn)或供應(yīng)商提供的樣本，根據(jù)式（15）、（16）計(jì)算出的額定阻力值來確定工作缸直徑。

12、一般以額定復(fù)原阻力為依據(jù)，額定壓縮阻力為參考。四、驗(yàn)算懸架系統(tǒng)在各種工況下的振動(dòng)特性上述減振器額定阻力的計(jì)算，是在特定工況，即載荷為滿載，懸架剛度或固有頻率為滿載時(shí)的對(duì)應(yīng)值所期望的相對(duì)阻尼系數(shù)，按照運(yùn)動(dòng)速度為臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的等幅峰值速度而求到的。汽車懸架減振器的實(shí)際工況是變化的，包括：1、載荷和剛度或偏頻的變化，至少有滿載、空載2種。2、懸架跳動(dòng)時(shí)減振器的振幅和頻率是變化的，即活塞線速度不是固定的，因而其阻尼系數(shù)及阻尼力也是變化的。一般要取3個(gè)常用值（0.13、0.26、0.52 m/s）來校驗(yàn)?？梢詮墓?yīng)商獲得幾種速度所對(duì)應(yīng)的阻尼力或阻尼系數(shù)。3、復(fù)原和壓縮兩種行程的阻尼力或阻尼系數(shù)是不同的。

13、這樣，共有2×3×2=12種參數(shù)應(yīng)代入式（5）或（13），求到12種相對(duì)阻尼系數(shù)。可據(jù)此判別不同工況時(shí)減振器的效能，也可在不同車型之間對(duì)比，必要時(shí)應(yīng)重新修改設(shè)計(jì)。五、減振器行程和長(zhǎng)度的確定1、減振器最大壓縮（上跳）行程汽車懸架的上跳行程一般由橡膠限位塊的位置確定，其大小與懸架靜撓度的平方根成正比，還受彈性元件最大應(yīng)力的制約。減振器的最大壓縮行程也是由它決定。應(yīng)該注意的是，減振器的行程要計(jì)入杠桿比和安裝角的影響。對(duì)于非獨(dú)立懸架，如果左、右減振器的跨距和限位塊的跨距不同，側(cè)傾時(shí)行程會(huì)被放大或縮小，要計(jì)入這個(gè)差異。減振器的極限壓縮行程要比上述的計(jì)算最大行程多510 mm，避免減振

14、器活塞桿被頂彎，不允許將減振器用于上跳行程限位。2、減振器最大拉伸（下跳）行程汽車懸架多數(shù)利用彈性元件的反跳拉伸作為限位，有的采用專門措施，如鋼絲繩、杠桿等進(jìn)行限位。對(duì)于這類懸架，減振器不必具備反向限位的功能，其最大拉伸行程略大于懸架的最大下跳行程即可。對(duì)于空氣懸架，幾乎都借助減振器來達(dá)到下跳行程的限位，所以減振器的極限拉伸行程就是懸架的最大下跳行程。這里也要計(jì)入杠桿比、安裝角以及跨距不同產(chǎn)生的放大或縮小的影響?？諝鈶壹苡脺p振器的極限拉伸行程必須要小于折算后的空氣彈簧允許的最大拉伸量，以保證氣簧的安全性、不脫囊。汽車懸架最大下跳行程的大小取決于彈性元件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還要考慮靜撓度大小，一般在靜撓度

15、達(dá)到零載之前就限位，有的懸架允許彈性元件有一定反拉產(chǎn)生反向負(fù)荷才限位。3、減振器的總行程和長(zhǎng)度（1）減振器的總行程=最大壓縮行程+最大拉伸行程。（2）減振器的最小長(zhǎng)度=總行程+減振器基長(zhǎng)（基礎(chǔ)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度）。（3）減振器的最大長(zhǎng)度=最小長(zhǎng)度+總行程=基長(zhǎng)+2倍總行程。（4）從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 491或供應(yīng)商樣本，就可選到標(biāo)準(zhǔn)化的減振器行程。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或樣本中具體設(shè)計(jì)的基長(zhǎng)，就可以確定減振器的最小、最大長(zhǎng)度。由于車型和減振器的品種越來越多以及技術(shù)進(jìn)步，已逐漸取消標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)格尺寸，可以和供應(yīng)商確定新的規(guī)格尺寸。六、減振器上、下端連接方式和安裝角度減振器兩端都是用橡膠件鉸接固定，分為吊環(huán)襯套式和螺桿襯墊式

16、。可以是兩端同一型式，也可以是不同型式。由于減振器伸縮時(shí)伴有擺動(dòng)，這些鉸接頭產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。為了保證橡膠件承受的應(yīng)力不致于過大或發(fā)生滑轉(zhuǎn)，避免早期損壞，對(duì)橡膠鉸接頭的最大轉(zhuǎn)角以及減振器的安裝角度必須給于限制。1、減振器橡膠鉸接頭的最大轉(zhuǎn)角表吊環(huán)襯套式螺桿襯墊式扭轉(zhuǎn)角±15°±6°偏轉(zhuǎn)角±4°2、減振器的安裝角度為了使鉸接頭的轉(zhuǎn)角達(dá)到上述要求，同時(shí)也為了減小由此引起的減振器活塞側(cè)向力，對(duì)減振器的安裝角要求：（1）減振器中心線與地面鉛垂線的夾角，一般15°，個(gè)別懸架允許45°，這種布置應(yīng)核對(duì)鉸接頭轉(zhuǎn)角。（2）半掛車或某些車型

17、的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向橋所用的減振器，若減振器中心線與地面鉛垂線夾角45°，則需選用特殊規(guī)格減振器，該減振器儲(chǔ)油筒有特殊標(biāo)記，布置時(shí)標(biāo)記部位必須向上。（3）減振器布置應(yīng)盡可能使下鉸接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與減振器中心線一致，即減振器中心線垂直于下鉸接頭與瞬時(shí)中心的連線。這時(shí)效率最高，擺角最小。七、特殊結(jié)構(gòu)的減振器1、帶有反向限位的減振器絕大多數(shù)空氣懸架都采用帶有反向（下跳）限位吸能的減振器，個(gè)別不用這種減振器的懸架必須有其它裝置，例如：限位鋼絲繩、箍帶、半橢圓板簧、反向限位橡膠塊等。反向限位減振器有兩種結(jié)構(gòu)型式：（1）橡膠緩沖圈。當(dāng)活塞被拉伸到最高點(diǎn)前與橡膠圈接觸，壓縮橡膠圈，阻力急驟增大，起到緩沖限位作用

18、。（2）液壓節(jié)流。當(dāng)活塞被拉伸到最高點(diǎn)附近，節(jié)流孔被逐漸關(guān)閉，阻力急驟增大，上腔油壓也急驟增大，起到緩沖限位作用。2、阻尼可調(diào)的減振器（1）調(diào)節(jié)阻尼的目的使空、滿載的相對(duì)阻尼系數(shù)接近，在不同載荷條件下，都得到較理想的減振效果。根據(jù)路面不平度狀況調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)，即，在壞路面（低頻大振幅）上行駛，增大相對(duì)阻尼系數(shù)，以抑制共振區(qū)幅值；在好路面（高頻小振幅）上行駛，減小相對(duì)阻尼系數(shù)，以減小振動(dòng)增益。（2）調(diào)節(jié)阻尼的手段使用磁流變液，控制磁場(chǎng)變化以改變減振液的粘度，從而調(diào)節(jié)阻尼。借助電磁閥調(diào)節(jié)節(jié)流孔大小的變化。借助氣壓控制節(jié)流孔大小的變化，對(duì)于空氣懸架，可利用空氣彈簧內(nèi)的氣壓（反映載荷狀況）進(jìn)行控制。（3）調(diào)節(jié)阻尼的方法有手動(dòng)或自動(dòng)。若按路面狀況進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制，就成為半主動(dòng)懸架。八、試驗(yàn)和使用驗(yàn)證在完成上述各項(xiàng)選型設(shè)計(jì)程序之后，減振器的基本結(jié)構(gòu)型式、性能參數(shù)、規(guī)格尺寸都已確定。下一步由減振器專業(yè)公司（即生產(chǎn)企業(yè)）進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。待新樣品試制出來之后，專業(yè)公司必須按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如QC/T 54