新型减震器在汽车悬架系统上的应用

新型减震器在汽车悬架系统上的应用陈浩1李社锋2沈德魁2（１．机械电子研究所；２．热能工程研究所）摘要：介绍了一种阻尼可变的筒式减震器，说明了实现阻尼变化的原理。同时设计了旋转减震器并构造了新的悬架避震系统，进行了简单的系统分析。关键词：压力减震器；旋转减震；系统分析；阻尼系数1设计研究背景舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架作为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。目前轿车采用的减震方式，用的比较多的有如下几种：1.钢板弹簧+筒式减震器；2.螺旋弹簧+筒式减震器；2.气体减震器（气包）；3.弹簧杠杆减震器；在2-30万区间的轿车，大都采用第二种形式，越野车和CUV、SUV等车型，采用的是前轴2.后轴1的形式。如图所示为汽车悬架以及减震系统的大致结构1.螺旋弹簧+筒式减震器2.横向和纵向推力杆3.横向稳定杆图1.汽车悬架以及减震系统通常用的结构又被称作麦弗逊结构，主要元件就是筒式减震器。特点在于简单，响应速度快。并且在一个下摇臂和支柱的几何结构下能自动调整车轮外倾角，让其能在过弯时自适应路面，让轮胎的接地面积最大化，而且占用空间小适合小型车以及大部分中型车使用。但是由于结构简单使得悬挂刚度较弱，稳定性差，转弯侧倾明显。另外，由于一般欧美车比较重，该机构中的弹簧承受的负荷比较大，再加上国内道路状况不是那么的良好，沟坎路面多，车身向下的大冲击力很频繁的出现在驾驶过程中，这就造成了螺旋弹簧的金属疲劳，在新车行驶一段时间后（视经常行驶路面情况，时间长短有所不同，同时，车辆的载荷也有很大关系），弹簧的回位力量减弱；于是就有车身高度下降，托底，轮胎容易和翼子板刮蹭等等这样的现象发生。弹簧回位力量减弱，变软，还会造成一个严重的问题，就是损害减震器，大家都知道，在重载情况下，减震器会有极限工况，也就是减震器震芯压到极限行程，这样的工况，会是减震器漏油，密封圈破损，造成减震器寿命缩短，在弹簧变软的情况下，减震器的寿命就会受到严重影响。其他如充气性减震器，变阻尼减震器要求比较昂贵的密封装置，机构复杂，只在高性能的轿车上使用。2设计目标本文设计的目标在于采取对现有筒式减震器的功能优化设计达到半主动悬架的目的。通过油压的变化产生不同的阻尼比，适应不同速度和路面情况。同时，针对传动悬架系统纵向推力杆单一弹性元件设计的情况，引入旋转阻尼部件，改善汽车在急停、转弯等动作状态下汽车的刚性特征。设计结果拟用新型筒式压力减震器替代原系统中的减震器，其他部件不变，引入一小型油泵与该减震器相连，油泵有电机控制，能实时改变油压。油压得产生使得减震器能分担弹簧负担的车身载荷。同时，在原来纵向推力杆处增加旋转阻尼器，增加原来仅仅由弹性杆件提供的侧向缓冲作用，旋转阻尼器的作用原理和新型筒式压力减震器相似，但不提供附加载荷作用在推力杆上。图2新型筒式/旋转压力减震器以及油泵3设计原理根据流体力学中薄壁小孔的压力流量公式)(32212ppWbq可以看出，当压差提高时，流量变大。流量大小直接和阻尼系数有关。通过分析，可以得出，Aqx.，A---减震器内截面积也就是说，压差影响了活塞杆移动的速度；不需要通过微分方程的计算，就可以分析得出压差大的时候，阻尼系数小；压差小的时候相应的阻尼系数大。因此，通过改变普通筒式减震器中的油压，可以改变减震器工作时的压差，从而达到改变阻尼比的效果。而普通筒式减震器中的阻尼系数C一般不可变改，以下我们通过新型筒式压力减震器的结构研究来得出它的优势。新型筒式压力减震器的原理和双向作用筒式减震器的原理很相似，只不过采用了压力油作为工作介质，压缩阀和补偿阀均与电机油泵相连通。首先，由于上下两腔充满压力油，适当调节流通阀和伸张阀，就可以避免由于活塞运动造成的“真空”，从而降低噪声，延长减震器寿命。同时可以发现，由于上腔室的截面积小于下腔室，从而产生向上的提升力12AApF2A--下腔室截面积1A--上腔室截面积承担车身负载。压缩行程时，指汽车车轮移近车身，减振器受压缩，此时减振器内活塞向下移动。活塞下腔室的容积减少，油压升高，油液流经流通阀流到活塞上面的腔室（上腔）。上腔被活塞杆占去了一部分空间，因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积，一部分油液于是就推开压缩阀，流回油源。这些阀对油的节约形成悬架受压缩运动的阻尼力。我们通过以下推导得出相对于常规减震器，阻尼比的变化。由PV不变，活塞运动时，上腔室的守恒方程为：)(/111vVPVp------------------------（1）下腔室：)(//222vVPVp---------------（2）初始状态：21Pp-------------------（3）由（1），（2），（3），得出动态情况下，压差为：11/21'2'PvVVvVVPP压差受初始减震器内压力的影响。从而，通过调节电动油泵的出油压力，就图3新型筒式压力减震器可以改变震动情况下的压差，阻尼比，达到在低速、平稳地面，阻尼比小，而在高速或者崎岖不平地面情况下，阻尼力大的目的。根据相似的原理，设计旋转减震器，但是不需要提供附加载荷。如下图所示：该减震器采用叶片结构，如右图所示，在左腔，设计成为渐变得腔室结构，使得旋转式流通需通过阀口，或需要油泵补油，根据筒式结构的分析，同样可以认为，该结构为阻尼可变的结构，但由于左右腔室截面积相同，不会产生附加力矩。为了实现渐变式结构，同时不影响叶片运动，采取下图的结构设计。4旋转压力减震系统的理论分析图6旋转减震器在悬架系统的布置根据旋转减震器的布置方法，结合简化的麦弗逊结构悬架，可以将整个悬架减震系统用以下简图（略去可变阻尼作用）表示：图7简化悬架减震系统图简化起见，仅仅就竖直方向的突变载荷进行分析，可以得出：以车体纵倾为坐标建立方程，32122ltFKKlCMlJtt其中，)(tF为突变的竖直方向载荷，一般情况位于车体正中位置。可以通过：22MlJMe，teKKlK21，teCC简化方程为3ltFKCMeee从而得出系统参数为：根据上述推导的结果，可以对旋转刚度和旋转阻尼组成的避震系统进行定量的研究，并通过计算机仿真得出优化的结果。５总结通过以上的设计研究，本文提供了对现有汽车悬架系统较少改动下的新型减震系统，利用油压的变化改变系统的阻尼，从而改善汽车在不同工况的响应性能。同时，通过增加相同原理的旋转减震器构造了能兼顾侧向力以及横向力的复合系统，进行了简化的系统分析。参考文献［１］章宏甲，黄谊．液压传动［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９年．［２］王传礼，丁凡，许贤良．一种新型旋转叶片式液压阻尼器［Ｊ］．煤炭科学技术，２００４（１０）．［３］段权，徐晖．旋转式硅油阻尼器动态特性试验研究［Ｊ］．应用力学学报，２００１（６）．［４］刘文强，王磊，谢伟东．车载悬架性能检测与可调阻尼减震器［Ｊ］．机床与液压，２００３（３）．［５］中国汽车论坛．悬架与操纵１―６．增助势盘式制动器设计说明书葛文杰程超（浙江大学汽车系0401，杭州310058）（浙江大学汽车系0401，杭州310058）摘要：目前影响汽车制动器制动效果的因素主要有制动效能，即制动减速度，其与制动器制动力的大小有很大关系；和制动效能的恒定性，即制动器抗热衰退的性能。本文以盘式制动器为研究对象，将盘式制动器良好的抗热衰退性与鼓式制动器优越的制动效能相结合，设计出带制动增势式盘式制动器，从而优化了传统的制动器的制动效果。关键词：制动增势；盘式制动器目前各类汽车所用的摩擦制动器主要有两种，即盘式制动器和鼓式制动器（这里以内张型鼓式制动器为例），其各自的主要特点如下：鼓式制动器的位于制动鼓内部的制动蹄9在一端受到轮缸活塞5的促动力时，可绕其另一端的支承销11为支点向外旋转，压靠到制动鼓内圆柱面的制动底这里假设车轮是顺时针转动板3上，产生摩擦力。而这个摩擦力由于与支承销11之间存在力臂，这就使摩擦力产生了一个摩擦力矩的作用，该作用有使得制动蹄9进一步压向制动底板3上的趋势，从而使鼓式制动器在制动时产生一压向制动鼓的“增势”作用，所以制动效果好；但鼓式制动器由于散热面积小，这使鼓式制动器在制动时产生的热量不易及时散失，这部分热量会对制动器内的制动鼓以及制动蹄加热而产生制动器的热衰退，大大影响鼓式制动器的制动效果。相比较，盘式制动器（以定钳盘式制动器为例）的制动钳安装在车桥上，既不能旋转，也不能沿制动盘轴线方向移动，因而要靠制动盘两侧的钳体中1.制动盘2.制动活塞3.摩擦片4.液压油缸5.夹钳6.制动钳支架的促动装置，即制动活塞2的压力才能将摩擦片3压紧在制动盘上来实现制动，相比鼓式制动器而言，盘式制动器在制动时完全依靠液压油缸中的高压油推动制动活塞来使摩擦片压在制动盘上面，其力全部由高压油提供，在制动时不会产生任何类似于鼓式制动器的摩擦力矩来使摩擦片更进一步的压在制动盘上，所以其没有增势的效果；而从图中可以看出，盘式制动器在除制动钳处外的所有地方均与外界直接接触，这便决定了盘式制动器的最大的优点——散热面积大（通风盘式尤其显著），所以制动盘的抗热衰退性能好很多，这大大的增加了盘式制动器在多次制动或在下长坡时制动的可靠性，提高了盘式制动器的的制动稳定性。另外，结构简单，节约材料也成为目前盘式制动器广泛应用的原因之一。本作品设计的基本思路就是以盘式制动器为基础，将上述鼓式与盘式制动器的优点相结合，在保证有良好的抗热衰退性的同时附加一个“制动增势”的作用，来提高制动器的制动效果。带增势式制动器结构：1.固定油缸体：固定油缸体中有液压油腔，用来储存液压油，液压油腔与推力活塞腔相连通，在制动时，液压油的压力升高，推动制动活塞运动。在固定油缸体的下部还有安装柱销的开口，其将与活动部件制动摇臂相连。2.制动摇臂：制动摇臂上包含了与制动盘直接接触的制动摩擦片，为了使活塞施加的力均匀而设的受力凹坑，为安装柱销而开的孔。制动摇臂通过销连接与固定油缸体形成可动连接后，制动摇臂可绕柱销旋转，当其受到活塞的推力后，就被推力紧压在了制动盘上来实现制动。3.组合体示意图：图示为将制动摇臂通过销连接安装在固定油缸体上后的情形（推力活塞此处未画出）。在安装时，把握好制动器在制动盘上的方向，否则很可能从设计时的增势而变为无任何好处的“减势”，如图所示，此时制动盘随着车轮逆时针旋转，当踩下制动踏板时，液压油压力迅速升高，推动活塞运动，将制动摇臂压向制动盘，并在其上作用一摩擦力来使制动盘的速度降低，同时，制动盘也在制动摇臂上面施加一个大小相同、方向相反的力，由于制动盘在逆时针旋转，这个反力将作用在摩擦片上且方向向下，而反力与柱销的轴线并不相交，这就使摩擦并不只是力的作用，而是同时产生了一个力矩的作用。此力矩对制动摇臂有使其更进一步向制动盘压紧的趋势，这就是所谓的“制动增势”的作用，制动摇臂也将更紧的压在制动盘上。从图中可以看出，“带增势式盘式制动器”在附加一个制动力矩产生增势作用的同时，并没有占用过多的空间，即没有对盘式制动器的散热性能产生影响，所以其不仅能提供更高的制动效能，还有利于保持制动效能的恒定性，综合考虑，本作品在制动效果上会有更好的表现。结语：本作品将传统的盘式制动器良好的抗热衰退性与鼓式制动器良好的制动效能的优势相结合，并基于盘式制动器重新进行了空间布置和整合，使这两个在一个制动器上可以同时发挥，改善了目前盘式和鼓式制动器其各自的缺点，为汽车制动提供了更可靠的保障。