汽车减振器介绍及其原理讲解

减振器为了加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内部装有减振器。减振器和弹性元件都是并联安装的。汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。液力减振器的作用原理是当车驾与车桥做往复相对运动，而活塞在缸筒内往复移动时，减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔。此时，孔壁与油液的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，而被油液和减振器壳体所吸收，然后散到空气中。减振器阻尼力的大小随车架和车桥相对运动速度的增减而增减，并且与油的黏度有关。因此要求减振器所用油液的黏度受温度变化的影响尽可能小；且具有抗汽化，抗氧化以及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。液力减振器减振器的阻尼力越大，振动消减得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。为解决弹性元件和减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求：（1）在悬架压缩行程（车桥和车架互相移近的行程）内，减振器阻尼力应小，以便充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击。（2）在悬架伸张行程内（车桥与车架相对远离的行程）内，减振器的阻尼力应大，以求迅速减振。（3）当车桥（或车轮）与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道面积，使阻尼力始终保持在一定的限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器，还有采用新式减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器。1.活塞杆；2.工作缸筒；3.活塞；4.伸张阀；5.储油缸筒；6.压缩阀；7.补偿阀；8.流通阀；9.导向座；10.防尘罩；11.油封双向作用筒式减振器双向作用筒式减振器工作原理说明。在压缩行程时，指汽车车轮移近车身，减振器受压缩，此时减振器内活塞3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8流到活塞上面的腔室（上腔）。上腔被活塞杆1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6，流回贮油缸5。这些阀对油的节约形成悬架受压缩运动的阻尼力。减振器在伸张行程时，车轮相当于远离车身，减振器受拉伸。这时减振器的活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀8关闭，上腔内的油液推开伸张阀4流入下腔。由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液不足以充满下腔增加的容积，主使下腔产生一真空度，这时储油缸中的油液推开补偿阀7流进下腔进行补充。由于这些阀的节流作用对悬架在伸张运动时起到阻尼作用。由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力设计的大于压缩阀，在同样压力作用下，伸张阀及相应的常通缝隙的通道载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道截面积总和。这使得减振器的伸张行程产生的阻尼力大于压缩行程的阻尼力，达到迅速减振的要求。充气式减震器充气式减震器的结构特点是在缸筒的下部装有一个浮动活塞，在浮动活塞与缸筒一端形成的一个密闭气室种充有高压氮气。在浮动活塞上装有大断面的O型密封圈，它把油和气完全分开。工作活塞上装有随其运动速度大小而改变通道截面积的压缩阀和伸张阀。当车轮上下跳动时，减震器的工作活塞在油液种做往复运动，使工作活塞的上腔和下腔之间产生油压差，压力油便推开压缩阀和伸张阀而来回流动。由于阀对压力油产生较大的阻尼力，使振动衰减。充气式减振器优点当车辆在较坏的路面连续行驶时，充气式减振器比液压式减振器具有良好阻尼力的持续性和高速特性。因为减振器油在连续或高速工作下很容易发生泡沫化现象，从而使减整器工作时产生空程导致阻力不连续（这种现象在压缩行程尤为严重），充入低压氮气后基本消除了泡沫化现象，从而也就消除了阻力的空程和不连续现象，提高了整车乘座舒适和高速的操稳性。充气式减振器基本消除了减振器油的泡沫化现象，大降低了减振器工作的减振器油高速流动产生的“嘶嘶”声，从而降低了整车的噪音。充气式减振器会比普通液振器的使用寿命长，因为阻力持续性得到了保证，特别是车辆在较坏的路面上行驶时，减少了减振器工作空程，在一定程度上减少了对整车，特别是悬架零件的冲击，不但提高减振器本身的寿命，而且也提高了悬架其它零件的使用寿命。由于采用浮动浮塞而减少了一套阀门系统，使结构大为简化，零件数约减少15%。阻力可调式减震器装有这种阻力可调式减震器的悬架系统采用了刚度可变的空气弹簧。阻力可调式减振器的工作原理是，当汽车的载荷增加时，空气囊中的气压升高，则气室内的气压也随之升高，使膜片向下移动与弹簧产生的压力相平衡。与此同时，膜片带动与它相连的柱塞杆和柱塞下移，使得柱塞相对空心连杆上的节流孔的位置发生变化，结果减小了节流孔的通道截面积，即减少了油液流经节流孔的流量，从而增加了油液流动阻力。反之，当汽车载荷减小时，柱塞上移，增大了节流孔的通道截面积，结果减少了油液的流动阻力。因此达到了随着汽车载荷的变化而改变减震器阻力的目的。自适应减震系统自适应减震系统是一种电子控制的悬挂系统，它根据主要的驾驶条件持续不断地调节悬挂减震器的减震特性。该系统由集成式悬挂控制模块控制。该模块接收来自3个加速计、4个悬挂高度传感器和来自其他系统的信号，借以计算车辆状态、车身和车轮移行状态和驾驶员操作输入。控制模块使用这些信号将各减震器的减震特性控制在适当的水平，从而改善车身控制和车辆驾乘舒适度。自适应减震器为充油和气体加压的单筒单元。为保持车轮竖向行程，后减震器使用了一个额外的外部蓄能器。车辆采用电子控制阀行驶时，可调整减震力。与典型的被动减震器相比，这些减震器可在车辆控制和驾乘舒适度之间实现更好的平衡。所有减震器均有电气接头，其位置在活塞杆的端部、顶部支架的中心。所有减震器中的减震调节均通过一个电磁式可变节流孔来控制，该节流孔为减震器内的油液流动打开第二条通道。当电磁阀断电后，旁路关闭，所有液压油全部流过主（刚性）阀。电磁阀启动后，移动衔铁和控制叶片。当电磁阀断电后，弹簧将阀门返回至其关闭状态。控制叶片上有一个节流孔，叶片滑入腔体内以按要求打开旁路，工作过程如图所示。在回升过程中，液压油沿相反方向流动。平行作用的两个阀门可以确保减震器以一个更柔和的状态工作。减震器在这两个界限条件之间工作。各减震器中的电磁阀由来自集成式悬挂控制模块的526HzPWM电流需求量操控。当模块完全启动后，它使用1.5A电流来操控柔性设置下的减震器。当断电后（0A），减震器处于刚性设置。电流按需持续不断地变动，借此分别增加或减小各减震器的减震能力。空气悬挂系统中使用的4个悬挂高度传感器也向自适应减震系统提供输入信号，其中两个传感器用于前悬挂，另外两个传感器用于后悬挂。在各悬挂高度传感器上，传感器臂和传感器连杆将悬挂的线性运动转换为传感器轴的旋转运动。悬挂高度传感器测量车辆各角上的悬挂的竖向移位，并向集成式悬挂控制模块输出相应的模拟信号。集成式悬挂控制模块巾的算法计算信号的位置、速度和频率，并将这些结果用于车轮控制。3.2有级可调减振器有级可调减振器阻尼在三档之间快速切换，切换时间通常为几毫秒，有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。有级可调减振器通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置使减振器的阻尼在软/中/硬三档之间变化，有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性，有级可调减振器的设计关键是发展先进的阀技术，增加阻尼变化的档数缩短切换时间从而使复杂的控制策略应用成为可能，以进一步提高悬架的控制品质。3.3无级可调减振器无级可调减振器的阻尼调节可采取以下几种方法：（1）节流孔径调节：通过步进电机驱动减振器的阀杆连续调节减振器的通流面积，来改变阻尼节流阀或其他形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。（2）减振液黏性调节：使用黏性连续可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，电流变液体在外加电场作用下，其流变材料性能（如剪切强度，表观黏度等会发生显著的变化，将这种电流装入减振器并在内外筒之间加上电场通过改变电场强度使电流液体的黏度改变，从而改变减振器的阻尼力。由于电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，这无疑是一个较好的选择。但电流变液体存在较多问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场黏度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大、容易分离，沉降稳定性差，对杂质敏感等难以适应电流变减振器长期稳定工作的需要。要使电流变减振器响应迅速、工作可靠，必须解决以下几个问题：设计一个体积小、重量轻，能任意调节的高压电源；为保证电流变液体的正常工作温度必须设计一个散热系统；充装电流变液体时，要保证无污染；性能优良的电流变液体；高压电源的绝缘与封装。电流变减振器在国外已有一些产品问世。如德国的商业电流变液与电流变减振器及美国的相关产品等。磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体，将磁流变液体装入磁流变减振器通过控制磁场强度可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级可调。磁流变减振器具有电流变减振器同样的特点，响应比电流变减振器要慢，主要是磁流变液体的磁化和退磁需要时间。磁流变减振器通常采用活塞缸结构，磁流变液的通路有位于活塞上的阻尼孔或单独的旁路构成。在磁流变液的通路上施加磁场，按结构可分为单出杆活塞结构和双出杆活塞结构。单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车司机座椅半主动悬架减振系统。磁流变液体的特点存在的问题是响应时间长、结构比较笨重、流变性能和稳定性还需要改进。目前成功开发的电流变液体与磁流变液体的特性，从材料特性上看它们都能满足汽车工作要求，但在屈服应力、温度范围、塑性黏度和稳定性等性能方面，磁流边液体强于电流变液体，这也是选用磁流变液体作为半主动悬架系统减振器的减振液的主要因素。其最主要的问题是实现电源以及降低减振器内液体紊流产生的噪声十分困难。3.4减振器驱动方式可控减振器驱动方式有转阀方式、旁路阀方式、压电驱动方式、磁场控制的磁流变方式和永磁直流直线饲服电机驱动方式等。转阀方式是由控制器单元发出的信号经处理驱动步进电机从而驱动转动阀转动，改变减振器阻尼孔的大小，产生符合系统要求变化的阻尼力。旁路阀方式是由电磁阀根据控制器单元发出的信号开关打开磁阀相当于在油路中增加一个节流孔，从而改变总的阻尼孔的面积，产生符合系统要求的有级变化的阻尼力。压电驱动方式是在减振器的活塞杆内，安装压电执行器和压电传感器。压电执行器由88个压电元件叠加而成，在直流电压作用下压电元件会伸长，该位移经位移放大室放大到可以打开转换阀，形成分流油路，从而获得小阻尼。利用压电传感器可将前轮减振器检测到的路面情况传给电控单元，控制后轮减振器的阻尼。磁场控制的磁流变方式是利用电控单元发出的电压或电流信号控制磁流变减振器内变压线圈产生高压实现对阻尼的连续无级调节。永磁直流直线饲服电机驱动方式则是由直线饲服电机直接实现直线运动控制。电机驱动效率高、响应迅速、灵敏度高、随机性好、控制稳定。目前，永磁直流直线伺服电机在航天飞行器中应用广泛应用，其驱动性能优于液压执行机构。