汽车悬架减振器研究现状与发展趋势

汽车悬架减振器研究现状与发展趋势

李代伟

中联重科股份有限公司，湖南长沙， 410200

摘要：汽车悬架控制系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题，开发具有安全、舒适和清洁高效、节能、智能控制悬架是车辆悬架系统发展的方向。悬架系统是汽车的重要组成部分之一。汽车悬架系统是指连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由弹簧、减振器和导向机构三大部分组成，其作用是传递车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的平顺行驶。而减振器主要作用正是衰减承载系统的振动，对汽车行驶舒适性有着不可或缺的作用

关键词：汽车悬架减振器发展趋势

前言：在汽车悬架中，如果只有弹性元件而没有摩擦或阻力元件，那么车身的振动将会永无休止地延续下去，使汽车的行驶平顺性和操纵稳定性变坏。因此，悬架设计必须考虑带有衰减振动的阻尼力。汽车悬架中广泛采用的阻尼元件是内部充有液体的液力式减振器。汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼力孔时的摩擦和液体的粘性摩擦就会形成振动阻力，将振动能量转变为热能，并散发到空气中去，实现衰减振动的目的。

一、汽车悬架减振器研究

1.根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。随着人们生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而达到乘坐舒适性的提高。其基本原理是：用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架，并根据簧载质量的加速响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以达到较好的减振效果。

半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大项。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架。有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。

2.有级可调减振器。

有级可调减振器阻尼可在2挡和3挡之间快速切换，切换时间通常为10～20ms。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。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”三挡之间变化。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变化方面有一定的局限性。

3.连续磁流变减振器。

连续磁流变减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的流通面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁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。液黏性调节使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、黏度等会发生显著的变化，将其作为减振液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的黏度改变，就可改变减振器的阻尼力。电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且元液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。但屈服强度小，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，易分离、沉降，稳定性差，对杂质敏感等。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：(1)设计一个体积小、重量轻、能任意调节的高压电源；(2)为保证电流变液体的正常工作温度，需有一个散热系统；(3)高压电源的绝缘与封装。电流变液与磁流变液的特性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，磁流变液体强于电流变液体。

（图1磁流变减振器基本结构示意图）

二、汽车悬架减振器现状与发展趋势

1.存在的问题。

目前，普通油液减振器中的被动液压减振器应用最广，价格实惠，但其适应性较差。基于电磁阀的半主动液压减振器，可以通过调节电磁阀实现阻尼可调，但失效保护性有待于提高。液压主动减振器虽然比被动及半主动液压减振器具有更好的适应性，但是具有成本高、结构复杂等缺点，而且由于附加储油缸导致减振系统体积和质量增加。

磁流变减振器是当前智能液体减振器中发展最好的一类耗能器。但磁流变液材料存在一些问题：磁流变减振器随温度变化阻尼变化大，可控特性会受明显影响，尤其是低温状态下的应用需要深入分析；磁流变液的沉降性与团聚性问题，仍需要进一步解决；传统自供电自传感磁流变减振器的能量采集器体积大、能量转换效率较低、结构复杂。在电磁阻尼减振器即无液体介质主动减振器方面：减振器的失效保护特性差，断电时减振效果变差；相对于直线电磁主动减振器，采用旋转电机方案需要传动装置；采用齿轮齿条传动机构相对于滚珠丝杠传动副而言，安装精度的要求较高，安装方式较为复杂。在馈能式主动减振器方面，直线电机传动效率高，但在馈能功率上明显小于旋转电机，旋转电机可以避免直线电机质量大、磁场强度不足的缺点，但传动装置的冲击影响需要降低。此外，现有的设计方案限制了主动耗能与能量存储之间的同步性，如何协调馈能和耗能需再进一步深入研究。

2.发展趋势。

随着材料及电控技术的不断发展，悬架减振器技术将会得到进一步发展，各种混合式多功能减振器将逐渐得到研究与应用。为了节省半主动和主动控制所需的能量，具有能量采集/馈能功能的半主动/主动多功能减振器会得到进一步研究和发展，图2所示为研究的主动执行减振器，在传统弹簧液压减振器下安装直线电机，与单纯使用液压减振器相比，提高了响应速度和舒适性，与电磁主动电机相比，改善了失效保护特性。Ding 设计了一种减振器，其集成了被动液压阻尼器和主动直线电机，同时也可以实现馈能，如图3所示。此外，减振器与空气弹簧的结合已得到应用。

（图2） （ 图3）

结束语：随着汽车悬架减振技术的不断发展，不同种类的减振器相继出现并得到一定的研究与发展。本文以减振器内介质作为分类标准，对不同种类减振器进行了综述分析，主要包括普通油液减振器、智能液体减振器和电磁阻尼减振器即无液体介质减振器。普通油液减振器又包括速度敏感与位移敏感减振器、基于电磁阀的半主动减振器和液压主动减振器。智能液体减振器中主要为电/ 磁流变减振器，并以磁流变减振器的研究最为突出。电磁主动减振器属于主动控制执行器。不同减振器均具有各自明显的优点，但也具有各自的劣势。随着电控技术的不断发展，具有能量采集和回收功能的半主动/主动多功能减振器、主动与被动液压减振器的组合型减振器、减振器与包括空气弹簧在内的非线性弹簧的组合型减振装置的发展有利于悬架控制技术的进一步提高和改善，且在未来具有较好的研究价值与应用前景。

参考文献：

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