汽车减震器设计.docx

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汽车减震器设计

摘要减振器是汽车悬架系统的一个重要组成部件，特别是磁流变减振器，其良好的阻尼可调性，技术发展与理论研究早已引起了人们的广泛关注.本论文对减振器及其试验进行了分析和概述，根据国家机械工业部标准的要求选取了传感器、试验台，减振器等试验部件和设备。

主要任务是设计一个减振器试验台，试验台结构简单，拆装方便，便于采集信号进行磁流变减振器的阻尼特性试验，文中主要对立柱、横梁、托盘等重要部件进行了多次的改进和分析，同时对横梁及其连接螺栓、圆柱销等重要部件的受力进行了校核。

设计采用力传感器和位移传感器采集信号，通过计算机对信号进行处理得出磁流变减振器的示功特性、速度特性、温度特性等特性曲线。

该减振器试验台同时可进行四分之一悬架试验。

关键词：

试验装置；磁流变减振器；阻尼特性；

1汽车悬架及减振器

1．1汽车悬架系统的概述,,,,,,,,,,,,,,,,1

1．2汽车悬架的分类,,,,,,,,,,,,,,,,,,1

1．3减振器的概述,,,,,,,,,,,,,,,,,,3

1．3．1被动液阻减振器技术的发展,,,,,,,,,,5

1．3．2可调阻尼减振器技术的发展,,,,,,,,,,7

1．4磁流变减振器,,,,,,,,,,,,,,,,,,10

1．4．1磁流变液及其特征,,,,,,,,,,,,,11

1．4．2磁流变减振器的工作原理,,,,,,,,,,12

1．4．3磁流变减振器的构造及工作示意图,,,,,,14

1．4．4磁流变阻尼器在悬架系统中的应用和发展情况,16

2．磁流变减振器试验

2．1汽车振动系统对减振器特性的要求,,,,,,,,,19

2.2磁流变减振器试验内容和意义20

2．3磁流变减振器试验方法及试验系统,,,,,,,,,23

2.3.1示功试验23

2.3.2速度特性试验,,,,,,,,,,,,,,,24

2.3.3温度特性试验25

2.3.4试验系统26

3．实验装置的设计

3．1振动台等设备的选取,,,,,,,,,,,,,,27

3.1.1减振器,,,,,,,,,,,,,,,,,,27

3.1.2振动台,,,,,,,,,,,,,,,,,,27

3.1.3力传感器,,,,,,,,,,,,,,,27

3.1.4导轨的选用,,,,,,,,,,,,,,,,30

3.1.5位移传感器,,,,,,,,,,,,,,,,30

3.1.6螺栓及螺钉,,,,,,,,,,,,,,,,31

3．2立柱的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,323．3托盘的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,33

3．4横梁的设计及校核,,,,,,,,

,,,,,,,34

JJJJJJJJ■

3.5圆柱销的设计及校核,,,,,,,

,,,,,,,37

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3.6整体的装配,,,,,,,,,,,

,,,,,,38

结

论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

5555555555555555555555

39

致

谢,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

SJ5555555555555555555555

40

参

考文献

41

1汽车悬架及减振器

1．1汽车悬架系统的概述

悬架是车架与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称。

它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架上以保证汽车的正常行驶。

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都由弹性元件、减振器、和导向机构三部分组成。

由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击将达到很大的数值。

冲击力传到车架和车身时，可能引起汽车上机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤

为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架与车桥之间作弹性联系。

但在弹性系统受到冲击后，将产生振动。

持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。

故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减。

为此许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减振器。

1．2汽车悬架的分类

在传统的悬架系统中，其刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，根据这些参数设计的悬架结构，在汽车行驶的过程中，其性能是不变的，也是无法进行调节的，使汽车行驶的平顺性和乘坐的舒适性受到一定的影响。

所以传统的悬架系统被称为被动悬架。

如果悬架系统的刚度和阻尼特性能够根据汽车的行使条件（车辆的运行状况和路面状况等）进行动态自动适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态，这称为主动悬架。

主动悬架按其是否包含动力源可分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类。

（1）全主动悬架

全主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状态，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。

它是在被动悬架（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控作用力的装置。

通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）。

测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。

控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。

能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

（2）半主动悬架

半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼，因此它无动力源且只由可控的阻尼元件组成。

由于半主动悬架结构简单，工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架相近的性能，故有较好的应用前景。

半主动悬架按阻尼级又可以分成有级式和无级式两种。

a．有级式半主动悬架它是将悬架系统中的阻尼分为两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择悬架所需要的阻尼级。

也就是说，可以根据路面条件（好路或坏路）和汽车的行驶状态（转弯或制动）等来调节悬架的阻尼级，使悬架适应外界环境的变化，从而可以较大幅度地提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。

半主动悬架中的三级阻尼可调减振器的旁路控制阀是由调节电动机来带动阀芯转动，使控制阀孔具有关闭，小开和大开3个位置，产生3个阻尼值。

该减振器应用于OPELSENTOR和OPELGA轿车上。

b•无级式半主动悬架它是根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内有最小变到最大进行无级调节。

图1.1所示为一种无极半主动悬架示意图。

微处理器3从速度、位移、加速度等传感器处接受到信号，计算出系统相适应的阻尼值，并发出控制指令给步进电动机2，经阀杆4调节阀门5，使其改变节流孔的通道节面积，从而改变系统的阻尼。

该系统虽然不必外加能源装置，但所需传感器较多，故成本仍较高。

1.3减振器的概述

为加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车行驶的平顺性，在大多数汽车的悬架系统内部都装有减振器。

减振器和弹性元件是并连安装的（图1.2）。

图1。

2减振器和弹性元件的安装示意图

1-车架；2-减振器；3-弹性元件；4-车桥

减振器工作的基本原理是利用阻尼消耗振动过程中产生的能量。

汽车

减振器是利用小孔节流的流体阻尼技术来实现悬架系统的减振特性，称为液力减振。

从阻尼物理现象上区分，阻尼产生的机理有5类，即:

工程材料

的材料阻尼、流体的粘滞阻尼、结合面阻尼与库仑摩擦阻尼、冲击阻尼和磁电效应产生的阻尼。

悬架中的阻尼主要有摩擦阻尼和粘滞阻尼两大类，钢板弹簧叶片之间的相对运动产生摩擦阻尼，这种阻尼不稳定，阻力的大小不便于控制，尤其在好路上行驶，路面不平产生的动载很小，不足以克服叶片之间的摩擦时，会产生“锁止”现象，此时平顺性变差，因此近年来悬架设计中都力求减少钢板弹簧叶片间的摩擦量，采用液力减振器的粘滞阻尼，特别是轿车悬架基本全部采用此类减振器。

液力减振器的作用原理是当车架与车桥作往复相对运动时，而减振器中的活塞在缸筒内也作往复运动，则减振器壳体内的油液边反复的从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一个内腔。

此时，孔壁与油液间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，然后散到大气中。

减振器阻尼力的大小随车架与车桥（或车轮）的相对速度的增减而增减，并且与油液粘度有关。

要求减振器所用油液的粘度受温度变化的影响尽可能小；且具有抗气化，抗氧化以及对各种金属和废金属零件不起腐蚀作用等性能。

减振器的阻尼力越大，震动消除得越快，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。

为解决弹性元件与减振器之间这一矛盾，对减振器提出如下要求：

1）在悬架压缩行程（车桥与车架相对移近的行程）内，减振器阻尼力应较小，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（车桥与车架相互远离的行程）内，减振器的阻尼力应大，以求迅速减振；

3）当车桥（或车轮）与车架相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道截面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免受过大冲击载荷。

目前汽车悬架减振器应用最多的是筒式液阻减振器，它能够有效的衰减悬挂质量与非悬挂质量的相对运动，提高汽车乘坐的舒适性，行驶的平稳性和操纵稳定性。

筒式液阻减振器同时还用作转向系减振器以及驾驶室、驾驶员座椅、发动机罩等部件的减振装置。

随着汽车性能要求的不断提高，

筒式液阻减振器的结构和性能亦不断得到改进和提高。

在传统被动式减振器技术发展和完善的同时，能够适应不同行驶工况而调节其工作特性的机械控制式可调阻尼减振器、电子控制式减振器以及电流变液体、磁流变液体减振器技术也获得了快速发展。

作为筒式液阻减振器技术的重要内容，其设计开发技术也正经历着由基于经验设计一实验修正的传统方法向基于CAD技术的现代设计开发方法的转变。

随着硬件性能和计算分析能力的提高，在设计阶段预测减振器的性能并进行优化设计已成为可能，这对于提高汽车筒式液阻减振器产品的设计开发效率、缩短开发周期具有重要意义

1．3．1被动液阻减振器技术的发展国外早在一百多年以前就开始了对减振器的研究，并由Truffault发明的一种由青铜和浸油的皮革组成的摩擦片式系统，摩擦片由锥形盘式弹簧压紧，并由两个控制臂来控制运动过程。

到1901年，Horock奠定了现代减振器的基础，并申请了一个筒式液力机构的专利。

后来Renault对此机构进行了改进，并申请了活塞对置式液力元件的专利，这在很大程度上确立了现代减振器的设计形式。

到了20世纪30年代早期，尽管摩擦式减振器在当时仍是实际应用中的主要形式，但英国Monroe公司就已经开始了生产筒式减振器。

1947年，Koning研制了一种可调式筒式减振器。

Carbon于20世纪40年代末期曾经设计出一种“气压式”单筒减振器，于1950年作为商品开始投产，并在当时的车辆减振器应用中曾一度保持优势。

被动式液阻减振器是汽车最广泛采用的减振器，改善其性能和结构一直是汽车减振器技术发展的主要课题。

国际上先后提出了大量有关减振器结构设计的专利，促进了减振器技术的进步。

筒式液阻减振器最初采用双筒式结构，如图（1.3）所示，该结构目前仍是悬架减振器中最常见的形式，其优点是工艺简单、成本低廉，缺点是散热困难，且安装角度受到限制。

双筒式减振器发展初期不在补偿室内设置背压，在复原行程中油液依靠其自身重力和压缩室负压由补偿室流人压缩室。

这类减振器的显著缺点是在高速工况下会出现补偿室向压缩室充油不及时的问题，从而导致减振器工作特性发生畸变，不但影响减振效果，还会导致冲击和噪声。

因此，20世纪50年代发展起了充气减振器技术如在

双筒式充气减振器的补偿室内充人低压气体（0.4MPa一0.6MPa）,提高补偿室的补偿能力，减振器的临界工作速度相应提高。

充气技术的发展也导致了减振器结构上的重大变化。

20世纪50年代单筒式充气减振器技术蓬勃发展起来，它采用了浮动活塞结构，在浮动活塞与缸筒的一端之间形成的补偿室内充人一定量的高压（（2.0MPa一2.5MPa）

氮气，压缩室内油液体积的变化由这部分气体补偿，其典型结构如图（1.4）

所示。

与双筒式减振器相比，单筒充气式减振器的质量显著减轻，安装角度不受限制，但其制造精度要求和成本较高。

图1.3双筒式减震器

1-活塞杆导向座；2-回流孔；3-活塞杆油封;4-防尘罩;

5-活塞杆；6-工作活塞；7-工作缸筒;8-外筒；9-底阀座

图1.4单筒式充气减振器

1-伸张阀；2-缸筒；3,12-吊环；4-补偿室；

5-浮动活塞；6-压缩室；7-工作活塞；

8-压缩阀；9-复原室；10-活塞杆油封；11-活塞

在发展单筒式充气减振器技术的同时，单筒式非充气减振器也得到了广泛应用，其补偿室的压力由橡胶皮囊或螺旋弹簧提供。

单筒式非充气减振器的阻尼力值一般较小，较少用作悬架减振器，而被广泛用作轿车的转向系减振器，通常水平安装。

1．3．2可调阻尼减振器技术的发展

到了70年代，随着越野车和SUV等运动型汽车和普及和发展，以及汽车悬架电控系统的日益完善，对减振器也提出了新的要求。

于是，人们开始对可调减振器性能认识的进一步深入，各种各样减振器技术不断涌现，不过其主要焦点集中在控制节流孔流量的变化方面:

（1）用各种各样的流量阀人工调节节流孔流量,以便司机根据路况实现舒适工况、中等工况、运动工况三级调节,后来又发展到将阻尼分为更多级,这样可以扩大选择的范围.但这无疑给操纵安全性带来负影响；

（2）利用一些辅助零件调节节流孔的数量,如在空心活塞杆上做出一系列径向节流孔，然后在活塞杆外或内增加辅助套筒或转动套杆,以便在减振器行程中,使起节流阻尼作用的节流孔数目发生变化，从而自动调节阻尼力的大小。

20世纪80年代以来,计算机技术在汽车工程领域得到了广泛应用,特别是高级轿车的智能化发展,光电传感器及超声波传感器在汽车技术发展方面发挥了巨大作用,从而实现减振器特性智能化可调和实时可调,有力地解决了汽车乘坐舒适性与操纵安全性的矛盾。

到目前为止,可调阻尼减振器形式有很多种,如涡流式减振器、应变感应式减振器、频率感应式减振器、压电阻TEMS式减振器、磁流变体可调阻尼减振器、电流变体可调阻尼减振器、节流口可调阻尼减振器等。

我国学者主要致力于后三种阻尼可调减振器的研究，特别聚焦在减振液粘度的可调性方面。

根据日本Bridgistone公司的研究材料介绍，电流变液体的粘度在几毫秒内即可随高磁场电压变化即迅速改变或恢复。

正是电流变流体这样一种在电解液（如硅酮）中高极化微质点的悬浮体,使得可调减振器阻尼特性随工况智能变化成为一种可能。

德国巴依尔公司在1995年对采用能改变减振度的电流变流体减振器进行了首次试验，由于采用了相应的传感器，便能直接分析路基情况，并在随后的0.0015s内调节减振器的特性，以满足路况要求。

近年来我国学者曾利用磁流体作为减振液通过控制磁场强度也达到调整减振器特性的要求，研究表明，以磁流体为减振液的阻尼调节性能较电流变流体的调节性能好，但目前这两种方式都没能做出经济实用的、令人接受的产品模型,仍都处于研制阶段。

从控制方式上可调阻尼减震器可以分为机械控制式和电子控制式两类。

机械控制式可调阻尼减振器的控制方式简单，没有复杂的电控装置，附加成本低，工作可靠。

（1）机械控制式可调阻尼减震器机械控制式可调阻尼减振器的控制信号一般取自车轮载荷，其结构与悬架形式有关。

以德国Sachs公司生产的气压控制阻尼连续调节（PDC）系统为例，它利用空气弹簧内部的气体压力（与载荷有关）作为控制信号，通过调节控制阀的开启面积来改变减振器的阻尼特性，，其阻尼调解机构设置在减振器的外部，需要较多的空间，适用于商用车辆。

在轿车上一般采用调节机构内置式结构，通常在空心活塞杆内设置能够随空气弹簧内部压力改变而沿轴向移动的柱塞，由此改变节流阀开启面积，调节减振器的阻尼特性。

机械控制式可调阻尼减振器的控制信号是一个机械量，因此其调节机构一般与悬架弹性元件相集成，或者兼具有其他功能。

近年来发展了一种机械控制式车身高度调节系统，能够使得汽车在不同载荷的情况下保持相同的高度，同时改变悬架的弹性特性和阻尼特性。

该系统不需要专门的能量供应装置，仅利用车轮相对于车身运动的机械能作为能量来源，其核心机构是一种增加了泵油机构、高压气室等的悬架减振器，主要由高低压气室、浮动活塞、活塞感及活塞总成、泵油室及泵油阀等组成，如图（1.5）

所示。

当轴荷增加时，活塞杆受到压缩而相对于外筒向内缩进一段距离；在汽车行驶过程中，活塞杆相对于外筒做相对运动；在复原行程，低压储液室内油液经下方的泵油阀进入泵油室；在压缩行程，泵

油室内油液经上方的泵油阀进入与高压气室相通的高压储液室，在高压油液的作用下活塞杆向外伸出，从而使得车身升高。

如果车身高度超过设定值，高压储液室内油液则经过旁

通阀（图中未标出）流入低压储液室，使车身高度降低，直到设定值。

这种减振器的阻尼特性是与载荷有关的一部分阻尼力由油液流经活塞上的阀片产生，另一部分由油泵作用产生，后者与载荷有关。

图1.5具有车身高度调节功能的机械控制式阻尼可调减振器

1-泵油阀；2-泵油室；3-高压气室；4-油气接触面；

5-阀片；6-泵油杆；7-气泡；8』氐压储液室；9-浮动活塞；

（2）电子控制式可调阻尼减振器

采用电控技术调节阻尼特性的筒式液阻减振器的调节机构通常由传感器、控制装置、以及执行装置等组成，阻尼既可以分级调节，也可以连续调节，通常是由电控执行器改变改变节流阀通流面积，调节减振器的阻尼特性。

由传感器采集的信号包括车速、转向盘转角、节气门开度、制动管压力或纵向加速度等。

这种系统通常在驾驶室内设置驾驶风格选择装置，系统根据驾驶员选择的不同风格按软、中、硬三级或软、硬两级转换阻尼特性。

阻尼调节机构可以室内知识，也可以是外置式，轿车上多采用内置式结构。

目前阻尼分级调节的电子控制式减振器使用的较多，其执行器一般采用置于减振器上方的步进电机。

步进电机的旋转带动空心活塞杆内部的转子阀旋转，从而改变转子阀截流孔与活塞截流孔之间的节流面积以实现阻尼特性的转变。

对于阻尼分级调节的减振器，转子阀的位置在短时间内改变往往会产生冲击，导致阻尼力出现不连续的问题。

电控式液力型减振器发展的理想目标是实现对阻尼的连续调节，目前已有这样的产品推向市场。

采用电子控制悬架减振器可以有效防止汽车加速、换挡和制动使车身的纵倾以及转弯时的侧倾，改善汽车低速行驶时的舒适性，并保证汽车高速行驶时具有良好的车轮-地面附着性能。

除悬架减振器外，某些转向系减振器也采用了电子控制装置可适应不同行使工况的需要，其控制信号一般包括车速和转向盘转角。

（3）电流变和磁流变减振器

电流变液（ElectorheologicalFluid,简称ERF）和磁流变液（MagnetorheologicalFluid,简称MRF）都是悬浊液，于20世纪40年代分别由美国人W.Winslow和J.Rabinow发现，此后的研究重点是ERF的特性及应用。

近年来提高ERF强度和稳定性的研究遇到困难，对MRF的研究进一步受到重视。

国外80年代末就开展了采用ERF作为工作介质的可调阻尼悬架减振器的研究工作，此后有关这方面的研究一直没有停止过。

90年代中期K.P.Nicholas等人一ERF悬架减振器样机进行的实车试验表明，采用这种新型阻尼连续可调的减振器能够降低车身加速度、车轮动载荷等指标从而提高汽车行驶的平顺性和行使安全性。

MRF减振器技术近年来也引起人们的广泛兴趣，90年代中期Lord公司展示过用于汽车座椅和悬架系统减振的MRF减振器。

这些技术目前尚不完全成熟，有关的研究正深入开展。

1．4磁流变减振器

由最近几年开发出来利用新型智能材料磁流变液体作为减振液的新型减振器，由于减振液粘性可调节，可实现阻尼无级变化，因而是一种非常有发展前途的可调减振器。

这种新型减振器的原理是基于阻尼介质的粘性可根据施加的磁场而调节。

通常磁场设置在连接减振器上下腔的通路上。

磁流变减振器结构简单，制造成本不高，且无液压阀的振动冲击和噪声，不需要复杂的驱动机构。

磁流变液体响应快，在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等方面有很好的性能。

在相同的功耗条件下，磁流变材料的剪切屈服应力是电流变材料剪切屈服应力的20~50倍，这样磁流变器件可以比电流变器件体积小得多。

另外，磁流变材料对杂质影响不敏感。

因而，磁流变减振器具有非常广阔的应用前景。

1．4．1磁流变液及其特征

磁流变液是一种可控流变流体，在外磁场的作用下，磁流变液能产生明显的磁流变效应（MagnetorheologicalEffect,简称MRE）,流体的粘度会急剧增大，屈服应力成倍增加，表现为类似固体的性质，而当撤除外加磁场的作用时,流体又恢复原来的流动性质,即在液态和固态之间进行快速可逆的转换,且这种转换是在毫秒量级的时间内完成的。

在该过程中,磁流变液的粘度保持连续,无级变化,整个转换过程极快,且可控,能耗极小,可实现实时主动控制。

磁流变液的研究是在电流变液的基础上发展起来的,由于磁流变液的剪切屈服应力比电流变液大一个数量级,且磁流变液具有良好动力学和温度稳定性,而电流变液存在高压安全性和杂质敏感性等问题,因而磁流变液越来越多的引起了研究者们的兴趣。

磁流变效应是磁流变技术的基础。

磁流变效应是指流体（一般指两相悬浮液为主的磁流变体）在外加磁场的作用下,其流动状态和流体的特性发生强烈的变化,甚至当外加磁场达到某一临界值时,流体停止流动达到固化;当去掉外加磁场时,流体又恢复到原来的状态,其响应时间仅为几毫秒。

磁流变效应具有下列特征：

1）在某磁场强度下,流体停止流动达到固化,当去掉外加磁场时,流体又恢复到原来的状态,这种效应实现了磁流变体液态和固态之间的转换。

2）在外加磁场的作用下,磁流