4-1汽車減振器的選型設(shè)計

1、汽車減振器的選型設(shè)計東風(fēng)汽車工程研究院 陳耀明2010年 11月12日目錄20、汽車減振器的作用和功能1、減振器的作用 2、減振器的功能1）對自然振動2）對強迫振動二、汽車減振器選型設(shè)計的任務(wù)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2、實際減振器的非線性3、減振器示功試驗的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范104、懸架系統(tǒng)相對阻尼系數(shù)與減振器阻尼系數(shù)的關(guān)系115、計算額定阻力126、選擇減振器工作缸直徑13四、驗算懸架系統(tǒng)在各種工況下的振動特性14五、減振器行程和長度的確定141、減振器最大壓縮（上跳）行程142、減振器最大拉伸（下跳）行程153、減振器的總行程和長度15六、減振器上、下端連接方

2、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、試驗和使用驗證181）和圖1表達(dá)：（1）20n2t)汽車減振器的選型設(shè)計一、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)生與運動方向相反，與運動 速度成比例的阻力。2、減振器的功能減振器的阻力與運動速度的比值稱為阻尼系數(shù)，在振動系統(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阻尼系數(shù) （又稱阻 尼比或非周期系數(shù)），對系統(tǒng)的振動起重要影響。相對阻尼系數(shù)的功 能主要有兩方面：（1）對自然振動當(dāng)懸架系統(tǒng)受到單一脈沖后

3、，產(chǎn)生自然振動，減振器能使振幅衰 減，而且系統(tǒng)的固有頻率略為降低。相對阻尼系數(shù)越大，兩者的降幅 越大。對于單自由度的線性系統(tǒng)，衰減振動可用式（z Ae nt sin（J可令式（1）中:r2 2Vond稱為有阻尼振動系統(tǒng)的固有圓頻率。從定義有:c k 2n M(4)且2 C0 M又定義：nkk02jc M 2 0 M聯(lián)立式（2）、（3）、（4）、（5）,得:01式中無阻尼振動系統(tǒng)的固有圓頻率減振器阻尼系數(shù) 振動系統(tǒng)簧載質(zhì)量 單位簧載質(zhì)量的阻尼系數(shù)之半相對阻尼系數(shù)（阻尼比，非周期系數(shù)）從式(6)可見，相對阻尼系數(shù) 越大，系統(tǒng)的固有圓頻率低。當(dāng)d 0，系統(tǒng)變?yōu)榉侵芷谶\動。當(dāng)0時d 0 ,系統(tǒng)為無阻尼

4、振動。汽車懸架系統(tǒng)的相對阻尼系數(shù)比較小，一般為0.25-0.35,0只降低3%6%,可以按無阻尼振動的固有頻率式（4）來進行分析運算?，F(xiàn)定義兩個相鄰振幅Ai與A2之比為減幅系數(shù)，即:(7)從式（7）可見，有阻尼振動系統(tǒng)的振幅是按等比級數(shù)衰減的, 相對阻尼系數(shù) 越大，衰減越快。對式（7）兩邊取自然對數(shù)，得:解出:Jl 4只要測到衰減振動曲線上相鄰二振幅之比d，就可利用式（8）算出相對阻尼系數(shù)。國標(biāo)GB/T 4783 “汽車懸掛系統(tǒng)的固有頻率和 阻尼比測定方法”就是根據(jù)上述理論制訂的。（2）對強迫振動汽車行駛中，懸架系統(tǒng)實際上處在隨機輸入的強迫振動工況， 通 常用頻率響應(yīng)（幅頻特性）來描述這種工況

5、。系統(tǒng)的相對阻尼系數(shù)增 大，使共振區(qū)的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，減振器阻尼值對不同頻域振動的抑制作用是不同的, 應(yīng)合理選擇。對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)Zq稱為簧載質(zhì)量位移輸出對地面位移輸入的 增益（放大因子），橫坐標(biāo)為強迫振動圓頻率與固有頻率的比值1 （2 ）2 ?（1 2）2 （2 ）2- SSll1 厲 2魏率比,；I 心m 2位移的幅頻腎性在評價行使平順性時，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)1 4 2( 0)21 U 0)2 24 2( * 0)2

6、圖3的縱坐標(biāo)z/q為加速度輸出對地面位移輸入的增益（放大因 子），橫坐標(biāo)為強迫振動輸入頻率（以 Hz計量），該案例設(shè)定系統(tǒng)固有頻率04，只對比相對阻尼系數(shù) 的影響。對比式（9）、（ 10）可見，加速度的頻率響應(yīng)函數(shù)為位移的頻率 響應(yīng)函數(shù)的2倍。對于2質(zhì)量的2自由度振動系統(tǒng)，相對阻尼系數(shù)的影響也是類似（車身）即懸架系統(tǒng)的，只是系統(tǒng)有兩個固有頻率，兩個共振區(qū)。對于簧載質(zhì)量 的加速度輸出，主要的側(cè)重點在分析低頻共振區(qū)的振動， 剛度和阻尼的影響。二、汽車減振器選型設(shè)計的任務(wù)汽車減振器選型設(shè)計不進行減振器具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計,只對以下涉及選型的各項目進行設(shè)計: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

7、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 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)的振動特性即是計算相對阻尼系數(shù)的大小，并與推薦值對比。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:

8、(11)k 匸-v式中：F 阻尼力，與運動速度方向相反v減振器上、下接頭相對運動速度，簡稱活塞線速度k阻尼系數(shù)，對線性減振器，k為常數(shù)2、實際減振器的非線性實際使用的減振器都是非線性的，主要反映在兩個方面:(1)速度變化之后，特別是在卸荷閥開啟前后，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(對于常用 的雙筒式減振器)。因此，設(shè)計計算一般都采用分段、分級，按線性理論公式進行計 算。3、減振器示功試驗的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范按照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 545所規(guī)定的下列條件進行示功試驗:（1）減振器上、下端相對運動速度即活塞線速度為：近似的簡諧波運動。試驗溫度:20士 2C。試驗行程:

9、s= （100士 1） mm （即振幅為士 50 mm）。試驗頻率:n 二（100士 2） cpm （次/分）。試驗結(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試驗循環(huán)所消耗的功。右側(cè)b）為對應(yīng)卜gCIs* / m * 4的阻力一速度特性，亦稱為阻尼特性，曲線的斜率則是阻尼系數(shù)lOOmm理）b）國4 減報器陽一“位移特性和阻hM速痩彳VH:按照簡諧波的規(guī)律，已知振幅、頻率，就可計算出峰值和谷值的 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來 求出對應(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 功試驗來求出阻尼特性曲線，如圖 5所示。

10、51U 角科巧 p Vi Tt V| D*圖5同疋頻率改變振幅對應(yīng)的阻尼特性根據(jù)上述條件，可計算出在試驗循環(huán)中，減振器活塞的最大線速 度為:vmax(12)尹 10 40.52(ml)對應(yīng)這個速度的復(fù)原阻力稱為額定復(fù)原阻力，對應(yīng)這個速度的壓 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)相對阻尼系數(shù)與減振器阻尼系數(shù)的關(guān)系從線性振動理論的定義有:kk2jc M 2 0 M式中:相對阻尼系數(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，0 2 f島懸架固有頻率(Hz)如果減振器安裝位置對車軸或車輪有杠桿比，則:22I22(13)k i

11、 cos k i cos2jc M2 0 M式中:b為杠桿比減振器下支點到鉸接點的距離 車軸或車輪到鉸接點的距離 減振器中心線對鉛垂線的夾角5、計算額定阻力(1)選定期望的相對阻尼系數(shù)對于摩擦較大的彈性元件，如鋼板彈簧，取=0.10.2;對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9=0.5。上列系數(shù)以汽車滿載為條件，即M按滿載取值。(2)選定相關(guān)的計算參數(shù) 簧載質(zhì)量M取汽車滿載工況; 懸架剛度C或固有圓頻率0取滿載時的對應(yīng)值; 活塞線速度計算值取 QC/T 545標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的示功試驗的峰值速度,V Vmax 0.52%max 確定

12、減振器安裝位置的杠桿比i和安裝角(3) 求平均阻力參照式(11)，令k上丄，式（13）轉(zhuǎn)換為vmax(14)F 2 V maxM卜m722i COS式中:FmFr Fb2速度為Vmax時，復(fù)原阻力和壓縮阻力的平均值Fr速度為Vmax時的復(fù)原阻力，即額定復(fù)原阻力Fb速度為Vmax時的壓縮阻力，即額定壓縮阻力vmax標(biāo)準(zhǔn)示功試驗條件的最大活塞線速度，即Vmax 0.52%（4）求額定復(fù)原阻力和額定壓縮阻力令Fr q，則:frFm(15)FbFm(16)式中:q 拉、壓阻力比參照標(biāo)準(zhǔn)QC/T 491或樣本,也可按設(shè)計者意圖選取q值。一般q=2 5,個別的達(dá)到q = 10。6、選擇減振器工作缸直徑參照

13、QC/T 491標(biāo)準(zhǔn)或供應(yīng)商提供的樣本，根據(jù)式（15）、（ 16） 計算出的額定阻力值來確定工作缸直徑。一般以額定復(fù)原阻力為依據(jù)，額定壓縮阻力為參考。四、驗算懸架系統(tǒng)在各種工況下的振動特性上述減振器額定阻力的計算，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的對應(yīng)值所期望的相對阻尼系數(shù)， 按照運 動速度為臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)的等幅峰值速度而求到的。 汽車懸架減振器的實際工況是變化的，包括：1、載荷和剛度或偏頻的變化，至少有滿載、空載2 種。2、懸架跳動時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 個常用值（0.13、0.26、0.5

14、2 m/s）來校驗。可以從供應(yīng)商獲得幾種速度所對 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。也可在不同這樣，共有2X 3X2=12種參數(shù)應(yīng)代入式（5）或（13）,求到12 種相對阻尼系數(shù)。 可據(jù)此判別不同工況時減振器的效能， 車型之間對比，必要時應(yīng)重新修改設(shè)計。五、減振器行程和長度的確定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，其大小與懸減振器的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 最大壓縮行程也是由它決定。 應(yīng)該注意的是， 減振器的行程要計入杠桿比和安裝角的影響。對于非獨立懸架，如果左、右減振器的跨距和 限位塊

15、的跨距不同，側(cè)傾時行程會被放大或縮小，要計入這個差異。減振器的極限壓縮行程要比上述的計算最大行程多510 mm避免 減振器活塞桿被頂彎，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、杠桿等進行限位。對于這類懸架，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。 空氣懸架用減振 器的極限拉伸行程必須要小于折算

16、后的空氣彈簧允許的最大拉伸量，還要考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， 慮靜撓度大小， 一般在靜撓度達(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度1）減振器的總行程 =最大壓縮行程 +最大拉伸行程。減振器的最小長度 =總行程 +減振器基長（基礎(chǔ)設(shè)計長度） 。減振器的最大長度 =最小長度 +總行程=基長+2倍總行程。從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) QC/T491 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)計的基長， 就可以確定減振器的最小、最大長度。由于車型和減振器的品種越來越多以及技術(shù)進步， 已逐

17、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?？梢允莾啥送恍褪剑部梢允遣煌褪?。由于減振器伸縮時伴 有擺動，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1吊環(huán)襯套式螺桿襯墊式扭轉(zhuǎn)角士 15士 6偏轉(zhuǎn)角士 42、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，同時也為了減小由此引起的 減振器活塞側(cè)向力，對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

18、，一般W15，個別懸架允 許V 45,這種布置應(yīng)核對鉸接頭轉(zhuǎn)角。(2)半掛車或某些車型的隨動轉(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 油筒有特殊標(biāo)記，布置時標(biāo)記部位必須向上。3）減振器布置應(yīng)盡可能使下鉸接點運動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中心的連線。這時效率最高， 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。2）液壓節(jié)流。當(dāng)活塞被拉伸到最高點附近，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）