1.3 液壓筒式減振器發展及研究狀況

1.3.1 液壓減振器發展狀況

液壓筒式減振器是汽車上最廣泛使用的減振器，起初采用較多的是搖臂式液阻減振器。第二次世界大戰期間，美軍吉普車上采用了筒式液阻減振器并在戰場上獲得成功，此后筒式液阻減振器很快成為主流產品。它具有工藝簡單、成本低、壽命長、質量輕等優點，主要零件采用了沖壓、粉末冶金及精密拉管等高效工藝，適于大批量生產。

節流閥結構和特性對減振器的特性有決定性影響。筒式減振器有三種典型的閥結構，分別為板閥式、滑閥式和彈性閥片式。其中，板閥式和滑閥式多用于早期轎車減振器，通過改變彈簧剛度和彈簧預變形量調節。有關文獻已對其節流特性進行了理論分析和實驗研究。這兩種閥的優點是結構簡單，工作可靠，但由于板閥較小的升程就會形成較大的流通面積，因此導致減振器速度特性呈軟非線性特性；而滑閥與導向座之間存在摩擦，導致閥運動響應滯后或不連續。

彈性閥片式節流閥的突出優點是，易于通過增減閥片數量和墊片等措施改變閥的節流特性；缺點是要求加工精度要求較高，使用過程中當閥片與閥座間存在雜質顆粒導致閥片關閉不嚴時，會造成減振器阻尼力的顯著下降。這種節流閥最初多用于賽車減振器，隨著制造技術的提高，目前已廣泛應用于現代轎車。

作為在汽車上應用最多的筒式減振器，其設計開發技術也正經歷著由基于經驗設計-試驗修正的傳統設計方法，向著基于CAD/CAE技術的現代設計方法轉變。但是據有關資料分析，先前，國內外尚無適合節流閥片精確設計的解析式，缺少準確、可靠的設計方法以及特性仿真模型，因此制約了現代設計技術的實現和應用。

1.3.2 節流閥片研究狀況

1.閥片變形研究

對于汽車減振器節流閥片的變形，國內外已經很多學者進行了大量研究。大多是利用有限元分析軟件，對閥片變形量進行數值分析。也有利用彈性力學原理，對閥片變形量進行分析研究，但是，只是通過閥片變形微分方程，利用邊界條件列出一個通解，只表示節流閥片可利用彈性力學原理進行分析研究，而不能達到能實際應用的程度，沒有創建一個可用于閥片厚度設計、變形計算的簡單、準確、實用的解析式，難以在實際閥片設計中應用。

當今，彈性閥片變形計算方法有兩種。一是利用《機械設計手冊》的最大撓度系數和計算公式，二是利用現代流行的有限元分析軟件，如ANSYS。其中，利用《機械設計手冊》根據閥片外半徑r_b與內半徑r_a之比r_b/r_a，查得閥片最大撓度系數和計算公式，可粗略地計算在一定壓力下閥片在外半徑r_b處的最大撓度。利用有限元分析軟件，首先根據閥片的結構建立仿真分析模型，然后對模型劃分有限元網格并施加載荷，最后利用仿真程序得到閥片變形量數值解。

以上兩種計算方法對于閥片設計計算各有缺點。對于《機械設計手冊》的最大撓度系數法，雖然具有計算解析式，可對閥片厚度進行粗略設計。但是，當實際閥片內、外半徑比值在手冊中沒有給出時，就難以準確查得最大撓度系數。同時，該方法只能計算閥片在外半徑r_b處的最大撓度，而實際閥片設計時需要計算在閥口位置半徑r_k處的變形量。

對于有限元分析軟件，雖然可以得到閥片在任意位置半徑r處變形量的數值解，且比《機械設計手冊》的最大撓度系數法精確。但是，由于該方法沒有閥片變形量計算的解析式，不能對閥片厚度進行設計，只能對給定結構閥片進行變形量數值仿真驗證。

因此，先前對閥片變形的兩種計算方法，都不能滿足對減振器參數進行精確設計、特性分析和仿真的要求。

2.疊加閥片研究現狀

汽車減振器節流閥片大都是利用多片節流閥片疊加，以滿足減振器不同的特性要求。疊加節流閥片與單片閥片相比具有很多優點。

先前，國內外已有學者采用有限元分析軟件對疊加閥片進行初步研究，并得到了有價值的結論，例如，疊加閥片不等于各疊加閥片厚度之和，疊加閥片變形量不能用單片厚度等于疊加閥片厚度之和的閥片代替，疊加閥片變形量與疊加順序無關等。

但是，這些研究沒有解決疊加閥片設計中的關鍵問題，不能滿足減振器實際設計和生產的需要，如多片閥片疊加的等效厚度問題、疊加閥片厚度和應力之間關系問題、設計厚度閥片拆分設計為疊加閥片問題及疊加閥片最大厚度問題等。目前，山東理工大學已對疊加閥片進行研究解決了上述問題，并建立了疊加閥片設計原則。

1.3.3 流體阻尼研究狀況

流體阻尼技術早已應用于很多領域，直到最近二三十年才在理論上形成新的學科。目前，流體阻尼的機理普遍被認為是耦連的機械結構和流體之間相對運動而耗損能量。小孔阻尼的能量損失實際包括了黏滯損耗和渦流損耗兩部分。實際上，減振器阻尼產生的環境非常復雜，引起阻尼特性變化的原因有以下幾點：

1）活塞上下表面對流體的壓力阻尼，活塞周邊與油缸之間的薄膜阻尼力。

2）小孔節流引起的黏滯阻力與壓力阻尼。

3）油缸壁與流體的黏滯阻尼，活塞桿壁與密封圈之間的密封阻尼。

4）特殊工況下活塞桿的振動引起的振動阻尼。

5）油液中的氣泡與渦流引起的功耗。

6）油路突然擴大、縮小以及改變方向所產生的局部阻力損失。

1994年，Koenraad Reybrouck所發表的論文標志著國外汽車減振器技術領域的理論研究最新動向。文中提出了處理減振器高非線性行為的一般方法，涉及一系列正弦激勵信號下阻尼力的測量，所提出的減振器模型對兩個問題作了解答：

1）行駛中汽車的行為不僅與減振器特性參數的大小有關，而且還與減振器特性曲線（示功圖）的形狀有關。

2）減振器阻尼力不僅是速度的函數，而且還是位移、加速度和溫度的函數。

但該減振器模型沒有考慮局部阻力損失，例如，油液流動方向改變、流道突然擴大和縮小等，同時，油液流動只考慮了紊流，沒有考慮在低速時的層流流動。因此，該模型限制了在低速度下的準確性，也限制了參數設計和特性仿真的準確性。

1.3.4 設計方法研究現狀

汽車減振器閥系參數嚴重影響減振器的特性，因此，國內外有很多學者一直致力減振器閥系參數設計研究。目前，減振器閥系參數設計方法有兩類。

（1）利用《機械設計手冊》提供的最大撓度系數和公式進行設計 利用開閥前速度點，根據節流壓力和流量之間的關系，對常通節流孔面積進行設計；利用開閥后速度點，對閥片厚度進行設計。減振器阻力特性是非線性的，不同速度點設計得到的參數值不同。因此，對減振器閥系參數大都是憑經驗確定一個速度點進行設計，先前，國內外對單個閥系參數只能實現單速度點設計。

（2）利用計算機和軟件對減振器進行計算機輔助設計（CAD）先前對節流閥片缺少精確設計的解析式，對減振器閥系參數缺少準確、可靠的設計方法，因此，也難以保證CAD軟件的準確性和可靠性，制約了現代設計技術的推廣和應用。

以上兩種設計方法存在的缺點為

1）所采樣的閥片變形計算公式是一個粗略計算公式，半徑和內半徑閥片不同時，最大撓度系數難以準確確定，對閥片變形量計算不準確。

2）利用該方法計算得到的是閥片在外半徑r_b處的最大撓度，不是閥片在閥口位置的變形量，而實際節流閥開度是由節流閥片在閥口位置的變形量所決定的，利用閥片最外半徑r_b處的變形量，代替閥口位置半徑r_k處的變形量，將對參數設計產生很大誤差。

3）阻尼力是非線性的，利用不同速度設計點得到的設計參數不同。即使對設計速度點進行調整，但是，當減振器參數發生變化時，速度點也將變化。

以上兩種傳統設計方法，因沒有閥片開度精確計算公式，沒有可靠的設計理論和方法，因此難以獲得準確、可靠的設計參數。