液压减震器发展及工作原理

一、减震器的发展历史

减震器从出现到今天已经有了100多年的历史，最早车辆的减震系统由弹簧构成，虽然弹簧可以减轻路面冲击，性能较可靠，但它容易产生共振现象。在1908年，世界第一台液压减震器研制成功，它用隔板将橡胶制成节流通道分为两部分，通过油液与节流通道摩擦，达到减震目的。之后，在20世纪30年代，摇臂式减震器得到普遍应用，工作压力在l0MPa 20MPa之间，但结构复杂、易损坏、体积大，最终被淘汰。二战之后，简式液压减震器取代了摇臂式减震器，其成本低，寿命长，但容易出现充油不及时的问题，若充油不及时，会影响减震效果，产生噪音与冲击。直到20世纪50年代，充气式减震器的出现解决了以上的问题，在双筒内充入低压

0．4MPa~0．6MPa的氮气可以解决充油不及时的问题。同时单筒式充气减震器也开始发展，其采用浮动活塞的结构，使充入的氮气形成2．0MPa2．5MPa的高压气体，性能优于双筒式减震器，而且质量轻、性能好，但其成本较高。

油压减振器是铁道机车车辆上的一个重要部件。由于机车车辆的车轮与钢轨面之间是钢对钢的接触，因此，车轮表面的不规则和轨道的不平顺都直接经车轮传到悬挂部件上去，使机车车辆各部分高频和低频振动。如果这种振动不经过减振器来衰减，就会降低机械部件的结构强度和使用寿命，恶化运行品质。油压减振器其性能优劣直接影响到行车的安全性和舒适性。尤其近年来我国铁路进入一个飞速发展时期，特别是在铁路跨越式发展政策的指引下，我国铁路将会进入一个全新的发展阶段。

二、减振器的基本结构大体相同，主要区别是：

( 1 )活塞的行程以及接头的安装尺寸不同；

( 2 )GS H、GYAW、G OH 3 种水平布置的减振器多了橡胶囊；

( 3 )GY AW、GOH的节流阀与另外3种不同。

基本结构见图4-1、图4-2 ，G S V、GS H、GYAW 图略。

1——上接头2——橡胶球较3——销轴4——防尘罩组成5——活塞杆6——防尘圈7——压盖；8——密封圈；9——油封圈；10——螺盖；11——0型密封圈12——密封圈13——活塞14——节流阀弹簧15——调节螺钉16——压缩阀（一）17——压缩阀（二）18——回油阀片19——回油阀座20——底阀座21——弹簧螺

盖22——底阀座弹簧23——底阀压缩阀24——油缸25——储油罐26——液压油27——拉伸阀（一）28——拉伸阀（二）29——导承

图4-1 一系垂向简振器

1——上接头2——橡胶球较3——销轴4——防尘罩组成5——活塞杆6——防尘圈7——压盖8——密封圈9——油封圈10——螺盖11——0型密封圈12——密封圈13——活塞14——节流阀弹簧15——调节螺钉16——压缩阀（一）17——压缩阀（二）18——回油阀片19——回油阀座20——底阀座21——弹簧螺盖22——底阀座弹簧23——底阀压缩阀24——油缸25——储油罐26——液压油27——拉伸阀（一）28——拉伸阀（二）29——卡环30——紧固带31——橡胶气囊

32——导承

图4-2 耦合减振器

三、作用原理

减振器的工作原理，下面以一系垂向减振器为例来加以说明。当拉伸运动时，活塞I3向上移动，油缸24上部油压上升．通过拉伸阀27、28压缩节流阀弹簧l4，使拉伸阀27、28下移．阀口打开，油通过阀口流入下腔。产生阻力由于上部活塞杆5占有一定的油的体积，活塞上升时，下腔的油量不足。产生负压使底阀座上的回油阀座l9上升,离开底阀座20，油从储油缸通过回油阀座l9与底阀座20之间的开口进入油缸24下腔补充油量。当压缩运动时，活塞l3向下移动，下部油压上升．一部分油通过压缩阀16 、17压缩节流阀弹簧 14 ，使压缩阀l6 、17向上移动，阀口打开，油通过阀口进入油缸上腔产生阻力}另一部分油通过底阀压缩阀23、压缩底阀座弹簧22，使底阀压缩阀23下移，阀口打开，油通过阀口进入储油缸25产生阻力。因此压缩阻力是由压缩阀16、17和底阀压缩阀23共同产生的。GPV、GSV、GSH3种减振器，其节流阀口采用柱面开口节流形式；而GYAW和GOH2种减振器．其节流阀口采用环状节流形式。

四、油压减振器阻力特性分析

1．液压减振器阻力特性的计算

液压减振器按照液流方向可以分为油液单向循环流动和双向往复流动 2种类型。它们的基本动作都是拉伸和压缩。当活塞杆相对于缸筒作拉伸和压缩运动时，内部的油液通过节流孔在流动的过程中产生阻力，耗散能量。

2.拉伸和压缩时的阻力介绍

减振器拉伸时，阻力计算简图如图1所示。对活塞杆处液流截面和节流孔处截面利用利方程可推导更为明显这表明垂向减振器安装方式在减小车辆垂向振动的同时，更能有效地抑制车辆的横向振动。

图3-1为安装横向减振器时车辆前后端平稳性指标的变化情况。从计算结果来看,安装横向减振器时,当阻尼系数小于100kN·s／m时，随着阻尼系数的增大，车辆前后端的横向平稳性指标显着下降，但垂向有所增大；当阻尼系数达到100kN·s／m时，继续增加阻尼系数各观察点的平稳性指标变化不大。

图3-1 安装横向减振器时车辆平稳性

（a）前端；（b）后端

表 1是同时安装横向和垂向减振器的计算结果。当横向和垂向阻尼系数达到M 时,车辆的横向和垂向平稳性指标同时明显下降。

表3-1 同时安装横向和垂向减振器时平稳性指标计算结果在车辆之间安装适当的横向和垂向减振器可明显减小由线路不平顺随机激扰所引起的列车振动响应。不管是垂向还是横向减振器都是在抑制车辆的横向振动方面更有效果。当横向和垂向减振器同时安装时，垂向振动也可以得到较好的抑制。出拉伸阻

力表达式为：（1）

式中：——活塞上部液流的截面积；

——液体的重率；

——孔口流量系数；

——节流孔面积；

——活塞运动速度。

上式表示拉伸阻力与运动速度的平方成正比，与节流孔面积的平方成反比。

减振器压缩时，计算简图如图3-1-2（b）所示。与拉伸时的情况相仿，同样由伯努利方程可得流经节流孔 1与 2 的流量公式：

（2）

压缩阻力的计算公式为：

（3）

式中：——活塞杆截面积；

——节流孔2处流量系数；

——节流孔2处节流面积。

比较式(3)与式(1)可见，如果拉伸和压缩的节流孔面积相同，则式(3)可表示为：

（4）

从上式可看出压缩阻力大于拉伸阻力。拉伸和压缩方向的阻力是不对称的，对于双向流动的减振器，要使拉伸和压缩方向的阻力特性对称，就必须分别设置拉伸和压缩时的节流孔面积。

图3-2(a)拉伸时的计算简图

(b)压缩时的计算简图

3.单向流动减振器的拉伸和压缩阻力

单向流动减振器的计算简图如图 3所示。与前面的分析相似，经过节流孔 1 的流量 Q 为：

式中：——活塞运动速度；

——活塞上部的油压截面积。

拉伸阻力为：

（5）

当减振器压缩时，活塞上的单向阀开启，底阀上的单向阀关闭，P=P，此时经过节流孔1的流量为：

式中：——活塞下部油压的截面积；

——活塞杆的截面积。

所以压缩阻力为：

（6）

由式(5)与式(6)可知，当时，，即当活塞杆的截面积等于压力缸的截面积的一半时，阻力有对称性。实际上，几乎所有的单向流动减振器都具有拉压对称特性。

图3-3单向流动减振器的计算减图

五、汽车液压减震器

减震器(orber) ，主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击。在经过不平路面时，虽然弹性元件可以过滤路面的震动，但弹簧自身还会有往复运动，而减震器就是用来抑制弹性元件跳跃震动的。减震器太软，车身就会上下跳跃，减震器太硬就会带来太大的阻力，妨碍弹簧正常工作。

汽车悬架所采用的减震器有液力减振器、充气式减振器、阻力可调式减振器等。其中，最为常见的是筒式液力减震器。

筒式液力减震器的工作原理是：减振器壳体内的油液，反复地从一个内腔经小孔隙流入另一个内腔，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内的摩擦按形成对振动的阻尼力，车身、车架振动的能量经摩擦转化为热能，由油液和减振器壳体吸收，然后散入大气中。

按其作用方式不同分为双向作用减振器和单向作用减振器两种。其中，双向作用减振器在压缩、伸张两行程中均起减振作用，而单向作用减振器仅在伸张行程中起减振作用。

双向作用筒式减振器:双向作用筒式减振器外面的钢筒是防尘罩，上部有一圈环与车架（车身）连接。中间的钢筒是储油缸，内部装有一定量的减振器油，下部有一圈环与车桥相连。最里面的钢筒是工作缸，内部装满减振器油。在工作缸的内部，通过与防尘罩和上部圆环制成一体的活塞杆，其底端偿固定着活塞。活塞上装有伸张阀和流通阀，在工作缸的下部的底座上装有压缩阀和补偿阀。为了使减振器能够满足工作要求，流通阀和补偿阀的弹簧相对比较软，较小的油压便可以打开或关闭。而压缩阀和伸张阀的弹簧相对比较硬，只有当油压增大到一定的程度时，才能打开；而只要油压稍有下降，阀门立刻关闭。

双向作用筒式减振器的工作过程如下：压缩行程时，此时减振器被压缩，汽车车轮移近车身，减振器内的活塞向下移动，下腔的容积减小，油压升高。大部分油液冲开流通阀流入上腔，由于上腔被活塞杆占去了一部分，因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积，于是另一部分油液就推开压缩阀，流回到储油缸内。油液通过阀孔时，此时减振器受拉伸，车轮远离车身，这时减振器的活塞向上移动，上腔油压升高，流通阀被关闭，上腔内的油开伸张阀流入下腔。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溶积，促使下腔产生一定的真

空度，这时储油缸中的油液推开补偿阀流进下腔进行补充。由于这些阀的节流就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得大于压缩阀，在同样力的作用下，伸张阀及相应的常通缝隙通道的载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道的

载面积总和，这使得减振器伸张行程产生的阻尼力大于压缩行程时产生的阻尼力，从而达到迅速减振的要求。

充气式减震器：是60年代以来发展起来的一种新型减震器。其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。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。

当轮上下跳动时，减震器的工作活塞在油液种做往复，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。

与双向作用筒式减振器相比，充气式减振器有结构简化、重量减轻、噪声小、阻尼更大、可靠性更高、不会出现液力减震器常出现的油乳化现象等优点。缺点是充气式减振器对油封要求高，充气工艺复杂、不易，当缸筒受外界较大冲击而变化时，则不能工作。

阻力可调式减震器：阻力可调式减震器的活塞杆空心有长缝，内有小活塞，上方有带膜片的气室。负荷重时，气室压缩，小下行关小缝隙，加强节流减震作用。

装有阻力可调式减震器的的悬架一般用刚度可变的空气弹簧作为弹性元件。其原理是，空气若气压升高，则气室内的压力也升高，由于的改变而使油液的节流孔径发生改变，从而达到改变阻尼刚度的目的。