车辆悬架用筒式可调阻尼减振器研究动态

车辆悬架用筒式可调阻尼减振器研究动态

徐晓美1,曾才民2

(1.南京林业大学汽车与交通工程学院,江苏南京　210037;2.南京交通技师学院,江苏南京　210049)

摘　要:由于汽车在不同行驶工况下对减振器特性具有不同的要求,可调阻尼减振器一直是筒式液阻减振器技术发展的一个重要目标。文中基于当前车辆悬架用筒式减振器的两种阻尼力

调节机理,讨论了节流口面积可调减振器与减振液粘度可调减振器的研究动态,指出了当前可调

阻尼减振器研究中存在的问题,并展望了可调阻尼减振器技术的发展前景。

关键词:汽车;悬架;筒式减振器;可调阻尼

中图分类号:U463.33 文献标识码:A 文章编号:1671-2668(2009)04-0001-04

在车辆悬架系统中,减振器的主要功用是加速车架与车身振动的衰减,以改善车辆的行驶平顺性。从总体结构上看,目前应用于车辆悬架的减振器主要有两种基本结构形式,即筒式和叶片式。前者广泛用于常见的车辆悬架系统,后者则主要用于履带车辆悬架系统。

试验研究表明,悬架系统的理想阻力特性应该是阻尼力能随着使用因素(如道路条件、载荷)的变化而改变,即减振器的阻尼力应和悬架系统的参数有恰当的匹配关系。当悬架系统的某一参数发生变化时,减振器的阻尼力也应随之而改变,从而保证悬架系统具有良好的振动特性。

目前,车辆悬架用筒式减振器阻尼力的调节机理主要有两种:一是改变减振器的节流孔孔口面积;二是改变减振器的减振液粘度。随着汽车性能要求的不断提高,基于这两种调节机理的可调阻尼减振器技术得到了快速发展。

1　节流口面积可调减振器

20世纪70年代以来,随着汽车技术的发展以及人们对可调阻尼减振器性能认识的进一步深入,各种减振器技术不断涌现,当时的研究焦点主要集中于通过控制节流口面积大小来实现减振器阻尼力的调节。

减振器节流口面积大小的改变最初由驾驶员根据路况手动控制流量阀的启闭,从而实现阻尼力有级调节(两级或三级)。1975年,Margolis等人演示了阻尼力可“开关”控制的半主动悬架。1983年,日本丰田汽车公司在Toyota Soarer280GT型轿车上使用了微电脑控制的减振器阻尼可两级切换的“开关”式半主动悬架。1988年,日本日产公司Maxi2 mas轿车上使用的“声纳”式半主动悬架所配用的减振器具有“柔和”、

“适中”和“稳定”三种选择状态。

为能实现减振器节流口面积大小的有效控制,一些辅助零件被用于减振器以调节节流孔的数量。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,以使起节流阻尼作用的节流孔数目在减振器伸张与压缩过程中发生变化,从而自动调节阻尼力的大小。另外,还可通过开辟液压旁路改变总的节流面积来实现阻尼力的自动调节,如德国Sachs公司生产的St roke-Dependent减振器。

St roke-Dependent减振器通过缸壁上的凹槽(如图1所示)达到阻尼可调的目的。其结构是在保证工作缸缸壁强度的前提下,在活塞的中间行程段,于缸壁上加工一液压支路,使得此段活塞行程内的节流面积增大,阻尼力减小。此方法简单、可靠且有效。当活塞通过该位置时,油液除了可以从阀体中间流过以外,还可从加工的液压支路槽内流过。超过该位置时,油液只能从阀体上的节流孔通过,从而改变减振器的阻尼

。

图1　Stroke-Dependent减振器阻尼可变凹槽部分

电子控制节流口面积改变的可调阻尼减振器技术于20世纪80年代以来得到了快速发展。电控式可调阻尼减振器根据传感器检测到的汽车行驶状况

和道路条件的变化以及车身的加速度,由ECU根据控制策略发出脉冲控制信号实现对减振器阻尼系数的有级或无级调节。目前,阻尼有级调节的电控式减振器应用较多,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,从而改变转子阀节流孔与活塞节流孔的相对位置,进而改变活塞两侧腔室之间的节流面积以实现阻尼特性的转换。

有级可调减振器的结构及控制系统相对简单,但是它在适应汽车行驶工况及道路条件变化方面存在一定局限性。其未来发展关键是提出先进的阀技术,增加阻尼变化级数,缩短切换时间。但值得注意的是,减振器阻尼切换级数的增多,虽然扩大了阻尼选择的范围,但会给汽车操纵安全性带来一定的负面影响。

电控式可调阻尼减振器技术发展的目标是实现阻尼的连续调节,目前已有实车产品,如Sachs公司开发的CDC(Continuous Damper Cont rol)系统。目前,这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂,制造成本高。

2　液体粘度可调减振器

使用粘性连续可控的新型功能材料电流变液或磁流变液作为减振液,理论上可实现减振器的阻尼无级可调。电流变液与磁流变液的工作模式有三种,即流动模式、剪切模式与挤压模式,车用悬架减振器的工作模式通常为前两种以及它们的组合模式即混合工作模式。

1947年和1948年,美国人Winslow、Rabinow 相继发明了电流变液和磁流变液。在随后的几十年里,对磁流变液的研究一直处于停滞状态,很少有人注意到它的存在。而电流变液得到了广泛重视,并取得了很大的研究进展。国外在20世纪80年代末就开展了采用电流变液作为工作介质的汽车新型可调阻尼悬架减振器的研究工作。90年代中期,K. P.Nicholas等人以电流变液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,从而提高汽车的行驶平顺性和安全性。

图2是一种典型的电流变液减振器结构简图。电流变液减振器结合了双筒式和单筒式充气减振器的特点,内筒为工作缸筒,兼作高压电极;电流变液充满由活塞隔成的减振器上、下腔室,置于缸体外部,与工作缸下腔室相通的气室中充有一定压力的氮气;减振器内、外筒连接高压电源。在外加电场作用下,电流变液的流变性能(如剪切强度和表观粘度等)会发生显著变化。这样,通过改变外加电场的大小即可改变电流变液的粘度,从而改变减振器的阻尼力

。

图2　电流变液减振器结构简图

由于电流变液减振器的阻尼可随外加电场强度的改变而连续变化,无需设置高精度的节流面积可变的节流阀,因此其抗机械磨损性能大大提高,结构相对传统可调阻尼减振器更简单,且无液压阀的振动、冲击与噪声,不需要复杂的驱动机构。此外,电流变液减振器在一定的工作温度范围内具有较快的响应速度。试验表明,在最佳的工作温度范围内,电流变液减振器的性能调节响应速度可以达到5ms 或更小,完全可以满足汽车半主动悬架系统的实时阻尼控制要求。

但电流变液尚存在较多问题,如电流所致屈服强度小、零电场粘度偏高、工作温度范围不能满足实际需要。电流变液目前可达到的工作温度是-25～125℃,考虑到温度过低时导致减振器的响应滞后,温度过高时导致电流变液的粘度下降以及化学稳定性变差等因素,电流变液减振器的实际工作温度范围远小于此,而事实上在应用中电流变液的温度范围可能达到-40～120℃。因此,在电流变液减振器进入实用化阶段之前必须设法扩大其稳定工作的温度范围。此外,电流变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,对杂质也比较敏感,难以适应电流变液减振器长期稳定工作的需要。

基于以上原因,尤其是电流变液的剪切屈服强度提高幅度不大以及电源电压过高等问题一直无法解决,自1990年以来,磁流变液重新引起了研究者

们的兴趣。

图3所示为一种流动工作模式的磁流变液减振器结构简图,其结构与单筒式充气减振器极为相似。通过空心活塞杆中引出的导线控制电磁线圈中电流的变化,改变外加磁场强度的大小,从而改变工作活塞轴向孔隙中流过的磁流变液的粘度,实现输出阻尼力大小的变化。与电流变液减振器相比,磁流变液减振器的优点在于不需要特殊的高压供电装置,成本相对低,使用安全;化学稳定性优于电流变液,因此工作更加可靠;强度高于电流变液,减振器体积较小;工作温度范围为-40～150℃,宽于电流变液。但由于磁流变液多用铁基的弥散质,因此减振器质量较大;磁流变液减振器的响应时间比电流变液减振器长,这主要是因为磁流变液的磁化和退磁需要时间;此外,磁流变液的流变性能和稳定性还有待进一步改善

。

图3　磁流变液减振器结构简图

3　存在的问题及展望

对于节流口面积可调减振器,由于步进电机、调节芯杆等附加零件的存在,活塞杆的直径和减振器的长度增大,缩短了活塞的有效工作行程。为了满足活塞行程的要求,不得不增大安装空间。此外,对

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

而对于电流变液减振器,要使其响应迅速、工作可靠,必须做到以下几点:研究开发控制有效、实用简单、造价合理的控制器;设计一个体积小、重量轻、能任意调节的高压电源;配置散热系统以保证电流变液的正常工作温度;由于电流变液对杂质较为敏感,因此充装电流变液时要保证无污染;研制开发性能优良的电流变液;做好高压电源的绝缘与封装。

由于磁流变液在诸多性能方面均优于电流变液,磁流变液减振器无疑将成为未来粘度可调减振器的研究重点。磁流变液减振器目前所面临的主要问题如下:

1)磁流变液减振器的力学模型有很多种,由于磁流变效应的复杂性,目前还没有大家一致公认的磁流变液减振器力学计算模型。现有的力学计算模型主要有Bingham 模型、双粘塑性模型、Bouc -wen 模型、修正的Bouc -wen 模型、非线性滞回模型以及多项式模型等。在给定位移和电压(或电流)下,通过这些模型可以很容易求得减振器产生的力,但是它们都存在某些不足:有的力学模型虽然简单,便于数值处理,但是不能很好地模拟磁流变液减振器的非线性动态特性;有的力学模型能很好地模拟磁流变液减振器的非线性动态特性,但是模型由强非线性方程构成,参数过多,不便于数值处理,若给定位移和力,欲求电压(或电流)则非常困难和耗时。将这样的模型用于车辆半主动控制,会导致控制器设计复杂和控制滞后,而且有的模型可能只适用于相应结构的减振器。

2)目前有关磁流变液减振器的研究较多,但主要集中于主控线圈输入原始参数(如电流或电压等)与减振器输出参数(如示功图、阻尼力等)间宏观特性关系方面,而对于输入输出过程参数,即磁流变液减振器的内特性的研究却很少。油液耦合机理、液固界面效应及节流阻尼参数的有限元优化的研究未见相关报道,与可控技术实现的相关理论也有待进

一步探讨。

3)磁流变液减振器在长时间使用后的高温衰退现象必须引起高度重视。减振器温度的升高,改变了磁流变液的粘度以及磁场强度等性能参数,使减振器阻尼性能下降,即所谓的高温衰退现象。美国Nevada 大学机械工程学院和智能材料实验室的Faramarz G ordaninejad 和Darrell G Breese 对磁流变液减振器的温升问题进行的研究表明,温度变化将导致磁流变液减振器工作性能下降。因此,在设计采用磁流变液减振器的车辆悬架控制系统时必须考虑温度的影响,通过温度补偿方式消除磁流变液减振器的高温衰退现象。

4)快速响应是车辆半主动实时控制悬架系统的追求目标。根据LORD 公司发表的声明,对磁流变液施加磁场后,其流变响应时间不超过1ms 。因此,可以认为磁流变液装置的总响应时间不是取决

于磁流变液,主要是受电磁体的感应系数、电子驱动器件的外部电阻以及控制系统响应时间等因素的影响。目前对磁流变液减振器响应时间的研究仍处于现象研究阶段,主要通过外部特性研究其影响因素。要从根本上提高磁流变液减振器的响应时间,还需要与其内在特性研究相结合,通过仿真分析和试验研究,从结构设计上进行改进。

此外,减振器的密封、制造工艺性、建模技术以及互换性等问题,是所有筒式液阻减振器所共同面临的问题,仍需要进行深入的研究。

4　结　语

汽车是一个各部件间存在着不同程度耦合的复杂系统,对车用悬架减振器的研究,必须置于汽车这样一个大环境中,只有与车辆其他参数实现良好匹配的减振器才能获得较好的减振效果。

可调阻尼减振器中磁流变液减振器将是今后研究的重点,但是由于磁流变液的价格相对普通减振液而言较高,对控制系统的要求也较高,目前在车辆悬架上的应用仅限于国外工程车辆座椅悬架中和一些赛车、高级轿车的悬架上,国内尚未有在汽车上使用的成熟产品。因此,当前节流口面积可调减振器最有可能在国内车辆悬架上获得广泛应用,也应将其作为今后可调阻尼减振器的一项重要研究内容。

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(1).

收稿日期:2009-04-16

法国研制超低铂含量的燃料电池电极

法国M HS Equip ment SAS公司的下属M HS能源部门2009年6月9日宣布,其制造出了超低铂含量(0.1μg/cm2)的质子交换膜燃料电池电极。

该研究是在奥尔良大学的格雷米实验室进行的,利用磁控溅射技术,将铂喷射到其E-Tek 气体扩散层上。

铂的粒径、沉积结构及铂的重新分配都有利于氢气氧化还原反应效率的提高。质子交换膜燃料电池电极铂的用量如此之少,并且性能达到400mW/cm2。利用Nafion 212与Nafion 115膜分别做实验,相应的燃料电池的能量密度达到0.4W/cm2、0.25W/cm2。

除了性能的改进,这项技术的优势还在于成本及易于工业化生产。利用该项技术制造的第一批产品将被命名为“TP2L2”,铂的含量为20μg/cm2。

摘自:“中国汽车动态网”(2009-06-12)