4-1汽车减振器的选型设计.

汽车减振器的选型设计东风汽车工程研究院陈耀明2010年11月12日目录一、汽车减振器的作用和功能---------------------------41、减振器的作用--------------------------------------42、减振器的功能--------------------------------------4 （1）对自然振动--------------------------------------4 （2）对强迫振动--------------------------------------6二、汽车减振器选型设计的任务-------------------------8三、汽车减振器额定阻力和工作缸直径的选择-------------91、线性减振器的阻尼特性------------------------------92、实际减振器的非线性--------------------------------93、减振器示功试验的标准规范-------------------------104、悬架系统相对阻尼系数与减振器阻尼系数的关系-------115、计算额定阻力-------------------------------------126、选择减振器工作缸直径-----------------------------13四、验算悬架系统在各种工况下的振动特性--------------14五、减振器行程和长度的确定--------------------------141、减振器最大压缩（上跳）行程-----------------------142、减振器最大拉伸（下跳）行程-----------------------153、减振器的总行程和长度-----------------------------15六、减振器上、下端连接方式和安装角度----------------161、减振器橡胶铰接头的最大转角-----------------------162、减振器的安装角度---------------------------------16七、特殊结构的减振器--------------------------------171、带有反向限位的减振器-----------------------------172、阻尼可调的减振器---------------------------------17八、试验和使用验证----------------------------------18汽车减振器的选型设计一、汽车减振器的作用和功能1、减振器的作用减振器是一种粘性阻尼元件，它能产生与运动方向相反，与运动速度成比例的阻力。

2、减振器的功能减振器的阻力与运动速度的比值称为阻尼系数，在振动系统即悬架系统中它与簧载质量、弹性元件刚度等形成相对阻尼系数（又称阻尼比或非周期系数），对系统的振动起重要影响。

相对阻尼系数的功能主要有两方面：（1）对自然振动当悬架系统受到单一脉冲后，产生自然振动，减振器能使振幅衰减，而且系统的固有频率略为降低。

相对阻尼系数越大，两者的降幅越大。

对于单自由度的线性系统，衰减振动可用式（1）和图1表达：)sin(220αω+-=-t n Ae z nt ---------------------------------（1）可令式（1）中：d n ωω=-220 --------------------------------（2）称为有阻尼振动系统的固有圆频率。

从定义有：Mk n =2 ---------------------------------（3） 且M C =20ω --------------------------------（4） 又定义：Mk M C k n⋅=⋅==0022ωωψ ---------------------------------（5） 联立式（2）、（3）、（4）、（5），得：201ψωω-=d ---------------------------------（6） 式中 0ω 无阻尼振动系统的固有圆频率k 减振器阻尼系数M 振动系统簧载质量n 单位簧载质量的阻尼系数之半ψ 相对阻尼系数（阻尼比，非周期系数）从式（6）可见，相对阻尼系数ψ越大，系统的固有圆频率d ω越低。

当1=ψ时0=d ω，系统变为非周期运动。

当0=ψ时0ωω=d ，系统为无阻尼振动。

汽车悬架系统的相对阻尼系数比较小，一般为0.25～0.35，d ω比0ω只降低3%～6%，可以按无阻尼振动的固有频率式（4）来进行分析运算。

现定义两个相邻振幅1A 与2A 之比为减幅系数，即：)12(212ψπψ-==e A A d ---------------------------------（7）从式（7）可见，有阻尼振动系统的振幅是按等比级数衰减的，相对阻尼系数ψ越大，衰减越快。

对式（7）两边取自然对数，得：212ψπψ-=d l n解出：d l n 22411πψ+= ---------------------------------（8）只要测到衰减振动曲线上相邻二振幅之比d ，就可利用式（8）算出相对阻尼系数ψ。

国标GB/T 4783“汽车悬挂系统的固有频率和阻尼比测定方法”就是根据上述理论制订的。

（2）对强迫振动汽车行驶中，悬架系统实际上处在随机输入的强迫振动工况，通常用频率响应（幅频特性）来描述这种工况。

系统的相对阻尼系数增大，使共振区的加速度增益明显减小，但非共振区的增益却增大，反之亦然。

所以，减振器阻尼值对不同频域振动的抑制作用是不同的，应合理选择。

对于单自由度的线性系统，可以用式（9）和图2来描述其位移的幅频特性。

其纵坐标q z 称为簧载质量位移输出对地面位移输入的增益（放大因子），横坐标为强迫振动圆频率与固有频率的比值λ。

212222)2()1()2(1⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=ψλλψλq z ---------------------------------（9）在评价行使平顺性时，往往要分析加速度输出，即加速度的幅频特性。

同样，可以用式（10）和图3来描述。

[]212022202022)(4)(1)(41⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-+=''ωωψωωωωψωq z -----------------------------（10）图3的纵坐标qz''为加速度输出对地面位移输入的增益（放大因子），横坐标为强迫振动输入频率（以Hz计量），该案例设定系统固有频率πω4=，只对比相对阻尼系数ψ的影响。

对比式（9）、（10）可见，加速度的频率响应函数为位移的频率响应函数的2ω倍。

对于2质量的2自由度振动系统，相对阻尼系数的影响也是类似的，只是系统有两个固有频率，两个共振区。

对于簧载质量（车身）的加速度输出，主要的侧重点在分析低频共振区的振动，即悬架系统刚度和阻尼的影响。

二、汽车减振器选型设计的任务汽车减振器选型设计不进行减振器具体结构的设计，只对以下涉及选型的各项目进行设计：1、确定减振器的基本性能参数也就是确定减振器的阻尼系数，包括复原（拉伸）和压缩行程的阻尼系数。

一般只需确定若干特定速度条件下，特别是标准示功试验速度的复原阻力和压缩阻力，即所谓的额定复原阻力和额定压缩阻力。

2、核算悬架系统的振动特性即是计算相对阻尼系数的大小，并与推荐值对比。

3、确定基本的规格尺寸主要是：（1）工作缸直径；（2）行程及最大、最小长度。

4、确定杠杆比和安装角。

5、确定减振器上、下端的连接方式也就是选择吊环衬套式还是螺杆衬垫式，并校核相应的许用扭转角和偏转角。

6、反向限位减振器的选择。

7、阻尼可调式减振器的选择。

三、汽车减振器额定阻力和工作缸直径的选择1、线性减振器的阻尼特性理论上的线性减振器，其阻力与速度成正比：vF k -----------------------------（11） 式中：F 阻尼力，与运动速度方向相反v 减振器上、下接头相对运动速度，简称活塞线速度k 阻尼系数，对线性减振器，k 为常数2、实际减振器的非线性实际使用的减振器都是非线性的，主要反映在两个方面：（1）速度变化之后，特别是在卸荷阀开启前后，阻尼系数变化很大；（2）复原（拉伸）行程和压缩行程其阻尼系数变化更大（对于常用的双筒式减振器）。

因此，设计计算一般都采用分段、分级，按线性理论公式进行计算。

3、减振器示功试验的标准规范按照汽车行业标准QC/T 545所规定的下列条件进行示功试验：（1）减振器上、下端相对运动速度即活塞线速度为:近似的简谐波运动。

（2）试验温度：20±2℃。

（3）试验行程：s=（100±1）mm（即振幅为±50 mm）。

（4）试验频率：n =（100±2）cpm（次/分）。

试验结果如图4所示，左侧a)为阻力----位移特性，即示功图，封闭曲线内腔面积为减振器一个试验循环所消耗的功。

右侧b)为对应的阻力----速度特性，亦称为阻尼特性，曲线的斜率则是阻尼系数k。

按照简谐波的规律，已知振幅、频率，就可计算出峰值和谷值的活塞线速度。

图4是按照振幅（行程）不变，频率变化的示功试验来求出对应阻尼特性曲线的。

当然，也可以用频率不变，振幅变化的示功试验来求出阻尼特性曲线，如图5所示。

根据上述条件，可计算出在试验循环中，减振器活塞的最大线速度为：)(52.01064max s m ns v =⨯⋅⋅=-π -----------------------------（12）对应这个速度的复原阻力称为额定复原阻力，对应这个速度的压缩阻力称为额定压缩阻力，均可以从标准示功试验求到，即复原和压缩行程中的最大阻力值。

4、悬架系统相对阻尼系数与减振器阻尼系数的关系从线性振动理论的定义有：Mk M C k⋅=⋅=022ωψ -------------------------------（5） 式中：ψ 相对阻尼系数，或称阻尼比、非周期系数C 悬架刚度M 簧载质量0ω 悬架固有圆频率，M C f =⋅=πω20 f 悬架固有频率（Hz ）如果减振器安装位置对车轴或车轮有杠杆比，则：Mi k M C i k ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=022222cos 2cos ωααψ -----------------------------（13） 式中：ba i =为杠杆比 a 减振器下支点到铰接点的距离b 车轴或车轮到铰接点的距离α 减振器中心线对铅垂线的夹角5、计算额定阻力（1）选定期望的相对阻尼系数①对于摩擦较大的弹性元件，如钢板弹簧，取ψ=0.1～0.2； ②对于摩擦较小的弹性元件，如空气弹簧，取ψ=0.25～0.35；③行驶路面较好的取下限，反之取上限，山区使用可加大到ψ=0.5。