孙晓帮，闫丹丹，陈 双，潘鹏飞

（1.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000；2.辽宁理工学院工程技术学院，辽宁 锦州 121013）

1 引言

减振器是汽车悬架系统中的主要组成部分之一，由压缩、拉伸两个工作过程组成，压缩行程结束拉伸行程开始为压拉转换，拉伸行程结束压缩行程开始为拉压转换[1]。液压组件在工作过程中，当换向阀迅速换向、关闭时，会产生液压冲击，并且发生液压冲击时的冲击压力要远高于设备正常工作下的压力[2]。减振器作为液压组件在换向过程中会出现冲击[3]，将利用MTS试验台基于Ramp、Sine激励进行换向冲击试验，通过对比分析，证明减振器在换向时刻会产生冲击，并提出冲击评价指标[4]。这对于解决近年来日益凸显的汽车减振器异响、噪声、振动等问题具有实际意义。

2 减振器换向冲击的机理分析

2.1 换向过程分析

减振器换向冲击的结构简图，如图1所示。换向冲击的模型根据MTS试验台进行搭建。减振器的活塞杆上端进行球绞固定，系统下端采用曲柄连杆机构提供检测时所需激励。此系统在工作过程中，减振器的活塞杆保持固定状态，减振器缸体随系统给出的不同激励通过曲柄连杆机构上下运动。活塞杆底部与缸体底部距离最近时，压缩行程结束，如图1（a）所示。此刻，缸体将下移，进入拉伸行程，这一时刻为压拉转换；活塞杆低部与缸体顶部距离最近，拉伸行程结束，此刻，缸体将上移，压缩行程开始，这一时刻为拉压转换，如图1（c）所示。

图1 减振器换向冲击结构简图Fig.1 The Structure Chart of Revering Impact for Shock Absorber

2.2 换向冲击产生机理

减振器在换向过程中，会产生冲击，发生力的突变。液压阻尼元件减振器通过轮胎获取路面的激振情况，如式（1）所示。位移、速度的突变，会引起阻尼力的突变。

式中：F（N）—阻尼力；

C—阻尼系数；

V—（m/s）：速度

在压拉转换时刻，如图1（a）所示。压缩阀和流通阀迅速关闭，伸张阀和补偿阀迅速打开，油液的流速将发生突变，油液压力升高，发生阻尼力突变，形成换向冲击。同理，在拉压转换时刻，如图1（c）所示。伸张阀和补偿阀迅速关闭，压缩阀和流通阀迅速打开，油液的流速将发生突变，油液压力升高，阻尼力突变，形成换向冲击。此外，活塞和阀体等运动产生的质量惯性冲击和油液与缸体的之间的摩擦冲击也是减振器在换向过程中产生冲击的主要因素。

3 换向冲击试验研究

3.1 换向冲击试验激励分析

MTS 试验台的激励设置有 Sine、Ramp、Square、Dualratesine、sine on sine、ramp on ramp、Block几种激励方式。其中，Ramp信号的输入，如图2所示。

图2 MTS试验台Ramp激励信号Fig.2 The Signal of Ramp Incentive about MTS Testbed

Ramp激励的速度曲线，如图3所示。在进入下一个周期时，速度的方向急速改变，模拟的是一种“颠簸”路面，速度的突变。阻尼力与速度成正比关系，如式（1）所示。C为阻尼系数，Ramp信号可以使减振器的换向冲击以阻尼力突变方式体现出来。

图3 Ramp速度曲线Fig.3 The Velocity of Ramp Incentive

其中Ramp（三角波）的傅里叶级数展开式[5]，如式（2）所示。是多个Sine正弦信号的叠加。波峰和波谷处能将冲击放大，能更好的体现换向过程中出现的冲击问题，使冲击问题突出。

减振器MTS试验台，如图4所示。传统的减振器MTS试验大都采用Sine激励，换向冲击试验将在以往的基础上进行创新，采用ramp激励进行实验，并且将两种激励的实验结果进行对比分析，证明减振器在换向冲击的过程中会产生冲击。

图4 MTS试验台Fig.4 The Testbed of MTS

3.2 参数设置

在进行减振器换向冲击试验之前，需要对MTS试验台进行参数设置，如表1所示。

表1 性能参数设置Tab.1 Performance Paramenters Setting

因变量频率、速度、振幅的设置，如表2所示。在参数设置中，换向冲击试验中数据采集为一个循环中200个采集点为标准，也可以随试验的具体要求而定，适当增加或者减少采集点数量，完成试验。

3.3 换向冲击试验对比分析

减振器的特性分为内特性和外特性，其中外特性用速度曲线和示功图表示。某品牌减振器利用MTS试验台基于sine激励的示功曲线，如图5所示。速度为0.6m/s、0.9m/s、1.2m/s速度下的F-S 示功图，如图 5（a）所示。速度为 0.6m/s、0.9m/s、1.2m/s速度下的F-V速度曲线图，如图5（b）所示。

表2 变量设置Tab.2 Dependent Variable Setting

图5 基于sine激励的F-S、F-V曲线Fig.5 The Force-Dispiacement Curve about the Sine Incentive

利用MTS试验台基于Ramp激励的示功图。速度为0.6m/s、0.9m/s、1.2m/s速度下的 F-S 示功，速度为 0.6m/s、0.9m/s、1.2m/s速度下的F-V速度曲线。通过观察sine激励和Ramp激励下的两组试验数据，可以看出基于Ramp激励的示功图、F-S速度曲线，在位移最大和位移最小处，出现突变、振动。证明基于ramp激励的MTS试验台试验中在压拉转换和拉压转换时刻出现了明显的换向冲击。这对于研究减振器的换向冲击问题，以及由此引起的异响[6]和振动问题、车身稳定性、偏磨损问题有很大的作用。

4 减振器换向冲击特性及评价方法

4.1 冲击特性分析

4.1.1 基于示功图冲击分析

通过对基于Ramp激励下的各个速度下的F-S示功图、F-V速度曲线分析，得出结论：减振器在0.2m/s的速度、拉压转换时刻开始出现轻微的“冲击”，压拉转换处没有冲击出现。减振器在0.3m/s的速度时拉压转换、压拉转换时刻都出现“冲击”。且0.3m/s的大于0.2m/s的“冲击力”。

随着速度的递增，减振器在换向过程中的“冲击波”的变化规律：

（1）冲击力增加；

（2）冲击抖动的次数增加；

（3）“冲击波”逐渐恢复稳定，且降低的波形，如图7所示；

（4）冲击出现的位置“集中”，集中在最高、最低点；

（5）0.3m/s为减振器的开阀点，及减振器发生挠曲变形的顺序依次是槽片、圆片，速度再高是油液靠流通孔流出，产生阻尼力。

图6 1.2m/s速度基于Ramp激励下的冲击波Fig.6 The Curve of the Impact Baced on the Ramp Incentive

4.1.2 基于速度曲线的冲击分析

通过观察速度曲线图6（b）得出结论：

（1）图中的B点为“最低点”，减振器缸体与活塞杆距离最近的点，即压缩行程结束、拉伸行程将马上开始时刻，出现压拉冲击；

（2）图中的D点为“最高点”，减振器缸体与活塞杆距离最远的点，即减振器的拉伸行程结束、拉伸行程将马上开始时刻，出现拉压冲击；

（3）速度曲线下的“冲击波”也符合如图7一样的冲击波，且特性一致。

4.2 换向冲击评价方法

4.2.1 冲击强度

冲击强度为减振器在换向时刻后的阻尼力与在换向时刻前阻尼力的比值，如式（3）所示。通过对比正常工作状态下和换向时刻的阻尼力大小，减振器在换向的过程中，阻尼力会“骤降”、“骤升”[7]，经过换向冲击时刻后，开始进行衰减，持续一小段时间后，冲击趋于稳定[8]。减振器产品检验过程中，根据示冲击强度的冲击范围，可判别实测减振器是否满足要求。

式中：F换向后（N）—减振器换向冲击后的阻尼力；F换向前（N）—减振器换向前产生的阻尼力。

冲击强度表明减振器在压拉转换或者拉压转换时刻受到冲击的强弱程度。在速度为1.2m/s速度下的示功曲线上，压拉转换和压拉转换过程中出现“冲击波”，如图8所示。

图7 1.2m/s速度下基于RAMP激励的F-S曲线Fig.7 The Curve of F-S on 1.2m/s Based on Ramp Incentive

在1.2m/s速度下压拉转换和拉压转换的试验数据，如表3所示。从表3中可以看出在压缩行程结束、拉伸行程开始压拉转换时刻，行程在（-18.57064）mm和（-18.42509）mm两个位置出现了“骤然”的复原阻尼力增大，阻尼力激增了924.8883N，是-18.57064行程下的11.64倍；在拉伸行程结束、压缩行程开始拉伸转换时刻，行程在18.62178mm和18.50888mm压缩阻尼力也出现了“骤减”，增加了603.60163N、是18.62178mm行程下的10.78倍，因此压拉转换处的冲击强度大于拉压转换处的冲击强度。

表3 基于Ramp激励的换向冲击试验数据Tab.3 The Data of Reversing Impact Test Based on the Ramp Incentive

4.2.2 冲击次数

冲击次数为减振器在换向冲击开始到结束过程中“振动”的次数，表示冲击的稳定性。减振器换向冲击过程中产生冲击的放大图。横坐标为采集数据出现的点的顺序，在横坐标为9、11、14、17、19的点处出现了冲击，在压拉转换时刻出现了7次冲击；在横坐标为9、12的点处出现了冲击，在拉压转换时刻出现了2冲击，所以减振器在1.2m/s速度下压拉转换的换向冲击次数多于压拉转换时刻的换向冲击次数，在压拉转换处换向时刻不稳定。在换向冲击的试验研究中，阻尼力相对变化值低于40N的不计算在内。

4.2.3 冲击持续时间

在换向过程中减振器产生的冲击会持续一段时间，然后趋于稳定。在速度为1.2m/s速度下基于Ramp激励的阻尼力与各个数据采集点下的曲线图，如图8所示。由于实验误差，MTS试验台在1s内完成采集点的的数目为169，结合表3可知，压拉转换处17次采集到冲击出现，持续时间为0.1s；拉压转换处7次采集到冲击出现，持续时间为0.04s，减振器在拉压转换处的冲击较小，稳定性较好。

图8 1.2m/s速度下阻尼力折线图Fig.8 The Curve of Damp Force on 1.2m/s

5 结论

通过减振器换向冲击的试验研究，得出结论：在换向时刻，减振器会产生冲击，且换向冲击是一个“骤增”、“骤减”的时刻，是瞬态变化的，换向时刻结束后冲击以递减的趋势逐渐趋于正常工作状态；在此基础上，通过分析基于Ramp激励下的示功图和速度曲线图，提出了冲击强度、冲击次数、冲击持续时间三个评价指标评价减振器在换向过程中的冲击特性。换向冲击评价指标的提出对于解决减振器在换向过程中产生的异响问题、振动问题具有实际意义。