汽车减振器防尘耐久试验台架设计

韦江宁

(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州 545007)

0 引言

随着汽车工业的高速发展和人们生活水平的不断提高，用户对汽车的各项性能要求也越来越高。汽车零部件的试验验证既要满足汽车高效研发周期的要求，同时也要充分模拟用户使用的环境、工况、路况和操作方式，确保在试验验证阶段能及时发现问题，并解决问题，为汽车零部件的设计提供坚实的保障，最终让用户满意。

汽车减振器是汽车悬架系统中的关键零部件，对汽车行驶的平顺性和乘坐的舒适性起到至关重要的作用，目前汽车上广泛采用的是双向作用筒式液压减振器，存在减振器漏油、异响、失效等故障率较高的售后问题。为解决这些故障问题，文中设计了减振器的防尘耐久试验台架。该试验台架结构简洁，且试验费用低。

1 汽车减振器简介

汽车减振器是限制汽车车身振动的液压装置，其功能是当车身和车桥有相对运动时快速衰减其振动，防止车身过度振动，从而提高汽车行驶的平顺性和乘坐的舒适性。

1.1 汽车减振器工作原理

双向作用筒式液压减振器的工作原理如图1所示。汽车在不平坦的路面上行驶，车身与车桥做往复相对运动时，减振器中的活塞在缸筒内也做往复运动，则减振器缸筒内的油液便反复地从一个油腔经过不同的油阀孔隙流入另一个油腔内。此时孔壁与油液间的摩擦及液体分子的内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身的振动能量转化为热能，被油液和减振器缸筒吸收，然后散发到大气中。

图1 双向作用筒式液压减振器的工作原理

1.2 阻尼力F的计算

(1)

式中：为阻尼系数，阻尼系数与油阀通道截面积、阀门弹簧力、油液稀稠有关;

为减振器活塞杆运动速度，为0～10 m/s时取1;

为悬架系统垂直刚度;

为悬架的簧载质量。

减振器阻尼力越大，振动消除得越快，但会使得并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件和车架损坏。为了解决这一矛盾，减振器设计时有以下要求：①在压缩行程(车桥与车身相互移近的行程)时，阻尼力应较小，以便充分利用弹性元件的弹性来缓和冲击；②在伸张行程(车桥与车身相对远离的行程)时，阻尼力应大，以求迅速减振；③当车桥与车身的相对速度过大时，减振器应能自动加大液流通道截面积，使阻尼力始终保持在一定限度内，以避免承受过大的冲击载荷。

传统双向作用筒式液压减振器的外特性与行程不相关，车辆动力学性能与减振器内部结构、外特性关联度不高，是一种同时满足行驶平顺性和操控稳定性的折中方案。可调阻尼减振器在传统减振器的基础上做了改进，增加了特殊的旁通油道结构，使阻尼特性随行程增加而加大，既提高了车辆的乘坐舒适性又保证了操控稳定性。

1.3 示功试验

示功试验是将减振器一端固定，另一端做简谐运动或类似简谐运动时记录减振器两端相对位移与阻尼力关系的试验，这种记录位移与阻尼力关系的图形称为示功图。示功图封闭曲线所包容的面积，表示减振器在这个往复循环所消耗的功或称为衰减的能量。图2中虚线以上是向外做拉伸运动时产生的阻尼力，虚线以下是压缩运动时产生的阻尼力；虚线左侧为向内压缩时的位移，虚线右侧为向外拉伸时的位移。根据液压减振器的结构原理、循环油路及阻尼特性，在外界试验条件正确的前提下，可通过示功图判断减振器是否出现故障，并分析故障原因。

减振器的故障件和正常件示功图如图2所示。与正常件对比，故障件的伸张行程伸张力衰减严重，低速几乎没有阻尼力，压缩行程在低速时有阻尼力，但当速度小于0.52 m/s时衰减到300～400 N，已无减振功能。故障原因为油阀损坏，油液通过油阀通道无法形成设计要求的阻尼力，从而导致减振功能失效。

图2 减振器故障件和正常件示功图

2 减振器售后故障原因分析

减振器的售后故障问题主要表现为漏油、异响、功能失效。通过对故障件拆解分析，得出油封、油阀异常磨损是故障的主要原因之一。进一步分析油封、油阀异常磨损的原因，主要包括：汽车在变速、转向时，由于受车身惯性作用导致减振器活塞杆与筒体存在侧向力，在活塞杆上下运动时对油封、油阀产生偏磨；大气环境中的粉尘易附着在减振器活塞杆上，若减振器防尘性能不佳，活塞杆运动时易将粉尘带入减振器中，会加速油封、油阀的磨损。

3 试验台架设计目的

试验台架设计目的主要有以下两个方面：

(1)提高试验效率，将多个减振器集成在一起同时进行试验，满足高效研发周期的要求。

(2)按照用户的使用场景，结合减振器售后故障问题的原因分析，通过试验台架装置充分模拟减振器在汽车行驶时受到侧向力和粉尘环境中进行试验，实现对减振器的防尘耐久性能的充分验证。

4 试验台架设计

4.1 减振器的集成安装方式设计

如图3所示,按实车的安装状态，将多个减振器竖立平行安装，减振器采用上下铰链机构的安装方式，确保减振器有偏摆的自由度，避免减振器活塞杆动作时因平行度偏差导致卡死的情况。减振器活塞杆上端通过上铰链集成安装在安装架上，下端减振器筒体通过安装座安装在下铰链座上，下铰链座由螺栓固定在T型槽平台上，由作动器驱动实现多个减振器同时动作。

图3 减振器集成安装方式

4.2 作动器导向机构设计

如图4所示,作动器驱动多个减振器同时动作，因各个减振器尺寸、质量、活塞杆运动轨迹的差异性，以及安装架的制作、安装误差，作动器在动作过程中受力不均衡易偏摆造成损坏，因此采取滚轮导轨装置进行导向，在安装架侧向安装滚轮，由方箱固定导轨，作动器动作时滚轮在导轨上滚动实现导向，保护作动器的同时也确保作动器动作顺畅。

图4 作动器导向机构

4.3 粉尘装置设计

如图5所示，在减振器筒上粘贴安装透明的粉尘筒，向内添加粉尘，盖上粉尘筒盖防止粉尘在试验过程中溢出。合理设计粉尘筒确保粉尘在活塞杆与油封的间隙上堆积。该设计方案较实际的粉尘环境更为严苛，对减振器的防尘性能进行充分验证。

图5 粉尘装置

4.4 减振器侧向力施加装置设计

如图6所示,根据牛顿第三定律作用力和反作用力的原理，利用一对减振器间的相互作用力形成各自所受的侧向力。减振器的筒体分别由夹具A和夹具B夹紧，之间通过连接轴、力传感器、力调节轴连接，连接轴和力调节轴与力传感器通过螺纹连接，连接轴另一端与夹具A焊接为一体，力调节轴与夹具B为轴孔间隙配合；力传感器测试的力值为两个减振器的相互作用力，即为减振器所受的侧向力，对于整个试验台架而言，该力为内力，不影响整个试验台架的受力平衡；旋转力调节轴直至侧向力满足要求，将螺母锁紧防止力调节轴与力传感器螺纹连接串动改变侧向力值。通过惯性力计算和实车测试，在试验过程中对减振器固定施加实车受到的最大侧向力，用最严苛的侧向力考核减振器。

图6 减振器侧向力施加装置

5 试验台架安装及试验操作

试验台架安装步骤如下：

(1)如图7所示，将减振器分别与粉尘筒、上下铰链装置进行安装，下铰链座固定在平台上，上铰链集成安装在安装架上；安装架上端与作动器连接，安装架侧向安装滚轮导轨机构，导轨固定在方箱上，确保作动器动作顺畅；在每对减振器之间安装侧向力装置。

(2)调节侧向力装置满足试验侧向力要求，向粉尘筒内添加粉尘。

(3)进行开启试验，作动器动作频率为4 Hz，行程为±20 mm；监测减振器外筒体温度，采用强制冷却的方式将温度控制在(75±5)℃范围内，监控侧向力确保满足试验要求；定期检查减振器是否漏油，是否有异响发生；共完成10次试验循环。

(4)试验后检查减振器是否漏油，通过示功试验判断减振器功能是否正常，并拆解减振器检查油封、油阀磨损情况。

图7 减振器防尘耐久试验台架

6 结束语

该设计试验台架实现了将多个减振器集成安装同时进行试验，提高了试验效率；通过试验台架装置模拟减振器在汽车行驶时受到侧向力和粉尘环境，采用较实车状态更为严苛的侧向力和粉尘条件进行试验，充分验证了减振器的防尘耐久性能，为减振器的设计开发提供有力的验证支持。试验台架结构简洁、试验费用低，实现了较好的经济效益。