阻尼可调液压减震器专利技术分析*

杨礼康，杜嘉鑫，周安江，王松峰

(1.浙江科技学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310023；2.杭州天铭科技有限公司，浙江 杭州 311401)

0 引 言

随着经济的发展和科技的进步，人们对于汽车乘坐舒适性和操控稳定性的要求越来越高。汽车悬架系统的减震器起着吸收和耗散由路面不平引起的震动能量的作用，是影响车辆行驶性能的关键部件[1]。传统液压减震器由于阻尼特性不可改变，导致其对于道路的适应能力较差[2]。为满足不同行驶路面对减震器性能的需要，近年来，国内外相关企业及科研院所纷纷开展了针对阻尼可调液压减震器的研发。目前，阻尼可调减震器的主要知识产权被国外相关机构掌握，国内在该领域发展相对滞后，相关企业顺应“中国制造2025”的大势，正在积极开展新型阻尼可调减震器的研发，力图在高端阻尼可调减震器领域拥有自主知识产权。

本文共搜集国内外典型专利文献110余篇，重点将针对美国FOX公司的60多篇专利进行分析，总结常见的液压减震器阻尼调节机构的原理及构造，并在此基础上对比分析不同调节结构及布置方式的优劣，为相关领域的研究工作提供参考。

1 阻尼调节机构原理总结与分析

1.1 液压减震器阻尼调节原理

1.1.1 基本组成及工作原理

传统筒式液压减震器的结构包括单筒式结构和双筒式结构，其工作原理类似。以双筒式液压减震器为例说明，其结构组成通常包括工作缸、储油缸、活塞杆、活塞组件和底阀组件等[3]，如图1所示。

液压减震器工作缸筒中充满油液，活塞将工作缸分隔为上腔与下腔两部分；储油缸内装有油液，上部有少量空气；活塞及底阀上装有流通阀系，减震器工作过程中，油液可通过流通阀系在工作缸筒上、下腔及工作缸与储油缸之间流通，阀系对油液的节流作用产生减震器工作的阻尼力[4]。

1.1.2 阻尼调节机构工作原理

基于传统筒式液压减震器的结构，为实现减震器阻尼力的调节，本研究通过各种机械机构改变油液在工作缸上、下腔或工作缸与储油缸之间的流通截面积，以改变油液流通阻尼的大小，从而实现对减震器阻尼力的调节。

1.2 阻尼力调节机构的分类

本文基于所搜集的国内外专利文献，按照液压减震器阻尼力调节机构布置形式的不同，将减震器的阻尼调节机构分为杆型调节和筒型调节两种方式。

1.2.1 杆型调节机构及其工作原理

所谓杆型调节，是指阻尼力调节机构布置于减震器的活塞杆中。这类设计通常采用中空活塞杆，在活塞杆的侧壁或底部端面上开有节流小孔，根据油液流过节流孔方向的不同，分别称为径向节流孔与轴向节流孔。在中空活塞杆内部，设有调节杆及调节阀芯。调节过程中，通过转动调节杆带动调节阀芯在中空活塞杆内轴向移动，改变径向或轴向节流孔的开度，进而改变油液在工作缸上、下腔室之间流动的流通截面积，以达到改变减震器阻尼力的目的。具有径向节流孔的杆型调节机构示意图如图2所示。

图2 具有径向节流孔的杆型调节机构示意图

在图2中，中空活塞杆侧壁上开有径向节流孔，减震器复原行程，活塞上移，上腔及储油缸油液分别通过活塞阀系及底阀阀系流入工作缸下腔，中空活塞杆为油液提供了流通通道，油液可经活塞杆下端面的轴向孔道流入活塞杆内腔，并经由活塞杆侧壁的径向孔道流入上腔。在此过程中，通过旋转调节杆，带动调节阀芯在活塞杆内腔轴向移动，从而改变径向节流孔的开启程度，影响油液在工作缸上、下腔室之间的流通截面积，改变减震器复原行程阻尼力；压缩行程时，活塞下移，油液从上腔经径向节流孔流入活塞杆内腔，而后经轴向孔流入下腔，在此过程中，同上述复原行程调节原理类似，也可通过转动调节杆改变减震器压缩行程阻尼力。

具有轴向节流孔的杆型调节机构示意图如图3所示。

图3 具有轴向节流孔的杆型调节机构示意图

在图3中，活塞杆底部端面开有轴向节流孔，侧壁开有径向孔。减震器复原行程，活塞上移，油液由上腔通过径向孔流入活塞杆内腔，而后由活塞杆内腔经调节阀芯与轴向节流孔之间的环形缝隙流入下腔，在此过程中，通过转动调节杆带动调节阀芯轴向移动，改变环形缝隙大小，继而改变油液流通阻尼，调节复原行程阻尼力；压缩行程阻尼调节过程及原理与复原行程相同，不再赘述。

具体专利中，调节杆的驱动方式不尽相同，除传统的通过手动旋转调节旋钮来驱动调节杆的方式外[5-6]，还有以下常见调节方式：专利号CN1769734A的专利中公开了一种阻尼可调减震器的设计[7]，步进电机在汽车悬架系统电子控制器的控制下驱动调节杆，实现减震器阻尼力的调节；专利号CN201416610的专利与上述专利同样[8]，也采用电机驱动调节杆的方式；美国FOX公司专利号为US2016/0003321 A1的专利中公开了一种通过外接气压源[9]，将压缩气体注入活塞杆中央空腔内，推动“L型”阀芯上下动作并控制活塞阀系开闭程度的阻尼力调节方式；FOX公司专利号为US2016/0272029的专利中[10]，公开了一种通过外置的调节旋钮及凸轮驱动活塞杆内部调节杆的阻尼调节机构；马祖奇公司专利US6044940中[11]，采用油压控制活塞杆内腔针阀动作，实现阻尼力调节，此时，可将活塞杆内腔的油液视为调节杆。

1.2.2 筒型调节

筒型调节，是指通过改变油液在工作缸及储油缸之间的流通阻尼以改变减震器阻尼力的调节方式。按调节机构布置位置的差别，可以分为上置、下置和侧置3类。

上置式调节机构通常在减震器导向套内设置油道，并在该油道上设置调节阀，其典型结构如图4所示。

图4 上置式筒型调节机构示意图

减震器工作过程中，油液会流经导向套油道，因此，可以通过控制调节阀，改变油道的开口大小，以实现减震器阻尼力的调节。例如，专利CN1560490A中[12]，在减震器导向套油道中设有限压阀，并将传统减震器的活塞阀系及底阀阀系改为只允许油液自下向上流动的单向阀，如图5所示。

图5 上置式筒型调节机构应用例示意图

图5中，通过对限压阀开关动作的简单控制实现对减震器阻尼力的调节；又如，美国FOX公司专利US7374028中[13]，通过在储油缸上部设计液压驱动机构调节隔离阀阀芯，改变油液在工作缸和储油缸之间的流通阻尼，实现对减震器阻尼力的调节。

下置式筒型调节将调节机构设置于减震器下部，其基本结构如图6所示。

图6 下置式筒型调节机构示意图

通过对可调底阀的动作，改变油液在减震器工作缸与储油缸之间的流通阻尼，从而实现对减震器阻尼力的调节。专利CN103775557A[14]采用了典型的下置式筒型调节机构，其结构如图7所示。

图7 下置式筒型调节机构应用例示意图

图7所示结构中，在储油缸与工作缸之间加入导油缸，导油缸与工作缸包围形成导油腔。导向套上设有常通孔及油道，连通活塞杆腔与导油腔。在减震器下部，设计有可调阀组件，组件内部有油道及节流阀，连通导油腔下部导油孔和储油腔下部导油孔。减震器工作时，无论复原还是压缩行程，油液均会经导向套油道及导油腔的引导，流经调节阀组件，在活塞腔与活塞杆腔之间流通。因此，通过控制调节阀动作，就可以实现对减震器阻尼力的调节；与之结构类似的还有FOX公司的专利US2016/0153516[15]，区别在于该专利将调节系统的驱动机构改为螺线管阀。

侧置式筒型调节是指调节机构通过导管或其他方式与工作缸或储油缸连接，通过改变油液在工作缸和储油缸之间的流通阻尼改变减震器阻尼力。其布置方式如图8所示。

图8 侧置式筒型调节机构示意图

采用侧置式筒型调节机构的专利较多，如US20100170760A1[16]，及美国FOX公司专利US2014/0008160等[17]。以后者为例做具体介绍，其结构示意图如图9所示。

图9 侧置式筒型调节机构应用例示意图

图9中，在充气式减震器工作缸侧壁外设有旁通油道，旁通油道上端接外部压力源，用以控制上阀芯动作，改变上节流孔开度；旁通油道下端有调节阀组件，用以预先设定下阀芯的开启压力。工作过程中，本研究通过对上下阀的调节，可以改变经旁通油道在活塞腔与活塞杆腔之间流通的油液流量，实现对减震器阻尼力的调节。

2 不同调节机构性能对比分析

针对杆型调节机构和筒型调节机构结构特点和调节原理的区别，本文主要从实用性、可靠性和经济性3个方面对它们的性能进行对比分析。

(1)实用性对比分析。对于杆型调节机构，由于调节机构布置在活塞杆内部，结构上十分紧凑，有助于缩小减震器体积，节省减震器安装空间，具有较好的实用性；对于筒型调节机构，一方面，该结构通常需要在工作缸和储油缸之间增设中间缸，导致减震器直径增加，体积增大；另一方面，侧置式调节机构的存在增大了减震器径向尺寸，需占用更多安装空间，不利于减震器的使用安装，影响其实用性。

(2)可靠性及经济性对比分析。一般而言，杆型调节机构的零件数量大、尺寸小、加工精度较高，因此生产成本较高；筒型调节机构零件数量少、尺寸大、加工精度要求较低，生产成本低，相比于杆型调节机构，有较好的经济性；可靠性方面，与杆型调节机构相比，筒型调节机构结构相对简单、零件数量少，参考减震器可靠性评价相关研究可知：筒型调节机构具有更好的可靠性[18-19]。

3 结束语

在对已有专利文献作出总结分析的基础上，本文得出以下结论：

(1)杆型阻尼力调节机构具有结构精密、节流孔径小的特点，因此其阻尼力调节范围较小；同时，由于该结构需采用中空活塞杆，而活塞杆是减震器的主要传力部件[20]，相较于采用实心活塞杆的筒型调节机构，杆型调节阻尼可调减震器强度较弱，所能承受的最大作用力较小，因而适用于阻尼力峰值小、对可靠性要求较低的场景，如轻型轿车减震器；

(2)筒型调节机构结构相对简单，零部件数量少，且节流孔径及体积与杆型结构相比尺寸较大，更加适用于安装空间相对充裕、阻尼力变化范围较大、工作环境相对恶劣的场景；

(3)由于不同类型的阻尼调节机构优缺点各异，开发设计过程中，应根据具体的使用环境及性能要求选择不同的阻尼调节方式。