汽車減振器防塵耐久試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

韋江寧

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，用戶對(duì)汽車的各項(xiàng)性能要求也越來(lái)越高。汽車零部件的試驗(yàn)驗(yàn)證既要滿足汽車高效研發(fā)周期的要求，同時(shí)也要充分模擬用戶使用的環(huán)境、工況、路況和操作方式，確保在試驗(yàn)驗(yàn)證階段能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并解決問(wèn)題，為汽車零部件的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的保障，最終讓用戶滿意。

汽車減振器是汽車懸架系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，對(duì)汽車行駛的平順性和乘坐的舒適性起到至關(guān)重要的作用，目前汽車上廣泛采用的是雙向作用筒式液壓減振器，存在減振器漏油、異響、失效等故障率較高的售后問(wèn)題。為解決這些故障問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了減振器的防塵耐久試驗(yàn)臺(tái)架。該試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，且試驗(yàn)費(fèi)用低。

1 汽車減振器簡(jiǎn)介

汽車減振器是限制汽車車身振動(dòng)的液壓裝置，其功能是當(dāng)車身和車橋有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)快速衰減其振動(dòng)，防止車身過(guò)度振動(dòng)，從而提高汽車行駛的平順性和乘坐的舒適性。

1.1 汽車減振器工作原理

雙向作用筒式液壓減振器的工作原理如圖1所示。汽車在不平坦的路面上行駛，車身與車橋做往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器中的活塞在缸筒內(nèi)也做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則減振器缸筒內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個(gè)油腔經(jīng)過(guò)不同的油閥孔隙流入另一個(gè)油腔內(nèi)。此時(shí)孔壁與油液間的摩擦及液體分子的內(nèi)摩擦便形成對(duì)振動(dòng)的阻尼力，使車身的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，被油液和減振器缸筒吸收，然后散發(fā)到大氣中。

圖1 雙向作用筒式液壓減振器的工作原理

1.2 阻尼力F的計(jì)算

(1)

式中：為阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)與油閥通道截面積、閥門彈簧力、油液稀稠有關(guān);

為減振器活塞桿運(yùn)動(dòng)速度，為0～10 m/s時(shí)取1;

為懸架系統(tǒng)垂直剛度;

為懸架的簧載質(zhì)量。

減振器阻尼力越大，振動(dòng)消除得越快，但會(huì)使得并聯(lián)的彈性元件的作用不能充分發(fā)揮，同時(shí)過(guò)大的阻尼力還可能導(dǎo)致減振器連接零件和車架損壞。為了解決這一矛盾，減振器設(shè)計(jì)時(shí)有以下要求：①在壓縮行程(車橋與車身相互移近的行程)時(shí)，阻尼力應(yīng)較小，以便充分利用彈性元件的彈性來(lái)緩和沖擊；②在伸張行程(車橋與車身相對(duì)遠(yuǎn)離的行程)時(shí)，阻尼力應(yīng)大，以求迅速減振；③當(dāng)車橋與車身的相對(duì)速度過(guò)大時(shí)，減振器應(yīng)能自動(dòng)加大液流通道截面積，使阻尼力始終保持在一定限度內(nèi)，以避免承受過(guò)大的沖擊載荷。

傳統(tǒng)雙向作用筒式液壓減振器的外特性與行程不相關(guān)，車輛動(dòng)力學(xué)性能與減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外特性關(guān)聯(lián)度不高，是一種同時(shí)滿足行駛平順性和操控穩(wěn)定性的折中方案?？烧{(diào)阻尼減振器在傳統(tǒng)減振器的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，增加了特殊的旁通油道結(jié)構(gòu)，使阻尼特性隨行程增加而加大，既提高了車輛的乘坐舒適性又保證了操控穩(wěn)定性。

1.3 示功試驗(yàn)

示功試驗(yàn)是將減振器一端固定，另一端做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)或類似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)記錄減振器兩端相對(duì)位移與阻尼力關(guān)系的試驗(yàn)，這種記錄位移與阻尼力關(guān)系的圖形稱為示功圖。示功圖封閉曲線所包容的面積，表示減振器在這個(gè)往復(fù)循環(huán)所消耗的功或稱為衰減的能量。圖2中虛線以上是向外做拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻尼力，虛線以下是壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻尼力；虛線左側(cè)為向內(nèi)壓縮時(shí)的位移，虛線右側(cè)為向外拉伸時(shí)的位移。根據(jù)液壓減振器的結(jié)構(gòu)原理、循環(huán)油路及阻尼特性，在外界試驗(yàn)條件正確的前提下，可通過(guò)示功圖判斷減振器是否出現(xiàn)故障，并分析故障原因。

減振器的故障件和正常件示功圖如圖2所示。與正常件對(duì)比，故障件的伸張行程伸張力衰減嚴(yán)重，低速幾乎沒(méi)有阻尼力，壓縮行程在低速時(shí)有阻尼力，但當(dāng)速度小于0.52 m/s時(shí)衰減到300～400 N，已無(wú)減振功能。故障原因?yàn)橛烷y損壞，油液通過(guò)油閥通道無(wú)法形成設(shè)計(jì)要求的阻尼力，從而導(dǎo)致減振功能失效。

圖2 減振器故障件和正常件示功圖

2 減振器售后故障原因分析

減振器的售后故障問(wèn)題主要表現(xiàn)為漏油、異響、功能失效。通過(guò)對(duì)故障件拆解分析，得出油封、油閥異常磨損是故障的主要原因之一。進(jìn)一步分析油封、油閥異常磨損的原因，主要包括：汽車在變速、轉(zhuǎn)向時(shí)，由于受車身慣性作用導(dǎo)致減振器活塞桿與筒體存在側(cè)向力，在活塞桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)油封、油閥產(chǎn)生偏磨；大氣環(huán)境中的粉塵易附著在減振器活塞桿上，若減振器防塵性能不佳，活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)易將粉塵帶入減振器中，會(huì)加速油封、油閥的磨損。

3 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)目的

試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)目的主要有以下兩個(gè)方面：

(1)提高試驗(yàn)效率，將多個(gè)減振器集成在一起同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，滿足高效研發(fā)周期的要求。

(2)按照用戶的使用場(chǎng)景，結(jié)合減振器售后故障問(wèn)題的原因分析，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架裝置充分模擬減振器在汽車行駛時(shí)受到側(cè)向力和粉塵環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)減振器的防塵耐久性能的充分驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

4.1 減振器的集成安裝方式設(shè)計(jì)

如圖3所示,按實(shí)車的安裝狀態(tài)，將多個(gè)減振器豎立平行安裝，減振器采用上下鉸鏈機(jī)構(gòu)的安裝方式，確保減振器有偏擺的自由度，避免減振器活塞桿動(dòng)作時(shí)因平行度偏差導(dǎo)致卡死的情況。減振器活塞桿上端通過(guò)上鉸鏈集成安裝在安裝架上，下端減振器筒體通過(guò)安裝座安裝在下鉸鏈座上，下鉸鏈座由螺栓固定在T型槽平臺(tái)上，由作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)減振器同時(shí)動(dòng)作。

圖3 減振器集成安裝方式

4.2 作動(dòng)器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示,作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多個(gè)減振器同時(shí)動(dòng)作，因各個(gè)減振器尺寸、質(zhì)量、活塞桿運(yùn)動(dòng)軌跡的差異性，以及安裝架的制作、安裝誤差，作動(dòng)器在動(dòng)作過(guò)程中受力不均衡易偏擺造成損壞，因此采取滾輪導(dǎo)軌裝置進(jìn)行導(dǎo)向，在安裝架側(cè)向安裝滾輪，由方箱固定導(dǎo)軌，作動(dòng)器動(dòng)作時(shí)滾輪在導(dǎo)軌上滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，保護(hù)作動(dòng)器的同時(shí)也確保作動(dòng)器動(dòng)作順暢。

圖4 作動(dòng)器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

4.3 粉塵裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示，在減振器筒上粘貼安裝透明的粉塵筒，向內(nèi)添加粉塵，蓋上粉塵筒蓋防止粉塵在試驗(yàn)過(guò)程中溢出。合理設(shè)計(jì)粉塵筒確保粉塵在活塞桿與油封的間隙上堆積。該設(shè)計(jì)方案較實(shí)際的粉塵環(huán)境更為嚴(yán)苛，對(duì)減振器的防塵性能進(jìn)行充分驗(yàn)證。

圖5 粉塵裝置

4.4 減振器側(cè)向力施加裝置設(shè)計(jì)

如圖6所示,根據(jù)牛頓第三定律作用力和反作用力的原理，利用一對(duì)減振器間的相互作用力形成各自所受的側(cè)向力。減振器的筒體分別由夾具A和夾具B夾緊，之間通過(guò)連接軸、力傳感器、力調(diào)節(jié)軸連接，連接軸和力調(diào)節(jié)軸與力傳感器通過(guò)螺紋連接，連接軸另一端與夾具A焊接為一體，力調(diào)節(jié)軸與夾具B為軸孔間隙配合；力傳感器測(cè)試的力值為兩個(gè)減振器的相互作用力，即為減振器所受的側(cè)向力，對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架而言，該力為內(nèi)力，不影響整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的受力平衡；旋轉(zhuǎn)力調(diào)節(jié)軸直至側(cè)向力滿足要求，將螺母鎖緊防止力調(diào)節(jié)軸與力傳感器螺紋連接串動(dòng)改變側(cè)向力值。通過(guò)慣性力計(jì)算和實(shí)車測(cè)試，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)減振器固定施加實(shí)車受到的最大側(cè)向力，用最嚴(yán)苛的側(cè)向力考核減振器。

圖6 減振器側(cè)向力施加裝置

5 試驗(yàn)臺(tái)架安裝及試驗(yàn)操作

試驗(yàn)臺(tái)架安裝步驟如下：

(1)如圖7所示，將減振器分別與粉塵筒、上下鉸鏈裝置進(jìn)行安裝，下鉸鏈座固定在平臺(tái)上，上鉸鏈集成安裝在安裝架上；安裝架上端與作動(dòng)器連接，安裝架側(cè)向安裝滾輪導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，導(dǎo)軌固定在方箱上，確保作動(dòng)器動(dòng)作順暢；在每對(duì)減振器之間安裝側(cè)向力裝置。

(2)調(diào)節(jié)側(cè)向力裝置滿足試驗(yàn)側(cè)向力要求，向粉塵筒內(nèi)添加粉塵。

(3)進(jìn)行開啟試驗(yàn)，作動(dòng)器動(dòng)作頻率為4 Hz，行程為±20 mm；監(jiān)測(cè)減振器外筒體溫度，采用強(qiáng)制冷卻的方式將溫度控制在(75±5)℃范圍內(nèi)，監(jiān)控側(cè)向力確保滿足試驗(yàn)要求；定期檢查減振器是否漏油，是否有異響發(fā)生；共完成10次試驗(yàn)循環(huán)。

(4)試驗(yàn)后檢查減振器是否漏油，通過(guò)示功試驗(yàn)判斷減振器功能是否正常，并拆解減振器檢查油封、油閥磨損情況。

圖7 減振器防塵耐久試驗(yàn)臺(tái)架

6 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)了將多個(gè)減振器集成安裝同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)效率；通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架裝置模擬減振器在汽車行駛時(shí)受到側(cè)向力和粉塵環(huán)境，采用較實(shí)車狀態(tài)更為嚴(yán)苛的側(cè)向力和粉塵條件進(jìn)行試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了減振器的防塵耐久性能，為減振器的設(shè)計(jì)開發(fā)提供有力的驗(yàn)證支持。試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、試驗(yàn)費(fèi)用低，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。