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第22章

减振器

“有时我会想在由于没有减振器而存在摩擦冲击的时代里，我会更加享受赛车，因为你无法利用或者对这些冲击做什么，这样我就可以少一些困惑的时间了”

Carroll Smith

Tune to Win, 1978

介绍：

弹簧的作用是允许车轮在崎岖的道路上相对于底盘有竖直方向的相对运动，而这种作用需要回溯到马车的使用上。这种用于提高乘坐舒适性的方法在汽车的早期史上就已经采用。而减振器则在后来被应用到了簧载质量和非簧载质量之间，用于抑制振动和控制在纵向及侧向加速过程中簧载质量的运动。

根据参考文献147，第一款“原始”减振器被安装于1902年的Mors车和1906年的法国车Grand Prix Renault上。其阻尼力的产生是由于叶片或者活塞在液体中的运动。具有早期复位控制的Gabriel 弹簧阻尼器出现于20世纪20年代早期，而且几乎同一时间，Hartford摩擦减振器也被应用。紧接着，于20年代中期出现了凸轮式和杠杆式的液压部件（开始是单回路，到后来发展成双回路作用），Houdaille Rotary Vane就是一个典型实例。在19世纪30年代早期，Monroe应用了直接作用的伸缩式液压减震器（发展于飞机的设计）。这种依靠使油液流经孔隙产生阻力的部件已经变成最为常用的阻尼装置。

自从直接作用伸缩式液压减振器的应用，就出现了许多针对它的改进和设计形式，包括大量密封方式的发展，用于保证在不同活塞速度下的控制而增加的阀，可调的孔径和流通阀弹簧，以及额外气压——用于适应因活塞杆移动而变化的体积和充油。压缩和复位的控制一般不同，并且不论是在静态情况还是在公路上都有多种调整控制的方案。可以提供行程敏感型或者速度敏感性的阀。减振器也可以用于负载均衡（减小负载变化）。一种方法是使得减振器在任何非平衡工况下，活塞能够像泵一样将液体抽出或者送回储油罐中。这个方法是依靠减振器在汽车行驶过程中的附加运动。另外一种更加快捷的方法是通过附加气源来改变充气式减振器的压力。

一种特殊而且大批量生产的弹簧减振器的结合是由英国的Alex Moulton博士发明的。在Hydrolastic的应用中，它首先在1959年左右用在B.M.C Mini（汽车名称）上。而其第二代产品，Hydragas，被用于B.M.C. Austin车型上。而它现在是1990年生产的Rover Metro车上的最低端的部件(参考文献51，100，101，102和103)。在这些独立部件中，突然高速开启的橡胶阀使得水基溶液以较低的速度通过泄压孔。这些阀也能够允许压缩和伸张行程中有不同的阻尼系数。

开始于大概1985年，由于在提高传统乘用车的乘坐舒适性方面的激烈竞争，电子控制在减振器上的应用得以高速发展。而这种发展的动力是期望能够达到采用更加简单，低成本的自适应或者半主动系统。在这些系统中，减振器能够根据车身高度，横摆角速度，加速度，路面激励频率，制动和转向输入等一系列的传感器参数组成的方程进行动态调整。控制算法从简单到复杂的不一而同。

上面提到的减振器已经或者可能将要使用在赛车上。事实上，许多这其中的减振器正是从赛车中受到启发的。当精细的自适应电控系统和半主动系统在乘用车上使用更加广泛的时候，可以预见到它们在不同层次赛车上的应用。而且他们已经在Grand Prix车上使用。

22.1 方法

赛车设计者和比赛工程师所需要面临的一个主要问题就是减振器的选择，尺寸和基于地盘，轮胎，电路和赛车手的特点进行调整。以往减振器的选择很大程度上是考虑其声誉和使用方便性，便于调节，封装要求和其他的一些特殊特性比如用充满的空气来减小在恶劣的使用条件下的充气。减振器设计很大程度上是一个依据简单的步骤进行反复实验的过程，而这些步骤来自于减振器制造商或者经验。由于减振器作用于簧载质量和非簧载质量（所以既影响平顺性又影响操纵性），所以进行一些侧重于操纵性的折衷。

对于减振器设定的优劣判断很大程度上是一种基于车手圈速和间隔时间的主观判断。某些车手对这个过程更加娴熟，所以能够更快的将赛车调整到最佳状态。这导致一种说法：减振器调教是一个“魔术”。随着在几乎所有等级赛车的测量设备使用的增加，我们可以预见到一种更加合理调教过程的发展。

本章将会讨论传统减振器在赛车上某些方面的使用。自适应，半主动和主动系统超出了本书的讨论范围，虽然一些相关的参考文献被引用以表明观点或者为了那些希望能够浏览技术文献的人。本章先讲一些科技文献的简要观点和背景论文的总结。

考虑到选在在赛车的应用在（1）较小和（2）较大的空气下压力的情况下有很大不同，这两种情况在后面单独讨论。

我们在这个章节的准备过程中得到了大量的个人和团队的帮助，特别是Lotus和Penske。

22.2 技术文献

直到1955年之前，在公开的技术文献中，有关减振器和减振器安装的技术细节非常的缺乏。Rowell和Guest在1922-1925期间发表的汽车悬架的传统分析中（文献134和54），将汽车看作支承在无阻尼弹簧上的一个质量体。在1956年的汽车工程师参考手册（文献99）中，没有涉及到减振器，而其他的有关汽车和汽车悬架的部分都进行了详细讨论。然而，在1950-1951年的Chrysler Institute Graduate School 上的演讲上，出现了一个单独描述减振器的章节。这个章节中包含了到那个时期为止所有的减振装置并讨论了Chrysler于1951年提出的Oriflow直接作用单元。到这个时期为止减振器的发展已经进入了一个繁荣时期并且成为了组件制造商的商业秘密基础。

一个完美的关于旨在“部件本身的本质以便充分发挥其多功能性和极限hellip;”直接作用减振器的构想是由Delco Product 的Jackson在1959年的SAE（文献67）提出来的 。他指出具有更低频率的独立悬架的出现得益于在乘坐舒适性研究重点的改变。当“软化”了悬架了之后，非簧载质量的行为和控制就会存在问题，所以（重点）转移到了转向和操纵稳定性上。这篇文章本身重点研究减振器细节设计和不同孔和流通阀的力与速度之间关系的角度研究其性能。

采用数学方法研究机械振动系统在其应用于汽车悬架之前就广为人知了。早在1945以前，SAE就已经创立了一个舒适性研究委员会（后来发展成汽车动力学委员会），该委员会发表了简单无阻尼谐振运动的线性化处理，比如弹簧上的质量体的运动。在1965年，该委员会发表了文献68，该文献涉及到存在库仑阻尼和粘滞阻尼下的自由振动和受迫振动，传递到车身的力，以及人体对于振动的反应，其中的许多材料来源于Janeway的早期工作。比如，文献69中，在大多数早期悬架的分析中，大多集中于乘坐舒适性和行驶的操纵性能矛盾性。事实上，(文献69)得到了这样一个结论：减振器吸收能量但是会传递冲击，所以，控制的量应保持在最低限度的条件。

早期以书本形式发表的乘坐舒适性理论出现在文献154中，由Steeds所写。这个理论涉及到了无阻尼运动和带有库仑阻尼和粘滞阻尼的阻尼运动，以及受迫振动的基本数学计算。这个理论后来被用于简化实际悬架以及侧倾工况的简要讨论。这个理论的重点再次放在了行驶平顺性上。

由Julien在1960（文献74）发表的一项重大调查论文中涉及到了大量影响减振器设计的悬架问题。他指出一个广泛认可的事实：对于一个刚度不变的弹簧，其静挠度随着载荷而变（所以减小高度和固有频率）。当悬架更“软”时，工作高度的变化将会变成主要问题。在各种弹簧和独立工作点补偿装置中，负载均衡装置和减振器的结合成为了使用最为广泛的装置之一。他指出乘坐舒适性和行驶的操纵稳定性之间的矛盾，解释道车轮的阻尼力传递到车身上并表明独立动力减振器可能更加适合车轮。最后，他强烈呼吁减振器的发展要和hellip;hellip;弹簧的技术相匹配。

在文献96中，单轮悬架模型用于完成从DC到车轮跳动的频率响应。车身加速度被当作乘坐舒适性和作为操纵稳定性评价标准的轮胎和路面之间的动态载荷的衡量。文献研究了车辆质量，弹簧刚度和阻尼系数的影响。对于任何实际等级的赛车减振器，车轮跳动频率的操纵稳定性得到提高但是乘坐舒适性降低。这个研究在文献60中也有讨论。

另外一份早期的针对于乘坐舒适性和操纵稳定性的调查是由Bruns和Fiala于1967年（文献24）开展的。以随机路面的描述方法（功率谱密度和概率分布）和仿真计算（包括悬架的非线性）开始，他们提出了车身，车轮位移和座椅相对于随机路面激励下的位移的时间历程。他们也计算了车轮，弹簧和减振器载荷的相关时间历程。采用了不同典型路面的谱密度（以波长函数表示的路面粗糙度的幅值），并且进行了悬架的非线性描述，包括干摩擦和充气式液力减振器。提出了各种行驶平顺性和操纵稳定性的评价标准。K64（人体对于机械振动的敏感度）的均方根值被作为行驶平顺性的评价标准，而车轮动载荷的均方根值被用于评价操纵稳定性。这种用于操纵稳定性的方法是一种有效的分析赛车阻尼设定值的标准。

文献51的第三章（由Richard Hodkin提出）中给出了减振器特征选择的简要讨论。他指出在实际减振器中存在摩擦，这是由于活塞运动和密封—也是由于阀的惯性滞后作用。所以减振器的力与速度很少是严格的比例关系。他说明道减振器每循环做的功是通过计算力-速度曲线围成的面积得到的。减振器压缩行程的阻尼的设定通常较低来减小传递给车身的力，而伸张行程的设定较大，从而减振器消耗更多的功。这就是最佳的乘坐舒适性的状态，但是他建议从操纵稳定性的方面考虑，压缩和伸张行程的阻尼设定应该更加靠近。

Thompson的文献158在某些方面与Bruns和Fiala（文献24）的研究成果类似。针对于特定的输入和随机路面粗糙度的输入的计算机计算（数字和模拟计算）均被运用。文章进行了具有不同压缩和伸张行程阻尼系数的线性减振器的仿真。这些计算对于单轮汽车模型十分有效。一种普遍的观点认为最优的乘坐舒适性和操纵稳定性对应的减振器阻尼是有很大不同，而后者要大得多。当然，这是从实践中得到普遍认同的。这种分析方法提供一种探索一系列带有数值结果的设计变量的机会。

文献58总结了各种悬架较“软”和存在载荷转移的汽车不同水平的测量方法。得到的结论是空气减振器的优点最多。在这个设备中，传统的液力减振器装备上辅助的气室用于改变减振器压缩时的弹簧力（和因此而改变的悬架位置）。测试需要辅助气源和高度传感器。文献59中详细介绍了配备综合感应系统和电子控制的Monroe空气弹簧减振器部件。这种部件在提供阻尼和平衡负载的同时也补充了悬架刚度。

减振器要求的基本测试由文献48提到的Nissanrsquo;s汽车研究实验室研究小组执行。作者提供了四种工况下涉及到乘用车实验中的操纵稳定性，行驶平顺性，声振粗糙度和路面噪声弹簧和减振器力的数据。考虑到减振器力在四种工况下的要求是不同的，他们画出每种工况下的活塞速度和行程。在粗糙路面上和大压缩行程工况下的活塞速度几乎一样但是在压缩行程需要的阻尼很小（有利于减小声振粗糙度），而在粗糙路面上需要很大的阻尼（有利于操纵稳定性）。考虑到单压缩行程只需要很小和活塞行程，而粗糙路面的活塞行程大得多。一种行程敏感型的阻尼特性可以用来降低声震粗糙度。尽管这篇参考文献不是直接涉及到赛车的，这种通用的方法仍然很值得学习。一些有关最优化粗糙路面的阻尼的测试结果将会在后面的22.4节提到。

作为对最优化减振器性能的进一步的努力，Nissan的另外一个小组进行了线性分析来估计不同工况下的理想的减振器阻尼系数。而用以评价操纵稳定性的标准则是非簧载质量相对于路面运动的均方根值。这个值应该最小——如果非簧载质量准确沿路面轮廓运动，则位移的平均值应该为0。从操纵稳定性角度得到的最优化阻尼系数的关系依照总质量与非簧载质量的比值和悬架刚度和弹簧刚度比值这两个方面提出的。在本章的后面几节，将会介绍一种椭圆行驶轨迹的印地赛车的计算。

Donald Bastow在文献18中，用一个完整的章节减振器性能曲线（力和速度的曲线）来描述不同类型的减振器和它们优缺点的讨论。他介绍了一种直流气体/油乳液减振器（无浮动活塞），这种减振器结构紧凑，而且能避免浮动活塞泄露的问题。这篇文献被用来生产一种尚在发展中的双通道Woodhead减振器，这种减振器依靠乳液减振，质量更小以及其他的一些优点。

在1985-1990年期间，电控减振器作为半主动悬架的核心部分而成为热门。但是这里不做讨论，文献170中列出了相关的参考。

22.3 减振器基础

本节将会对减振器的基本设计和减振器吸能进行综述。由于乘用车是大部分减振器的技术发展的领域，所以乘用车减振器使用的研究也会被讨论。在接下来的章节中将会讨论其对于赛车的适用性本节中涉及的弹簧-质量-阻尼系统与6.2节中的略有不同。

基本概念

在如图22.1所示的阻尼弹簧和质量系统中，有三个控制系统动态特性的力:

1. 由于质量体的加速而产生的惯性力，它是质量和加速度的函数。
2. 阻尼力，是减振器两侧的相对速度和阻尼系数的函数。阻尼系数表示为力/单位速度。
3. 弹性力，是弹簧位移和弹簧刚度的函数。弹簧刚度表示为力/单位位移。

图22.1 阻尼弹簧和质量系统

这三个里可以用下面的数学公式表示：

惯性力=

阻尼

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