基于道路載荷譜的減振器服役特性分析

張文超 ，龐方超 ，牛智慧

（1.中汽研華誠認證（天津）有限公司 天津 300300；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300）

隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展和汽車行駛里程的不斷增加，車輛零部件的性能也在發(fā)生著不同程度的退化。減振器作為汽車懸架系統(tǒng)中關鍵的零部件之一，其服役期間的性能直接影響車輛行駛的穩(wěn)定性、舒適性、平順性和安全性。

減振器作為懸架系統(tǒng)中重要的受力原件，雖然其結構相對簡單、阻尼調(diào)節(jié)相對可控，但服役期間性能受工作溫度和油液老化的影響較大，已成為減振器服役性能衰退研究方向主要難點之一。減振器在運動過程中，油液流經(jīng)各個節(jié)流孔和內(nèi)部結構的相對運動產(chǎn)生阻尼力和摩擦力做功，從而產(chǎn)生熱能，這些熱能傳遞給油液和結構件使溫度升高，還有一部分熱能通過減振器筒體散發(fā)到環(huán)境中［1］。在減振器工作運行的過程中，溫度的變化會對其性能產(chǎn)生多方面的影響，比較突出的一點是由于溫度的變化使減振器阻尼力隨著溫度的升高而減小，產(chǎn)生“溫衰”現(xiàn)象，從而導致整車的平順性變差［2-3］。

針對溫度這一變量對減振器性能的影響，王文林等［4］對車輛減振器油液的寬溫度范圍物理特性進行了研究，通過多種系列油品和減振器性能試驗表明傾點和黏度指數(shù)非常接近的減振器油液在不同溫度下油品的流動性差異很大，由此造成了減振器在不同溫度下阻尼性差異也很大。為了獲得減振器內(nèi)部溫度的分布狀況，提高減振器的可靠性能，陳齊平等［5］通過搭建減振器生熱參數(shù)模型和三維流體模型對減振器的生熱機理進行分析研究，獲得了不同工況下的溫度場分布云圖，高溫場主要分布在減振器活塞密封圈和復原閥周圍，距離越遠，溫度越低。廖振科等［6］基于功熱等效的方法，以雙筒式液壓減振器為研究對象，結合其產(chǎn)熱與傳熱原理針對溫度特性進行仿真建模，分析了減振器的溫度特性。

本文以雙筒式減振器為研究對象，從試驗場采集實車耐久測試道路載荷譜作為信號輸入，用減振器耐久臺架試驗復現(xiàn)的形式，以不同的工作溫度作為變量來分析減振器服役期間性能的退化情況。

本文選取3支同規(guī)格、同品牌的減振器（工作行程 150 mm）進行測試，采用同一試驗臺架（德國IST 減振器試驗臺），以同一路譜信號驅(qū)動，選取3種工作溫度（分別是60～ 70 ℃、70～80 ℃、80～ 90 ℃）進行路譜臺架耐久試驗，在試驗前、試驗中及試驗后進行減振器阻尼特性試驗。通過3組阻尼特性試驗結果分析，獲得在不同工作溫度下減振器服役特性衰退的情況。

1 減振器路譜信息的獲取

本文所采集路譜信息是基于國內(nèi)某試驗場整車綜合性耐久試驗規(guī)范，通過在試驗場特定試驗道路上模擬用戶在社會道路上行駛 200 000 km經(jīng)歷的粗糙路、高速路、城市道路、山路等過程的駕駛操作。采集的路面特征是試驗場內(nèi)模擬實際道路出現(xiàn)的具有典型特征的壞路，車輛行駛在這些路面上載荷損傷程度會比行駛在平緩路面上的載荷損傷程度更加劇烈。在這樣特征的組合路面上進行整車耐久試驗會大幅縮短試驗驗證時間、提高驗證效率、縮減開發(fā)周期。

試驗采集的減振器路譜信息數(shù)據(jù)是國內(nèi)某車型在滿載情況下用拉線位移傳感器采集的上端活塞桿與減振器筒體相對運動的位移信號，然后通過相關軟件對采集的信號進行處理分析，進而獲取到減振器路譜臺架耐久試驗的輸入信號，即減振器位移路譜信號，如圖1所示。

圖1 減振器位移路譜信號Fig.1 Shock absorber displacement spectrum signal

2 減振器耐久性試驗方法

減振器耐久性試驗方法依據(jù)QC/T 491—2018《汽車減振器性能要求及臺架試驗方法》中5.12條款路譜可靠性試驗方法，通過監(jiān)控減振器筒體上端靠近油封處的溫度來控制減振器的工作溫度，采用德國 IST 減振器綜合性能試驗臺進行相關試驗，3組測試的工作溫度分別為60～70 ℃、70～80 ℃、80～90 ℃，每完成模擬社會道路行駛 50 000 km后分別進行阻尼特性測試（因路譜播放次數(shù)與模擬社會道路公里數(shù)等效關系涉及企業(yè)試驗規(guī)范機密，故文中不體現(xiàn)具體對應關系），直至完成等效 200 000 km社會道路行駛里程的測試。

2.1 阻尼特性試驗條件

①準備：將減振器按要求豎直自由狀態(tài)放置在常溫（23±3 ℃）環(huán)境中，靜置 2 h以上，再將其垂直安裝到試驗臺上，活塞桿位于減振器工作行程的中間位置。

②排氣：以正弦波的方式進行，頻率1.67 Hz，行程±50 mm（最大速度0.52 m/s），進行 3 個循環(huán)的排氣。

③測試：排氣結束后，按照排氣的測試方式測量0.52 m/s速度下的阻尼特性（具體參數(shù)：頻率1.273 Hz，振幅±65 mm）。

2.2 路譜可靠性試驗方法

①路譜可靠性試驗開始前，先測量0.52 m/s速度下的阻尼特性。

②將位移路譜信號導入設備中進行信號迭代，生成驅(qū)動信號，準備開始試驗。

③調(diào)試溫度監(jiān)控裝置及壓縮空氣冷卻裝置，保證工作溫度始終在設定范圍內(nèi)運行。以第一組測試工作溫度60～70 ℃為例，若試驗過程中工作溫度到達70 ℃限制，設備自動停機，待工作溫度下降至60 ℃時，設備自動啟動，試驗繼續(xù)。

④3組減振器測試的工作溫度分別是60～ 70 ℃、70～80 ℃、80～90 ℃。

⑤路譜可靠性測試過程中，每間隔 50 000 km等效社會道路行駛里程進行一次0.52 m/s速度下的阻尼特性測試，直至完成 200 000 km等效社會道路行駛里程。

3 減振器耐久性試驗測試結果

選取3支同規(guī)格同品牌的減振器，分別以3種工作溫度，即60～70 ℃、70～80 ℃、80～90 ℃，按照路譜可靠性試驗方法進行測試，每 50 000 km等效社會道路行駛里程下的減振器性能數(shù)據(jù)見表1，并繪制減振器服役特性曲線，即壓縮阻力—行駛里程（Ft-S）曲線如圖2所示，復原阻力—行駛里程（Fe-S）曲線如圖3所示。

圖3 復原阻力—行駛里程（Fe-S）曲線Fig.3 Restitution resistance-mileage (Fe-S) curve

表1 磁流變減振器阻尼特性試驗測試結果Tab.1 Test results of damping characteristics of magnetorheological shock absorber

圖2 壓縮阻力—行駛里程（Ft-S）曲線Fig.2 Compression resistance-mileage (Ft-S) curve

根據(jù)減振器服役特性試驗的測試結果分析表明，在特定工作溫度條件下，減振器的阻尼值會隨著行駛里程的增長而減小，10萬km等效社會道路行駛里程內(nèi)阻尼值衰減相對比較緩慢，1×105～2×105km等效社會道路行駛里程內(nèi)阻尼值衰減相對較快。在不同工作溫度條件下，減振器的阻尼衰減值會隨著工作溫度的升高而增大，即工作溫度越高其阻尼值衰減速率越快。

4 結 論

①在特定工作溫度條件下獲取了減振器服役性能的退化規(guī)律，即減振器的阻尼值會隨著行駛里程的增長而減小，阻尼衰減速率隨車輛行駛里程的增長而增大。

②不同的工作溫度對減振器的服役特性影響較大，工作溫度升高會導致減振器阻尼值衰減的速率加快。

③本文從測試驗證的角度分析了減振器在服役過程中阻尼性能退化狀態(tài)，同時分析了不同工作溫度對減振器服役性能的影響，為減振器的設計開發(fā)和優(yōu)化改進提供了試驗數(shù)據(jù)支持和參考?！?/p>