汽车上的减振器BOB体育在线和弹簧有啥区别?

  新闻资讯     |      2022-10-29 15:39

  BOB体育网页版对于从业者跟一些资深汽车爱好者来说,减振器与弹簧的概念都是很清晰明白的。但是,在很多个平台阅读文章包括知乎,还是看到有不少文章作者、车友把这两个零件的概念弄混淆。

  其实也难怪,大多数朋友会先百度看百科,但是看百度百科,哪怕是被标记为“专家认证”过的词条,也是不清不楚甚至还有谬误,让人犯迷糊。比如这个阻尼器与避震器的百科,我就纳闷,为什么不能找个至少是机械工程背景的专家来认证咧?擅长撸码的人,真不一定也擅长撸铁,虽然都是教授。特别是最后一个减振器的词条,认证那块没有就没有吧,放个孔子出来镇楼?放一个到死都没见过减振器的人搁那儿是为何,想不通。

  在名词概念上,减振器与阻尼器表示的是同一个零件,没有什么异议。不过,减振器/阻尼器不仅仅应用于汽车,在船舶、航空、工程机械、建筑领域,都有非常广泛的应用。所以,减振器/阻尼器并不是汽车领域的专业名词,下图就是建筑用阻尼器、飞机起落架减振器。基本工作原理都是通过粘性阻尼将动能转化为热能耗散掉。那么,作为百度百科,把词条默认写成汽车减振器/阻尼器,是非常不严谨的。

  而说起避振器基本上指的就是汽车减振器,既然用到汽车上,那注意是“振”不是“震”。还有一个领域会用“避震器”这个词,就是手表,咳咳咳,比如Rolex推出的Paraflex避震器,就下面那一坨像首饰一样的小东西。百度百科里面这个词条完全就是写汽车减振器,真的不打算给大家安利安利手表吗?特别是对男同志们。也不要问我咋就晓得这么个玩意,这是个伤心的故事,屌丝看上了女神,穷笔迷上了手表,悲哀。

  后面所有的讨论都默认为汽车领域。最常见的误解就是把弹簧+减振器装配在一起的那个总成,当做避振器/减振器,实际上并不是这样。这种弹簧与减振器装配在一起的东西,工程开发中有叫弹簧减振器总成的,有叫滑柱总成的,还有叫支柱总成的,总之,一定会加上“总成”俩字以示区分。在一些汽车论坛里面,也看到一些措辞严谨的文章在描述“弹簧+减振器”会采用“避振套装”或者“避振总成”,而没有直接说是避振器。

  所以,看下图,右边不带弹簧的,减振器/阻尼器/避振器/避振桶都是它,不管前减、还是后减,都可以这么叫。只要装配上了弹簧,就变成了左边的,得带上一个“总成”。前减、后减之间,根据结构不同,叫法还可以再分一分,这里就不展开了。能理清楚上面一些基础概念,正常跟4S、维修师傅聊上几句,已经够用了。

  减振器跟弹簧,外形上差别很大的,都能分得开,只是上面一些概念容易混淆,外形就不啰嗦了。减振器与弹簧最容易发生概念混淆、理解错误的是两者的功能。

  一台车行驶在路上,由于路面不平,会使得车轮发生上、下跳动。上跳的过程叫做压缩行程,下跳的过程叫做伸张行程/拉伸行程,假定以设计位置看做静力平衡位置。

  在压缩行程过程中,路面不平引起的垂向振动由轮胎传递到弹簧,弹簧被压缩,这个时候弹簧只是把振动能量暂时存储了起来,并没有消耗它。与此同时,减振器也发生了压缩,减振器由于内部的阀系具有很多截流小孔,减振器油液在往复运动过程中可以把机械能转化为热能,传递到缸筒,风冷方式耗散掉,起到了耗能、减振的作用。

  在伸张行程过程中,弹簧会从压缩转为伸张,也可以叫做复原。复原行程中弹簧就是将压缩行程中储存的能量释放,也就是说弹簧的作用是把一部分机械振动能量延后释放了。与此同时,减振器也由压缩转换为伸张,这一过程中,减振器仍然在将机械能转化为热能向外耗散。

  所以,很明显,弹簧在压缩行程将振动能量吸收储存起来,在伸张行程释放;而减振器,无论压缩行程还是伸张行程,均在消耗振动能量,也就是大家俗称的”减振“。

  为了表示的更直观,双击Matlab/Simulink,随便打开一个读书时候拉的二自由度悬架模型,出几个曲线看看。

  ①假定没有减振器,只有弹簧,会是啥情况咧。车身会一直上下、上下晃动,无法回到静平衡位置。因为上面说了,弹簧只是起缓冲、存储振动能量的作用,不起耗能、减振作用,见下图绿色波浪线(这种颜色是绿色吧?);

  ②假定没有弹簧,只有减振器,会是啥情况咧,就是下图里面线。看上去不错啊,衰减快,幅值还小,但这个情况是不存在的,没有弹簧,只靠减振器,无法为车身提供支撑;

  ③紫色线是一条正常的既有弹簧(刚度)、也有减振器(阻尼)的健康系统。既为车身提供了支撑,又能够衰减振动能量。

  弹簧跟减振器的还有一个很重要的区别,从名词上就可以看出来,一般说弹簧提供刚度、减振器提供阻尼,刚度是力与位移相关的参数,而阻尼是力与速度相关的参数,由数学表达式可以看出来。这里只列写最基础的表达式,实际上,要进行数值表征,还有一些系数、余项是需要加进去的。

  减振器咧,是要以一定的速度进行压缩、伸张,才有阻尼力,没有速度,没有力。所以,当你拿到一支减振器,以极其缓慢的动作压缩、拉伸减振器时,你感受到的那个阻力,就是减振器的内摩擦力。一般企业的技术标准里面,都会规定一个减振器内摩擦力值要求,一般速度值极低,普遍会在0.00x m/s级别,这个时候测试出来的力值就是减振器的内摩擦力,并且,不同规格的减振器,内摩擦力的要求也是不相同的。

  再多说一句,手动压过减振器的车友,应该会看到一个现象,活塞杆压到底的时候,会自然反弹回来。这是因为减振器里面会有一定的充气量。这个充气量,就大有讲究了啊,会影响驾控性能,会影响减振器使用品质,也就是售后的一些表现。充气的气体弹力,技术标准里也是有明确规定的,一般测试条件跟摩擦力的环境相当,不同减振器的充气量,也会是不同的。

  答案肯定是可以,不过得技术先到家。蛮多资深车迷、汽车自媒体、业余/专业车手,都很懂车,懂减振系统,知道利弊,知道想要提升哪里、改哪里、牺牲掉什么。

  普通车友,对改装稍稍有点兴趣,但是技术不到家的,谨慎啊。随便说几句为什么不能随随便便就改一下弹簧、改一下减振器。

  大多数想改弹簧的车友,无非都是想让爱车趴一点,弹簧怎么改法,就重要。土法直接切割改簧,我是强烈不建议,这是作死,这方面我有过一个专门的回答,感兴趣的同志们可以翻看一下:

  如果能从稍微好一点的渠道,弄到副厂的短簧,那就趴去吧,只提醒一点,你的悬架行程已经被改了,开车留点神,弄不好会发生干涉。弹簧换了,还影响动态性能,原因下面一起说。

  减振器无非就是想换一个硬点的(大阻尼)提升点操控感,或者换一个软点的(小阻尼)提升点舒适度。有关减振器阻尼力,我也有过两个个专门的回答,感兴趣的同志们可以翻看一下:

  主机厂确定一组减振器的阻尼曲线方案,首先花两三百万弄几台专用调校车,再花个两三百万租用专业试车场,还要花个小百万作为调校工程师的工时支出。还不计算后续定型后的ESP、ADAS等电子系统的确认资源消耗。

  综合了客户使用过程中会遇到的各种典型/非典型路面、操作,定下来一组跟这台车最匹配的弹簧刚度、阻尼力,这么大代价,如果哪位车友对车、对减振一知半解,就随便换了弹簧或者减振器,只能说,得不偿失,一定会在后续使用过程中,发生、发现一系列衍生问题,我打包票。

  理论上也给点曲线说明这个问题,悬架系统不是单看一个减振器阻尼,来讨论振动衰减效果的,而是看相对阻尼系数,悬架系统的相对阻尼表达式是这样的:

  可以明显看出,对于一台确定了轴荷的车型来说,影响悬架相对阻尼系数的是弹簧刚度与减振器阻尼共同决定。我们说一台车的避振合适,实际上指的是相对阻尼系数设定的合适,因为是弹簧、减振器共同配合实现的结果。

  假如改了,会是怎样,纯理论上出几个曲线看看。基准曲线是下面图里的紫色线,改弹簧刚度是下面的线,改减振器阻尼系数是下面的绿色线。这个结果的趋势,还在难为着我,貌似是模型设置哪里出了点小bug,没有跟理论完全合上。但是表达我想说的意思,是足够了:改动弹簧、减振器,会影响整车的垂向性能,及部分操控性能。

  调校一般都在专业试车场,国内很多主机厂都有自己自建的试验场地了,这样的厂家调校一般都在自己场地,比如泛亚在自己广德试验场,东风在自己襄阳试验场。没有自建试验场的,一般是租借试验场调校,比如很多厂家租借襄阳、北京试验场。以后的趋势是,几家靠前的汽车集团都会有自建试验场。

  试验场里面会有各式各样,外面开放道路里面没有的特殊路面。一般减振系统调校,BOB体育在线会先利用环线、平路、连续波纹路线等将前、后轴垂向刚度、侧倾刚度匹配平衡。

  然后利用各种特征路,比如比利时、减速带、凹坑路、圆饼路、路块接缝等一切可以利用的典型不规则路面,对减振器阻尼力进行调校设定,这期间还会时不时回头重新匹配一下弹簧或者稳定杆。

  所以,对于一般的车友而言,随便改动了弹簧、稳定杆、减振器,是没有条件再去到上面这些特征道路确认一遍整车性能,改动就变的跟抽盲盒似的。

  对于减振器,其实,这么说吧,同样一组阻尼曲线的设定(比如下图左侧),可以用不同的阀片组合来实现(下图右侧是不同的阀系)。但是,搭配到整车上的性能表现,却不尽相同。这里面的门道,太多了,这里就只留个概念吧。

  上面随便聊了几句实车调校,看到评论区有朋友说虚拟调校。BOB体育在线实际上,在实车调校前,虚拟调校已经做过了,所有涉及到调校需要的零部件比如稳定杆、弹簧,都根据虚拟调校的结果,制定了调校件规格的方案,不同直径的稳定杆、不同刚度的弹簧、可拆式减振器都提前准备好了,供调校过程使用。

  但是,目前的技术阶段,虚拟调校是如论如何代替不了实车调校。首先平顺性仿真就还存在相当程度的技术难点,再进一步,平顺性方面的主、客观关联目前很难做起来。所以,事实上,目前仍然以大量的实车调校为主,这一点,国外牛批车企也是这样的。

  保时捷卡宴的三腔空气悬挂和动态底盘控制还有主动防侧倾技术,真的有那么厉害吗,还是说只是个噱头?

  自汽车被发明一百多年来,舒适性一直备受关注。早期汽车上并没有特别设计的减振装置,坐车疼是常有的事。看看奔驰一号的专利书,减振装置甚至都没被考虑进来。

  后来,工程师们在悬架中设计了减振器和弹簧,这二者也逐渐成为汽车悬架结构的重要部件。但至今还是有不少人搞不明白这二者之间到底有啥区别,听起来,弹簧和减振器都应该是减振才对,怎么要分开来说呢?

  弹簧种类较多,比如螺旋弹簧,扭杆弹簧,钢板弹簧橡胶弹簧和气体弹簧等,轿车悬挂最长使用的是螺旋弹簧。这里用最普遍的螺旋弹簧为例,讲解一下二者之间的区别。

  汽车螺旋弹簧并没有特别神奇之处,也就是比我们小时候玩的弹簧要大些,原理其实大致相同。弹簧是一个储能元件,对于外力作用,能起到缓冲效果。至于弹簧的缓冲,其实大家再熟悉不过了,不少篮球鞋底部会采用气垫弹簧设计,以达到缓冲效果。

  但缓冲并不能把能量消耗殆尽,因为结构的原因还会将能量完全释放,加上没有支撑,弹簧容易忽上忽下、忽左忽右晃动,很难保证汽车行驶稳定性。因为弹簧的“不靠谱”,我们需要设计一个装置来消耗掉这些能量。

  这时候,减振器就派上用场了。减振器的作用简单来说是通过阀门壁与液压油之间的摩擦和液压油分子之间的内摩擦,形成阻尼,把振动能量转换为热能,再由减振器外壁吸收并发散到外界空气中。将振动的能量转换为热能散发,这样力振动就不会传递到车身上,车内乘客就不会感觉车开起来特别颠簸了。

  虽然弹簧不是消耗能量的主要部件,但它能起到缓冲作用。汽车振动能量往往很大,而且跳动速度很快,如果没有弹簧缓冲,把减振器消耗能量的行程延长,指望减震器在很短的行程内把振动能量都消耗掉,难度就大大提高了。所以弹簧和减振器之间的合作,变得尤为重要了。

  根据二者的特点,他们发挥作用的时机也略有不同:在压缩行程时弹簧起主要作用,减振器阻尼力较小,以便充分发挥弹性元件的弹性作用,缓和冲击;伸张行程时减振器其主要作用,此时弹簧释放弹性势能,减振器阻尼力变大,迅速消耗能量减振。

  当然也有不采用减震器+弹簧组合的情况。比如主动式悬架,通常是以一个液压或气压吸筒来代替一组弹簧和减振器。说它是主动式,是因为它能根据路面情况能主动调节悬架的高度和软硬度,从而使汽车在不同情况下都能保持较佳的稳定性和舒适性。

  细心的朋友会发现,有的汽车上采用的是弹簧和减振器一体式,有的是分离式。不仅如此,即使同一辆汽车上,前悬多采用一体式,后悬多采用分离式。这分分合合的,到底为了什么呢?

  我们先来聊聊一体式。这种结构的优点比较直观,那就是节约空间,比如麦弗逊式悬架采用的就是一体式结构。麦弗逊式悬架的主要结构是有螺旋弹簧加上减振器,限制弹簧只能在上下方向的振动,并可以用振动器的行程长短及松紧,来设定悬架的软硬及性能。

  很多汽车的前悬都会采用麦弗逊式悬架,正是因为这种悬架结构简单,占用空间小。当然也有些汽车在后悬架上也会采用麦弗逊式悬架,这往往能获得更大的行李箱容积。

  1. 后悬减振器的工作角度一般会大于20度,一体式情况下,不能很好利用弹簧的支撑功能,如果设计不合适还容易脱出;

  为了改善其后排乘客的舒适性,从整车侧倾角刚度分配考虑,前悬刚度会比后悬大些。而调整的重要手段之一就是调整弹簧、减振器和车轮之间的距离关系。通常来说后轮弹簧应离车轮远些,但减振器离车轮越近,振动衰减越快,消振越好,所以这二者需要一远一近的设定方式。这种分离式结构,虽然会占用一定的空间,但好在后悬部分空间足够。

  此外,分体式布局能够方便控制轮胎与弹簧以及减振器之间的杠杆比差异,这样一来,轮胎行程与弹簧及减振器行程差异不大,有助于提高轮胎的反应能力。

  当然,我们不能简单的通过悬架减振是一体式还是分离式就对悬架高下立判。比如专为后轮设计的纵臂扭转梁式非立悬架,它的组成构成非常简单:用粗壮的上下摆动式拖臂实现车轮与车身或车架之间的硬性连接,再用液压减震器和螺旋弹簧来实现软性连接,以达到吸震和支撑车身的作用。

  而奥迪采用的5连杆后悬架就采用的是一体式减振结构,BOB体育在线结构简单,结构紧凑,重量轻,减少悬架系统的占用空间,多连杆的巧妙组合方式,可使后轮形成正前束,降低转向不足的倾向。

  总之,减振器和弹簧二者在作用上看似有冲突重叠,其实各有作用,比如弹簧在缓冲、调节舒适性上效用明显,而减振器在过滤振能量上不可小觑,二者相互配合,才能发挥悬架的最大功效。

  正常的车(减振器+弹簧),过坎后会经历幅度逐渐降低的上下晃动三次后平稳——弹簧储能缓冲,减振器耗能减振完美配合;

  车用减振器一般是液压式的阻尼减振器,用以吸能,主要通过降低簧下高速高频能量冲击对悬上的影响,算得上是整个悬架中的重要部件。

  弹簧则相对而言决定了车身的起伏,大位移低频信号的传递,提供承载;决定着车身高度,车身姿态等其他参数的重要部件。

  传统汽车主要三大件:发动机,变速箱,悬架总成,其中悬架总成最重要的部件就是弹簧+减振器。悬架的好坏直接影响着驾驶体验。

  当然会在汽车开发过程中做很多试验,弹簧还会进行刚度试验,耐久试验,强度试验等等参考JB3824;减震器会做示功试验,速度特性试验,耐久试验等多种零部件试验,参考QCT545;

  为啥要有弹簧,因为我们需要一个储能器件,否则机械波的能量就直接穿到车身了。弹簧不管是螺旋弹簧还是板簧,都是优秀的机械储能器件,就是你拿个弹簧固定住一端,拨另一端,就会有嘣嗡嗡嗡嗡嗡的响声。如果是一个理想弹簧,有质量分布但材质天顶星无能量损耗,它会按照一个自由频率这样一直响下去。

  为啥要有阻尼,是为了按照特定的需求,对输入进来的这个机械波的能量进行衰减。不管是哪种实现方式,都是为了机械波在经过弹簧时,对每一丁点儿移动刮走一部分能量。

  阻尼加上去,刚才的理想弹簧就不会一直 嘣嗡嗡嗡嗡嗡 响下去,而是在震动包络体现出一个负的exp函数。

  整体效果就成了,地面传上来的震动,能量是P0,被弹簧旁路掉了Ps,同时被阻尼消耗掉了Pd1,然后弹簧带着车轮开始震动嘛,里面的Ps,在回弹过程中,又被消耗掉Pd2,再压缩被耗掉Pd3。

  当你车身足够重的时候,车轮+弹簧构成一个振子,它本身是有自己特征频率的,就是刚才那个 嘣嗡嗡嗡嗡嗡 的频率。一个振子系统对地面传来的波,具有频率选择性,不是啥形状的石头传进去的能量都一样。

  我们想要的是,极点位置能尽可能低,比如一个赛道,最快的弯走过去需要1s,那最好是2Hz往上的频率,都进到弹簧里面,然后被阻尼消散掉。

  其实真实的情况,是需要考虑弹簧长度,悬挂的压缩比(轮子上升1cm,弹簧压缩多少),车重(轮荷),悬挂几何这几项共同来决定的。

  但是简单来说,就是路边摊改车界张口不离的“簧下质量”和弹簧K值。ps:其实弹簧不能瞎换的,因为K值和预压缩长度绑在一起,是共同影响车轮倾角束角和轮荷的。后面展开了会说到,弹簧跟防倾杆,要换一起换/调。

  先不考虑这么真实的情况,簧下质量和K值决定了,你的这套减震器,能对各个速度的震动/冲击,产生何种响应,这又牵扯到这个系统对车身的传输函数和对车轮的传输函数,涉及到车身内的乘坐感受/舒适性(是否平稳),和车轮的悬挂响应(是否贴地)。赛车注重的是后者,所以一般才会用高K弹簧,推杆接耦,低回弹阻尼这些设定。为的是车身可以颠,但车轮尽可能不离地。也就是刚才说的振子系统,特征频率要够高。

  如果只有弹簧而没有阻尼器,悬架压缩的能量将几乎没有消耗。只靠悬挂各个关节那点阻力,车颠起来、晃起来会很久才能停下。