文|钱穆,重庆大学汽车工程硕士
球迷们经常谈论悬架的布置方式——扭力梁、MACPERSON或多连杆,但很少谈论减震器的形态。事实上,减震器是汽车悬架的重要组成部分,与舒适性和可操作性密切相关。一辆汽车动态地表现如何,经常和减震器脱不了关系。
汽车通常将弹簧和减震器平行作为悬挂弹性元件(减震器),弹簧起到支撑车身和缓冲的作用,减震器用于衰减这种振动。
如果车上只有弹簧,没有减震,恐怕没有人能坐在车里。
减震器组件
另外,一些改装爱好者故意拆开减震器,配合主动空气弹簧,让轿车自行跳跃。因为没有减震器的衰减,这种跳跃可以持续更长时间。下图是一辆特别改装的没有全面减震器的轿车。
无阻尼前悬架
一般来说,三种减震器形式最常见:液压减震器、充气减震器和电磁减震器。一些可以调节阻尼的减震器也在这三个基础上得到了改善。
任何阻尼都有欠阻尼、过阻尼和理想阻尼三种。
不同状态下阻尼体运动
造成阻尼
阻尼值不足,意味着减震器无法抑制弹簧,汽车上下移动多次才能稳定下来。在这种状态下,轮胎附着力下降,汽车操纵性能下降。
超阻尼
阻尼太大,弹簧压缩后反弹困难,这种状态也要避免。
理想阻尼
我们期待的状态是及时衰减振动,同时保证明确的地面反馈,使汽车更加灵活。
另外,具有双向阻尼的减震器(即压缩时和反弹时的阻尼效果)一般要求压缩阻尼小于弹簧阻尼,压缩过程主要充当弹簧缓冲区,抑制弹簧反弹时的振动。
接下来,我将简单介绍这三种减震工作原理。
液压减震器
液压减震器在20世纪初被广泛使用。液压减震通常是双缸(复合缸)结构。好像只有一个桶,为什么叫双通结构?实际上,内部是双层结构,从阻尼液流动结构图可以看出,内部一层是主要工作空间,外部一层是油缸。
液压减震器
工作原理很简单。也许朋友玩了注射器。是照片中常见的注射器。吸一桶水,然后推开。快速推进时力量大,慢慢推进时发现力量小吗?这就是抵抗的作用。
注射器
与注射器不同,减震器不是像注射器一样直接将制动液推入空气中,而是向上和向下推进。最终要回收利用,所以不能浪费。
具体的流动过程在于阻尼流体循环结构图。
当中间活塞杆向下时,下降的阻尼液通过活塞的阀门流向上腔,不必要的部分流入贮罐。活塞杆向上移动,上腔阻尼液再次被压下,不足的部分用储杆补充。
双筒望远镜有四个阀门,单通有两个阀门,还有两个阀门
就是与储油缸连接的(单筒没有储油缸)。油液分子与孔壁摩擦,因为摩擦生热(内能),将这能量损耗掉,起到减震作用。阻尼力与运动速度成比例,运动速度越快,阻尼力越大。
阻尼液流动原理
这里又涉及到一个问题,因为摩擦产生的大量热量会释掉阻尼液,阻尼液粘度就会降低,导致阻尼值减小,形成"阻尼衰退"(Shock Fade)。这种现象不能消除,因为工作原理就是这样,没法从根源上改变。所以,好点儿的避震为了规避这种现象,都会加大筒径,增加油液,让热量快些跑掉。
优缺点
液压式避震器的发展久远,技术都已经很成熟了,成本相对较低,当然市场价的话不可避免的就要看你爱车的品牌了,品牌价值你懂的。因为它的内部只有阻尼液一种,更容易获得我们想要的阻尼值,且行程较大。但油压式为双筒结构散热相比单筒气压式要差,活塞面积相比单筒要小,因此最大承载力会小一些。
现阶段,因为气压式减震的发展大多数车其实都使用的气压避震了。
气压式减震器
50年代人们就研究出了气压式减震器,它与传统油压减震的区别在于多了一个气体室(一般为氮气惰性气体)。
图为双筒式气压减震器,左侧蓝色气瓶为气体室。另外还有部分减震器的气体室与主缸体共用,称为单筒式气压减震器,形式可能不同但原理都一样。
双筒氮气减震
长安CS75后悬单筒氮气减震
这里有一个误区
气压式减震并非工作介质全为气体,主缸内仍为油液,只有气室内有部分氮气,气体与油液之间有一个可以活动的活塞将其分开。活塞在压缩或伸张过程由于两侧压力变化可以运动。下图中蓝色部分即为气体室。
单筒式气压避震器剖视
那么气体的加入有什么优势,为什么要研究气压式减震器呢?
我认为油气结合是一种相互弥补的作用,油液(阻尼液)粘稠能够有效的衰减振动,但也反应迟钝,响应不够迅速,气体能够迅速响应但减震又会很硬,两者相结合正好刚柔并济,岂不美妙。
现在很多车都已经用上了气压式避震器,看看你爱车的避震器上有没有写“内含低压(高压)气体”几个字。如上文提到的长安CS95,2014款长安CX20等 。
竞技方面气压式减震器才是如火如荼,上到F1,下到大学生方程式,具有良好品质的气压式减速器被广泛使用。
长安CX20
F1法拉利
方程式合肥工业大学车队
可变阻尼式减震器则是以上两种减速器的改进。在阀门上设计了可以手动调节孔径的结构(可以想象是注射器的喷嘴尺寸改变),业内所谓多档减震就是有多个挡位来调节孔径或者孔量。
一般用户没事儿谁也不会去调自家阻尼,所以大多车企都是安装的单档的避震,当然这个避震也是经过严格选型,阻尼值满足要求的。
空气弹簧与气动避震的区别是什么?
能够调节车身高度的是空气弹簧,空气弹簧简单理解起来就是把弹簧换成了气囊。它的刚度(软硬)是可以根据气压来调节的。它可以充气来提高刚度增加车身高度,放气减小刚度,降低车身。低趴的车身或者是改了短弹簧,或者就是它的空气弹簧故意放了气吧。
宝马528改装空气弹簧
10代思域改装绞牙避震
但不同驾驶过程中,悬架软硬的改变得益于避震,如果汽车装有可以自动改变阻尼的减震器,在运动模式或者过弯工况及时增大阻尼,就能使车变得更硬朗。而在平直道路上,降低悬架阻尼能获得更好的舒适性。
电磁式减震器
电磁式减震器是一种主动减震器。最大的特点就是它能够通过汽车ECU(汽车的大脑)获得信号,实时改变阻尼,控制悬架软硬。理论上ECU可以控制它1秒内改变阻尼值一千次。没错,和你想的一样这玩意儿不是便宜货。
电磁式减震器原理
奥迪TT就使用了这种可控阻尼技术,其将阻尼液中加入细小的铁成分,再给线圈通上电流,线圈内便产生电压,从而形成一个磁场,并改变阻尼液分子的排列方向来影响铁粒流动的阻力,电流越大阻尼越大,反之越小。这种另辟蹊径的思想我是佩服透顶。
奥迪TT
奥迪R8与凯迪拉克XTS也采用了同样原理的减震器。
奥迪R8
凯迪拉克XTS
不可否定,以后的减震器发展方向一定是向着主动控制发展的。随传感器技术和优秀算法的发展而发展。
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