文 | qianmo,重慶大學汽車工程專業在讀碩士
車迷們經常討論懸架的布局方式——扭力梁、麥弗遜或多連杆,卻很少聊到減震器的形式。實際上,減震器是汽車懸架重要的一部分,和舒適性、操控性都息息相關。很多時候一輛車動態表現怎麼樣,都和減震器脫不開關係。
汽車一般將彈簧與減震器並聯作為懸架彈性元件(避震器),彈簧起支撐車身和緩衝的作用,而減震器則用來衰減這些振動。
如果車上只有彈簧沒有減震的話,估計沒人能在車上坐穩吧。
避震器總成
還有些改裝愛好者,則故意拆掉避震器再配合主動空氣彈簧讓轎車能夠自己跳躍,因為沒有了減震器的衰減,這種彈跳能持續更久。下圖是一輛專門改裝的無前懸減震器的轎車。
無阻尼狀態的前懸架
籠統概括,三種減震器形式最為常見:液壓式減震器、充氣式減震器和電磁式減震器。一些可以調節阻尼的減震器也是這三種基礎上改進的。
無論是哪種阻尼,都會具有欠阻尼,過阻尼和理想阻尼三種情況。
不同狀態阻尼車身運動
欠阻尼
就是指阻尼值不夠,減震器抑制不住彈簧,車子要上下運動好幾次才能穩定下來,該狀態下輪胎附著力會降低,汽車操控性能很差。
過阻尼
就是阻尼太大了,彈簧被壓縮了以後反彈困難,該狀態也是應該規避的。
理想阻尼
我們期望達到的狀態,在及時衰減振動的同時還能保證清晰的地面反饋,讓車子控制起來更靈活。
另外,具有雙向阻尼的減震器(即在壓縮時和反彈時都有阻尼效果)一般需要壓縮阻尼小於回彈阻尼,壓縮過程主要發揮彈簧緩衝的作用,回彈時再抑制振動。
接下來簡單介紹一下這3種減震的工作原理吧。
液壓式減震器
液壓減震器在 20 世紀初就被廣泛使用。液壓式減震一般為雙筒(復筒)結構。看起來只有一個筒啊,為啥叫雙筒結構呢?其實其內部是雙層結構,這個從阻尼液流動原理圖可以看出來,內部一層為主要的工作空間,外部一層為儲油缸。
液壓式減震器
它的工作原理很簡單,也許有朋友玩兒過注射器。就是圖片裡面這種很常見的注射器,你吸一管水然後推出去,是不是發現推動快的時候力大,推動慢的時候力小?這就是阻力作用啦。
注射器
與注射器不同的是,減震器將阻尼液在上下腔之間推動,而不是和注射器一樣直接推到空氣中,畢竟還要循環在循環的利用,不能浪費嘛。
具體的流動過程在阻尼液循環原理圖中。
中間的活塞杆往下動,下腔的阻尼液就通過活塞上的閥門流向上腔,多餘部分流到儲油缸;活塞杆往上運動,上腔阻尼液又被壓回來,欠缺的部分由儲油槓補。
雙筒避震有四個閥門,單筒有2個閥門,多出的兩個閥門就是與儲油缸連接的(單筒沒有儲油缸)。油液分子與孔壁摩擦,因為摩擦生熱(內能),將這能量損耗掉,起到減震作用。阻尼力與運動速度成比例,運動速度越快,阻尼力越大。
阻尼液流動原理
這裡又涉及到一個問題,因為摩擦產生的大量熱量會釋掉阻尼液,阻尼液粘度就會降低,導致阻尼值減小,形成"阻尼衰退"(Shock Fade)。這種現象不能消除,因為工作原理就是這樣,沒法從根源上改變。所以,好點兒的避震為了規避這種現象,都會加大筒徑,增加油液,讓熱量快些跑掉。
優缺點
液壓式避震器的發展久遠,技術都已經很成熟了,成本相對較低,當然市場價的話不可避免的就要看你愛車的品牌了,品牌價值你懂的。因為它的內部只有阻尼液一種,更容易獲得我們想要的阻尼值,且行程較大。但油壓式為雙筒結構散熱相比單筒氣壓式要差,活塞面積相比單筒要小,因此最大承載力會小一些。
現階段,因為氣壓式減震的發展大多數車其實都使用的氣壓避震了。
氣壓式減震器
50年代人們就研究出了氣壓式減震器,它與傳統油壓減震的區別在於多了一個氣體室(一般為氮氣惰性氣體)。
圖為雙筒式氣壓減震器,左側藍色氣瓶為氣體室。另外還有部分減震器的氣體室與主缸體共用,稱為單筒式氣壓減震器,形式可能不同但原理都一樣。
雙筒氮氣減震
長安CS75後懸單筒氮氣減震
這裡有一個誤區
氣壓式減震並非工作介質全為氣體,主缸內仍為油液,只有氣室內有部分氮氣,氣體與油液之間有一個可以活動的活塞將其分開。活塞在壓縮或伸張過程由於兩側壓力變化可以運動。下圖中藍色部分即為氣體室。
單筒式氣壓避震器剖視
那麼氣體的加入有什麼優勢,為什麼要研究氣壓式減震器呢?
我認為油氣結合是一種相互彌補的作用,油液(阻尼液)粘稠能夠有效的衰減振動,但也反應遲鈍,響應不夠迅速,氣體能夠迅速響應但減震又會很硬,兩者相結合正好剛柔並濟,豈不美妙。
現在很多車都已經用上了氣壓式避震器,看看你愛車的避震器上有沒有寫「內含低壓(高壓)氣體」幾個字。如上文提到的長安CS95,2014款長安CX20等 。
競技方面氣壓式減震器才是如火如荼,上到F1,下到大學生方程式,具有良好品質的氣壓式減速器被廣泛使用。
長安CX20
F1法拉利
方程式合肥工業大學車隊
可變阻尼式減震器則是以上兩種減速器的改進。在閥門上設計了可以手動調節孔徑的結構(可以想像是注射器的噴嘴尺寸改變),業內所謂多檔減震就是有多個擋位來調節孔徑或者孔量。
一般用戶沒事兒誰也不會去調自家阻尼,所以大多車企都是安裝的單檔的避震,當然這個避震也是經過嚴格選型,阻尼值滿足要求的。
空氣彈簧與氣動避震的區別是什麼?
能夠調節車身高度的是空氣彈簧,空氣彈簧簡單理解起來就是把彈簧換成了氣囊。它的剛度(軟硬)是可以根據氣壓來調節的。它可以充氣來提高剛度增加車身高度,放氣減小剛度,降低車身。低趴的車身或者是改了短彈簧,或者就是它的空氣彈簧故意放了氣吧。
寶馬528改裝空氣彈簧
10代思域改裝絞牙避震
但不同駕駛過程中,懸架軟硬的改變得益於避震,如果汽車裝有可以自動改變阻尼的減震器,在運動模式或者過彎工況及時增大阻尼,就能使車變得更硬朗。而在平直道路上,降低懸架阻尼能獲得更好的舒適性。
電磁式減震器
電磁式減震器是一種主動減震器。最大的特點就是它能夠通過汽車ECU(汽車的大腦)獲得信號,實時改變阻尼,控制懸架軟硬。理論上ECU可以控制它1秒內改變阻尼值一千次。沒錯,和你想的一樣這玩意兒不是便宜貨。
電磁式減震器原理
奧迪TT就使用了這種可控阻尼技術,其將阻尼液中加入細小的鐵成分,再給線圈通上電流,線圈內便產生電壓,從而形成一個磁場,並改變阻尼液分子的排列方向來影響鐵粒流動的阻力,電流越大阻尼越大,反之越小。這種另闢蹊徑的思想我是佩服透頂。
奧迪TT
奧迪R8與凱迪拉克XTS也採用了同樣原理的減震器。
奧迪R8
凱迪拉克XTS
不可否定,以後的減震器發展方向一定是向著主動控制發展的。隨傳感器技術和優秀算法的發展而發展。