汽車減震器的現狀及其發展趨勢

陳偉 賈春松 鄧鵠 張 廣

摘要：汽車減震器是汽車懸掛系統中的重要組成部分，它能減小車輛在行駛中因路面不平而產生的震動和顛簸，提高駕駛舒適性和車輛的穩定性。隨著汽車工業的不斷發展和人們對駕駛舒適性和安全性要求的提高，汽車減震器也在不斷演進和改進。了解汽車減震器的基本原理和發展歷程，有助于車主和技術人員更好地了解其重要性和維護方法，同時也能為汽車減震器的改進和升級帶來一定的啟示。從汽車減震器的原理、發展歷程、設計和材料等方面進行探討，并指出當前汽車減震器面臨的挑戰和未來的發展方向。

關鍵詞：汽車減震器；性能指標；碳纖維；智能化控制

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-04-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.009

1 前言

汽車減震器是車輛懸掛系統中至關重要的組件之一，它的主要功能是減少車輛在路面行駛中的震動和顛簸，提高駕駛舒適性和車輛穩定性。減震器通過將懸掛系統與車身連接起來，將路面的沖擊和振動轉化為熱能或機械能來緩解震動。

隨著汽車行業的發展，汽車行駛過程中產生的振動已經成為制約汽車發展的重大障礙。汽車行駛過程中產生的振動將嚴重降低汽車的舒適性、穩定性和安全性，降低人們乘坐汽車時的享受，并且汽車零部件的使用壽命也會大大縮短。因此，在人們對汽車舒適和安全性要求越來越高的情況下，汽車減震器的重要性也愈加凸顯，研發結構簡單、性能良好，能夠滿足汽車高速運行狀態的減震器也已經成為汽車領域亟需解決的問題。本文介紹了汽車減震器發展歷程及發展現狀，以及汽車減震器的基本原理和分類，同時探究了汽車減震器的發展趨勢。

2 汽車減震器的發展歷程

2.1 彈簧減震器

彈簧是最早的汽車阻尼系統的主體結構，如圖1所示，它的阻尼性能可靠、穩定性好，但它的缺點是不能吸收振動能量，并且容易出現共振。但由于橡膠與彈簧結合在一起的減震器只具有單向作用[1]，彈簧減震器的減震性能無法滿足人們對減震性能的要求，若減震器的結構形式仍停留在簡單的彈簧式，就難以實現汽車減震系統性能上的突破。在早期有一種單作用彈簧減震器，由彈簧、減振器與導向輪三個部件組成，當汽車行駛過程中遇到路面顛簸時，減振器內的彈簧會產生較大阻尼力使車身上下振動得到有效抑制。但是這種減震器所需零部件較多、重量較大、成本高。隨著汽車技術的發展，人們對汽車減震系統要求越來越高，為了滿足人們對汽車減震系統的要求，減震器由彈簧式轉向了液壓式。

2.2 液壓減震器

20世紀10年代出現了第一個使用的液壓減震器，在橡膠制成的中空節中有油液流通經過所產生的阻尼可以在一定程度上衰減振動。20世紀40年代，筒式液壓阻尼器被開發并被廣泛使用。如圖2所示，當活塞在阻尼器中運動時，油液會進入阻尼器的另外一個內腔，通過與內腔的摩擦形成阻尼力，從而達到減震的目的。筒式液壓減震器具有適應性強、質量輕、成本低且使用壽命長的優點，但在高速運行下的減震器會有充油不及時的情況發生，造成工作特性發生改變，不能有效地減震，還會產生噪聲和沖擊[2]。

2.3 充氣式液壓減震器

由于筒式液壓減震器有諸多不足，20世紀50年代研發出充氣式減震器。如圖3所示，充氣式減震器的工作原理主要是為汽車振動時，使活塞進行往復運動，并且有油壓差產生在活塞上下腔，來回流動通過壓力油推開伸張閥和壓縮閥來實現，然后借助壓力油產生較大阻尼以起到減震效果。將低壓氣體沖入補償室內可以使補償能力得到有效提高，從而使充油不及時的問題加以解決[3]。充氣式減震器結構簡單，而且充油不需要依靠活塞來實現，所以在技術上能夠得到充分的發展。充氣式減震器的主要優點是能夠達到良好的減震效果，但缺點是成本相對較高。

3 汽車減震器的國內外發展現狀

3.1 國外發展現狀

目前，國外液壓阻尼器的發展還比較先進，處于發展充氣阻尼器、可調阻尼器和自適應阻尼器的階段。充氣式阻尼器和可調式阻尼器是主流的阻尼器，它隨負載變化而變化。國外研究人員更強調節能、降低油耗和提高速度等功能。由于液壓雙缸減震器的開發時間相對較長，技術相對成熟，因此傳統減震器也有市場和空間，其市場占有率相對較高。一些新的可調式減震器也在積極開發和商業應用中，日本、德國和韓國的汽車公司都在積極開發。許多汽車制造商都建立起了一個比較大的汽車結構的研究和技術團隊，并將其作為一個主要的工作來進行實際的探索。健全的研發體系、成熟的推廣應用體系、及時的反饋體系，這些都是國外在汽車減振器研發中所總結出來的寶貴經驗，值得我國有關企業借鑒和使用[4-5]。

3.2 國內發展現狀

我國汽車工業誕生得比較晚，但技術更新和應用頻率較快，對于汽車減震器來說我國的發展時間也相對較短?，F階段，很多汽車上安裝的減震器技術水平比較低，甚至相當于發達國家20世紀90年代的技術水平，自有技術積累相對不足。許多中高檔轎車使用的減震器是進口的，而國內汽車生產企業生產的國產轎車仍然使用標準的雙缸液壓減震器。因此，提高汽車減震器的開發和應用水平急待提高。

近年來，我國汽車減震器的研發水平逐步提高。在零部件工藝標準和整體微調活動方面取得了很大進展，企業開發了符合行業生產標準的減震器。汽車減震器零部件生產企業逐漸增多，上下游供應鏈的整合水平逐漸提高，這意味著支撐結構已經升級，汽車減震器生產的專用設備廠家已經形成。我國具有自主知識產權、自主生產的自主懸掛式減震器已被國外一些汽車制造商采用，自產減震器在汽車行業取得了一定的應用效果，在減震器理論和實踐研究的基礎上取得了一些建設成果[6-7]。

4 汽車減震器的工作原理

4.1 彈簧減震器

彈簧減震器是一種常用的機械裝置，其工作原理是利用彈簧的彈性來吸收和減少震動和沖擊[8]。

彈簧減震器的結構主要由彈簧、活塞、缸體和閥門組成。在正常情況下，彈簧和閥門處于關閉狀態。當車輛運動時，路面的不平整會產生震動和沖擊力，這些力會傳遞到彈簧減震器上。減震器內部的彈簧受到壓縮產生反彈力，反彈力與外部震動力相抵消，從而減少了車輛的震動。同時，減震器內的閥門也會被打開，壓縮空氣會通過活塞進入缸體，增加缸體內部的壓力。當壓力達到一定程度時，閥門關閉。這樣，彈簧減震器就能夠穩定地控制機器或車輛的震動和沖擊。

4.2 液壓減震器

液壓減震器的工作原理是利用液體的壓縮和流動來吸收和消散機器或車輛產生的能量[9]。

液壓減震器的結構包括液體封閉管、活塞、缸體和閥門。當機器或車輛行駛時，會產生震動和沖擊，這些力會傳遞到液壓減震器上。當液壓減震器受到震動和沖擊時，液體在活塞和缸體之間產生壓縮和流動?；钊S著液體流動的方向而移動，使液體在缸體內部產生阻力，從而減少機器或車輛的震動和沖擊。閥門會控制液體的流動，確保液體在活塞和缸體之間形成穩定的流動狀態。

液壓減震器的工作原理還包括兩個重要的特點：阻尼和回彈。阻尼是指液體在活塞和缸體之間產生阻力，阻止機器或車輛產生過度的震動?；貜検侵敢后w在活塞和缸體之間產生彈性反彈力，使機器或車輛回到原來的位置，確保運動的平穩性和穩定性[10]。

4.3 液氣混合減震器

液氣混合減震器是一種結合液壓減震器和氣壓減震器優點的新型減震器。它的工作原理是基于液體和氣體的壓縮和擴張，通過控制內部的壓力和流量，實現對車身的減震和穩定控制。

液氣混合減震器的結構由兩部分組成：液壓減震器和氣體彈簧。液體減震器主要由活塞、缸體、閥門組成，通過閥門控制油液的流動，實現對車身的減震。氣體彈簧則是通過填充氣體，使減震器具有彈性，可以更好地吸收沖擊，提高車輛的行駛舒適性[11]。

液氣混合減震器的工作原理基于活塞和缸體之間的液體和氣體的壓縮和擴張。當車身受到沖擊時，液體和氣體同時受到擠壓，液體通過閥門流入減震器的膛室，減緩沖擊的力量，同時氣體彈簧也隨之壓縮。當車身減速或停止時，液體和氣體同時擴張，液體從膛室流回缸體，氣體彈簧恢復原狀，使車身恢復平穩狀態。

液氣混合減震器具有良好的減震性能和穩定性，同時也具有較高的彈性和調節性能，綜合了液壓減震器和氣壓減震器優點，是目前汽車中應用最廣泛的減震器之一[12]。

4.4 磁流變阻尼器

磁流變阻尼器是一種利用磁流變流體產生的阻尼力來控制機械振動的裝置。如圖4所示，它通常由磁流變阻尼器本體、電磁線圈、控制系統等組成[13-14]。

磁流變阻尼器的工作原理是通過改變磁流變液體在磁場中的流動狀態，從而改變阻尼器的阻尼特性。當磁流變液體處于磁場中時，由于磁力線的影響，液體的流動狀態和粘度會發生變化，從而產生阻尼力。

在磁流變阻尼器中，液體的流動狀態和粘度是由電磁線圈產生的磁場大小和方向來控制的。通過改變電磁線圈的電流大小和方向，可以改變磁場的大小和方向，從而調整磁流變液體的流動狀態和粘度，控制阻尼器的阻尼特性。

磁流變阻尼器的工作特點是阻尼力可調，響應速度快，穩定性好。它可以通過改變電磁線圈的電流大小和方向，快速地調整阻尼器的阻尼特性，以適應不同的機械振動狀態。由于磁流變液體具有良好的流動性和穩定性，磁流變阻尼器的穩定性和耐久性也比較好，適用于各種機械振動控制領域[15-16]。

5 汽車減震器的性能指標

5.1 阻尼力

汽車減震器中的阻尼力是指減震器在緩沖沖擊時產生的阻尼力，也就是阻礙減震器的運動，其大小取決于減震器內部的結構[17]。

阻尼力可以提高汽車的穩定性和控制性能，保證汽車的行駛舒適性。當汽車通過坑洼路面或者過彎時，車身會產生較大的擺動，如果沒有減震器的阻尼作用，車身會繼續彈跳，導致行駛不穩定，甚至發生側翻事故。而適當的阻尼力可以將車身的擺動穩定在一個合適的范圍內，提高車輛的穩定性和控制性能，從而保證行車安全以及行駛時的舒適感[18]。

5.2 溫度特性

汽車減震器中的溫度特性是指減震器在不同溫度下的性能表現。

減震器在高溫環境下會產生油液泄漏等問題。在汽車長時間高速行駛后，減震器會因為受到強烈的摩擦而產生高溫，從而影響其正常的工作效果。油液泄漏會降低減震器的液壓性能，從而降低車輛的行駛穩定性。

減震器在低溫環境下會產生油液黏度變化和減震器彈性降低等問題。在寒冷的環境下，減震器的油液黏度會變得較高，從而影響其液壓性能和響應速度。同時，減震器的彈性特性也會因為低溫而降低，從而影響車輛的操縱性能。

溫度特性對減震器壽命也有著重要的影響。減震器在高溫和低溫環境下都會產生一定程度的損耗，從而縮短減震器的使用壽命。車輛經常在惡劣的環境下行駛時，減震器的使用壽命可能會更加縮短，因此需要定期維護和更換[19]。

5.3 耐久性

汽車減震器的耐久性是指其在長期使用過程中保持正常工作狀態的能力。

減震器是汽車中比較容易磨損的部件之一。在長期的使用過程中，減震器會因為受到道路顛簸、震動等因素而產生磨損，從而降低其性能。如果減震器磨損過度，可能會導致車輛行駛時出現不穩定、跳動等問題，甚至危及行車安全。

減震器的耐久性還與材料和制造工藝等因素有關。如果減震器的材料質量不過關或者制造工藝不精良，可能會影響減震器的使用壽命和性能。例如，減震器中的密封圈如果失效，可能會導致油液泄漏，進而影響減震器的液壓性能。因此，在減震器的設計和制造過程中，需要注重材料的選擇和制造工藝的精益求精，以提高減震器的耐久性和性能。

6 汽車減震器的發展趨勢

6.1 材料方面

隨著科技的不斷發展和人們對汽車行駛安全性能要求的不斷提高，新材料的應用已成為汽車減震器未來發展的重要趨勢。

傳統的汽車減震器主要采用金屬材料制造，然而金屬材料存在著密度大、重量重、易生銹等缺點。相比之下，碳纖維材料具有密度低、強度高、耐腐蝕等優點，可以大幅減輕重量，并且提高減震器的性能，因此在汽車減震器中的運用具有很大的優勢[20-21]。

陶瓷材料也是汽車減震器中的先進材料。陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等特點，這些特性可以大大提高減震器的耐久性和抗沖擊性能，能夠抵抗酸堿等化學物質的腐蝕，減少減震器的損耗和維護成本，同時，陶瓷材料的高溫穩定性也能夠保證減震器在高溫環境下的正常工作[22-23]。

6.2 工藝方面

3D打印技術是一種快速、高效的制造技術，可以實現汽車減震器的定制化生產，滿足個性化需求。并且，3D打印技術還可以實現對材料的多種組合，以及對減震器部件的微觀結構和性能的精細調節，從而實現更加精準的設計和生產[24-25]。

納米技術也是一種研究材料和器件在納米尺度下的特性和應用的前沿技術，不僅可以有效提高減震器部件的性能和耐久性，增強減震器的緩震效果和穩定性能，而且可以制造出更加精細、復雜的減震器部件，提高減震器的精度和穩定性。此外，納米技術還可以通過提高減震器部件的表面能和潤滑性能，減少減震器部件之間的磨擦和損耗，從而降低汽車維修成本和能源消耗[26-27]。

綜上所述，從新工藝的角度看，未來汽車減震器的發展方向是精密化和高效化。這些新工藝的應用可以提高減震器的質量和性能，同時降低生產成本和環境污染，有利于推動汽車工業的可持續發展[28-29]。

7 結語

隨著科技的發展，汽車對減震器的要求越來越高，但汽車減震器無論向哪個方向發展，最終都只有一個目的，即改善汽車行駛的平順性和操縱穩定性，并且在操縱性和舒適性之間取得最理想的工作點?？傊?，未來的汽車減震器應該具備高精度、高密封性以及更好的使用性能，為車內駕駛者與乘客提供更加舒適安全的環境。

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作者簡介：

陳偉，男，1976年生，工程師，研究方向為汽車減震器。

張廣（通訊作者），男，1990年生，副教授，研究方向為磁流變智能材料與結構。