汽车减震器的现状及其发展趋势

陈伟 贾春松 邓鹄 张 广

摘要：汽车减震器是汽车悬挂系统中的重要组成部分，它能减小车辆在行驶中因路面不平而产生的震动和颠簸，提高驾驶舒适性和车辆的稳定性。随着汽车工业的不断发展和人们对驾驶舒适性和安全性要求的提高，汽车减震器也在不断演进和改进。了解汽车减震器的基本原理和发展历程，有助于车主和技术人员更好地了解其重要性和维护方法，同时也能为汽车减震器的改进和升级带来一定的启示。从汽车减震器的原理、发展历程、设计和材料等方面进行探讨，并指出当前汽车减震器面临的挑战和未来的发展方向。

关键词：汽车减震器；性能指标；碳纤维；智能化控制

中图分类号：U463  收稿日期：2023-04-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.009

1 前言

汽车减震器是车辆悬挂系统中至关重要的组件之一，它的主要功能是减少车辆在路面行驶中的震动和颠簸，提高驾驶舒适性和车辆稳定性。减震器通过将悬挂系统与车身连接起来，将路面的冲击和振动转化为热能或机械能来缓解震動。

随着汽车行业的发展，汽车行驶过程中产生的振动已经成为制约汽车发展的重大障碍。汽车行驶过程中产生的振动将严重降低汽车的舒适性、稳定性和安全性，降低人们乘坐汽车时的享受，并且汽车零部件的使用寿命也会大大缩短。因此，在人们对汽车舒适和安全性要求越来越高的情况下，汽车减震器的重要性也愈加凸显，研发结构简单、性能良好，能够满足汽车高速运行状态的减震器也已经成为汽车领域亟需解决的问题。本文介绍了汽车减震器发展历程及发展现状，以及汽车减震器的基本原理和分类，同时探究了汽车减震器的发展趋势。

2 汽车减震器的发展历程

2.1 弹簧减震器

弹簧是最早的汽车阻尼系统的主体结构，如图1所示，它的阻尼性能可靠、稳定性好，但它的缺点是不能吸收振动能量，并且容易出现共振。但由于橡胶与弹簧结合在一起的减震器只具有单向作用[1]，弹簧减震器的减震性能无法满足人们对减震性能的要求，若减震器的结构形式仍停留在简单的弹簧式，就难以实现汽车减震系统性能上的突破。在早期有一种单作用弹簧减震器，由弹簧、减振器与导向轮三个部件组成，当汽车行驶过程中遇到路面颠簸时，减振器内的弹簧会产生较大阻尼力使车身上下振动得到有效抑制。但是这种减震器所需零部件较多、重量较大、成本高。随着汽车技术的发展，人们对汽车减震系统要求越来越高，为了满足人们对汽车减震系统的要求，减震器由弹簧式转向了液压式。

2.2 液压减震器

20世纪10年代出现了第一个使用的液压减震器，在橡胶制成的中空节中有油液流通经过所产生的阻尼可以在一定程度上衰减振动。20世纪40年代，筒式液压阻尼器被开发并被广泛使用。如图2所示，当活塞在阻尼器中运动时，油液会进入阻尼器的另外一个内腔，通过与内腔的摩擦形成阻尼力，从而达到减震的目的。筒式液压减震器具有适应性强、质量轻、成本低且使用寿命长的优点，但在高速运行下的减震器会有充油不及时的情况发生，造成工作特性发生改变，不能有效地减震，还会产生噪声和冲击[2]。

2.3 充气式液压减震器

由于筒式液压减震器有诸多不足，20世纪50年代研发出充气式减震器。如图3所示，充气式减震器的工作原理主要是为汽车振动时，使活塞进行往复运动，并且有油压差产生在活塞上下腔，来回流动通过压力油推开伸张阀和压缩阀来实现，然后借助压力油产生较大阻尼以起到减震效果。将低压气体冲入补偿室内可以使补偿能力得到有效提高，从而使充油不及时的问题加以解决[3]。充气式减震器结构简单，而且充油不需要依靠活塞来实现，所以在技术上能够得到充分的发展。充气式减震器的主要优点是能够达到良好的减震效果，但缺点是成本相对较高。

3 汽车减震器的国内外发展现状

3.1 国外发展现状

目前，国外液压阻尼器的发展还比较先进，处于发展充气阻尼器、可调阻尼器和自适应阻尼器的阶段。充气式阻尼器和可调式阻尼器是主流的阻尼器，它随负载变化而变化。国外研究人员更强调节能、降低油耗和提高速度等功能。由于液压双缸减震器的开发时间相对较长，技术相对成熟，因此传统减震器也有市场和空间，其市场占有率相对较高。一些新的可调式减震器也在积极开发和商业应用中，日本、德国和韩国的汽车公司都在积极开发。许多汽车制造商都建立起了一个比较大的汽车结构的研究和技术团队，并将其作为一个主要的工作来进行实际的探索。健全的研发体系、成熟的推广应用体系、及时的反馈体系，这些都是国外在汽车减振器研发中所总结出来的宝贵经验，值得我国有关企业借鉴和使用[4-5]。

3.2 国内发展现状

我国汽车工业诞生得比较晚，但技术更新和应用频率较快，对于汽车减震器来说我国的发展时间也相对较短。现阶段，很多汽车上安装的减震器技术水平比较低，甚至相当于发达国家20世纪90年代的技术水平，自有技术积累相对不足。许多中高档轿车使用的减震器是进口的，而国内汽车生产企业生产的国产轿车仍然使用标准的双缸液压减震器。因此，提高汽车减震器的开发和应用水平急待提高。

近年来，我国汽车减震器的研发水平逐步提高。在零部件工艺标准和整体微调活动方面取得了很大进展，企业开发了符合行业生产标准的减震器。汽车减震器零部件生产企业逐渐增多，上下游供应链的整合水平逐渐提高，这意味着支撑结构已经升级，汽车减震器生产的专用设备厂家已经形成。我国具有自主知识产权、自主生产的自主悬挂式减震器已被国外一些汽车制造商采用，自产减震器在汽车行业取得了一定的应用效果，在减震器理论和实践研究的基础上取得了一些建设成果[6-7]。

4 汽车减震器的工作原理

4.1 弹簧减震器

弹簧减震器是一种常用的机械装置，其工作原理是利用弹簧的弹性来吸收和减少震动和冲击[8]。

弹簧减震器的结构主要由弹簧、活塞、缸体和阀门组成。在正常情况下，弹簧和阀门处于关闭状态。当车辆运动时，路面的不平整会产生震动和冲击力，这些力会传递到弹簧减震器上。减震器内部的弹簧受到压缩产生反弹力，反弹力与外部震动力相抵消，从而减少了车辆的震动。同时，减震器内的阀门也会被打开，压缩空气会通过活塞进入缸体，增加缸体内部的压力。当压力达到一定程度时，阀门关闭。这样，弹簧减震器就能够稳定地控制机器或车辆的震动和冲击。

4.2 液压减震器

液压减震器的工作原理是利用液体的压缩和流动来吸收和消散机器或车辆产生的能量[9]。

液压减震器的结构包括液体封闭管、活塞、缸体和阀门。当机器或车辆行驶时，会产生震动和冲击，这些力会传递到液压减震器上。当液压减震器受到震动和冲击时，液体在活塞和缸体之间产生压缩和流动。活塞随着液体流动的方向而移动，使液体在缸体内部产生阻力，从而减少机器或车辆的震动和冲击。阀门会控制液体的流动，确保液体在活塞和缸体之间形成稳定的流动状态。

液压减震器的工作原理还包括两个重要的特点：阻尼和回弹。阻尼是指液体在活塞和缸体之间产生阻力，阻止机器或车辆产生过度的震动。回弹是指液体在活塞和缸体之间产生弹性反弹力，使机器或车辆回到原来的位置，确保运动的平稳性和稳定性[10]。

4.3 液气混合减震器

液气混合减震器是一种结合液压减震器和气压减震器优点的新型减震器。它的工作原理是基于液体和气体的压缩和扩张，通过控制内部的压力和流量，实现对车身的减震和稳定控制。

液气混合减震器的结构由两部分组成：液压减震器和气体弹簧。液体减震器主要由活塞、缸体、阀门组成，通过阀门控制油液的流动，实现对车身的减震。气体弹簧则是通过填充气体，使减震器具有弹性，可以更好地吸收冲击，提高车辆的行驶舒适性[11]。

液气混合减震器的工作原理基于活塞和缸体之间的液体和气体的压缩和扩张。当车身受到冲击时，液体和气体同时受到挤压，液体通过阀门流入减震器的膛室，减缓冲击的力量，同时气体弹簧也随之压缩。当车身减速或停止时，液体和气体同时扩张，液体从膛室流回缸体，气体弹簧恢复原状，使车身恢复平稳状态。

液气混合减震器具有良好的减震性能和稳定性，同时也具有较高的弹性和调节性能，综合了液压减震器和气压减震器优点，是目前汽车中应用最广泛的减震器之一[12]。

4.4 磁流变阻尼器

磁流变阻尼器是一种利用磁流变流体产生的阻尼力来控制机械振动的装置。如图4所示，它通常由磁流变阻尼器本体、电磁线圈、控制系统等组成[13-14]。

磁流变阻尼器的工作原理是通过改变磁流变液体在磁场中的流动状态，从而改变阻尼器的阻尼特性。当磁流变液体处于磁场中时，由于磁力线的影响，液体的流动状态和粘度会发生变化，从而产生阻尼力。

在磁流变阻尼器中，液体的流动状态和粘度是由电磁线圈产生的磁场大小和方向来控制的。通过改变电磁线圈的电流大小和方向，可以改变磁场的大小和方向，从而调整磁流变液体的流动状态和粘度，控制阻尼器的阻尼特性。

磁流变阻尼器的工作特点是阻尼力可调，响应速度快，稳定性好。它可以通过改变电磁线圈的电流大小和方向，快速地调整阻尼器的阻尼特性，以适应不同的机械振动状态。由于磁流变液体具有良好的流动性和稳定性，磁流变阻尼器的稳定性和耐久性也比较好，适用于各种机械振动控制领域[15-16]。

5 汽车减震器的性能指标

5.1 阻尼力

汽车减震器中的阻尼力是指减震器在缓冲冲击时产生的阻尼力，也就是阻碍减震器的运动，其大小取决于减震器内部的结构[17]。

阻尼力可以提高汽车的稳定性和控制性能，保证汽车的行驶舒适性。当汽车通过坑洼路面或者过弯时，车身会产生较大的摆动，如果没有减震器的阻尼作用，车身会继续弹跳，导致行驶不稳定，甚至发生侧翻事故。而适当的阻尼力可以将车身的摆动稳定在一个合适的范围内，提高车辆的稳定性和控制性能，从而保证行车安全以及行驶时的舒适感[18]。

5.2 温度特性

汽车减震器中的温度特性是指减震器在不同温度下的性能表现。

减震器在高温环境下会产生油液泄漏等问题。在汽车长时間高速行驶后，减震器会因为受到强烈的摩擦而产生高温，从而影响其正常的工作效果。油液泄漏会降低减震器的液压性能，从而降低车辆的行驶稳定性。

减震器在低温环境下会产生油液黏度变化和减震器弹性降低等问题。在寒冷的环境下，减震器的油液黏度会变得较高，从而影响其液压性能和响应速度。同时，减震器的弹性特性也会因为低温而降低，从而影响车辆的操纵性能。

温度特性对减震器寿命也有着重要的影响。减震器在高温和低温环境下都会产生一定程度的损耗，从而缩短减震器的使用寿命。车辆经常在恶劣的环境下行驶时，减震器的使用寿命可能会更加缩短，因此需要定期维护和更换[19]。

5.3 耐久性

汽车减震器的耐久性是指其在长期使用过程中保持正常工作状态的能力。

减震器是汽车中比较容易磨损的部件之一。在长期的使用过程中，减震器会因为受到道路颠簸、震动等因素而产生磨损，从而降低其性能。如果减震器磨损过度，可能会导致车辆行驶时出现不稳定、跳动等问题，甚至危及行车安全。

减震器的耐久性还与材料和制造工艺等因素有关。如果减震器的材料质量不过关或者制造工艺不精良，可能会影响减震器的使用寿命和性能。例如，减震器中的密封圈如果失效，可能会导致油液泄漏，进而影响减震器的液压性能。因此，在减震器的设计和制造过程中，需要注重材料的选择和制造工艺的精益求精，以提高减震器的耐久性和性能。

6 汽车减震器的发展趋势

6.1 材料方面

随着科技的不断发展和人们对汽车行驶安全性能要求的不断提高，新材料的应用已成为汽车减震器未来发展的重要趋势。

传统的汽车减震器主要采用金属材料制造，然而金属材料存在着密度大、重量重、易生锈等缺点。相比之下，碳纤维材料具有密度低、强度高、耐腐蚀等优点，可以大幅减轻重量，并且提高减震器的性能，因此在汽车减震器中的运用具有很大的优势[20-21]。

陶瓷材料也是汽车减震器中的先进材料。陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点，这些特性可以大大提高减震器的耐久性和抗冲击性能，能够抵抗酸碱等化学物质的腐蚀，减少减震器的损耗和维护成本，同时，陶瓷材料的高温稳定性也能够保证减震器在高温环境下的正常工作[22-23]。

6.2 工艺方面

3D打印技术是一种快速、高效的制造技术，可以实现汽车减震器的定制化生产，满足个性化需求。并且，3D打印技术还可以实现对材料的多种组合，以及对减震器部件的微观结构和性能的精细调节，从而实现更加精准的设计和生产[24-25]。

纳米技术也是一种研究材料和器件在纳米尺度下的特性和应用的前沿技术，不仅可以有效提高减震器部件的性能和耐久性，增强减震器的缓震效果和稳定性能，而且可以制造出更加精细、复杂的减震器部件，提高减震器的精度和稳定性。此外，纳米技术还可以通过提高减震器部件的表面能和润滑性能，减少减震器部件之间的磨擦和损耗，从而降低汽车维修成本和能源消耗[26-27]。

综上所述，从新工艺的角度看，未来汽车减震器的发展方向是精密化和高效化。这些新工艺的应用可以提高减震器的质量和性能，同时降低生产成本和环境污染，有利于推动汽车工业的可持续發展[28-29]。

7 结语

随着科技的发展，汽车对减震器的要求越来越高，但汽车减震器无论向哪个方向发展，最终都只有一个目的，即改善汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，并且在操纵性和舒适性之间取得最理想的工作点。总之，未来的汽车减震器应该具备高精度、高密封性以及更好的使用性能，为车内驾驶者与乘客提供更加舒适安全的环境。

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作者簡介：

陈伟，男，1976年生，工程师，研究方向为汽车减震器。

张广（通讯作者），男，1990年生，副教授，研究方向为磁流变智能材料与结构。