1、南昌航空大学科技学院学士学位论文11 绪论世界上第一个有记载、比较简单的减震器是1897年由两个姓吉明的人发明的。他们把橡胶块与叶片弹簧的端部相连，当悬架被完全压缩时，橡胶减震块就碰到连接在汽车大梁上的一个螺栓，产生止动。这种减震器在很多现代汽车悬架上仍有使用，但其减震效果很小。机动脚踏两用车实际上是内燃机技术与自行车技术相结合的产物，它开辟了摩托车的实用时代。随着摩托车的快速和适应野外行驶的需要，必须提高车辆对路面的缓冲能力。早在 1899 年，贝劳摩托车上开始用了弹性后悬挂装置，后来比利时型摩托车采用了前轮弹性悬挂，以及英吉安 C 摩托车采用的前、后轮弹性悬挂H3均可算作早期摩托车悬挂装置
2、的杰出代表。特别是二轮摩托车在操作性、稳定性、舒适性方面，与悬挂装置有着重要的关系。1990 年就开始在前轮采用金属弹簧张力的双向、平行连接装置，30 年代便发明了利用管内粘性机油的液压减震器。1995 年后前轮悬挂装置就采用了伸缩管式和底部杠杆式两类前叉。在伸缩筒式前叉、望远镜式的二个筒内由于有螺旋弹簧和油缸，加工精度要求高，生产效率很低，阻碍了发展和应用。1960 年二轮摩托车的大批量生产，底部杠杆式前叉处于全盛时期，该系统具有结构简单、价格低廉等优点。后来伸缩筒式前叉又重新上市，用于当时盛行一时的两轮赛车上，伸缩筒式前叉优秀的行驶性能方被充分证明。因此，大批量生产的摩托车也竞相采用伸缩筒
3、式前叉，而且由于加工技术的提高，伸缩筒式生产精度也得到了保证。所以，至今为止，各种型式的两轮摩托车都采用伸缩筒式前叉。1910 年开始对后轮悬挂装置的要求也迫切了，由于全链条传递驱动力，后轮必须采用长距离的固定方式。所以车体的缓冲仅只在坐垫下面安装有一金属弹簧。1950 年才开始有正式的后悬挂装置。最初称为滑栓式，并尝试采用摇臂式。50 年代后半期才确立了摇臂式后悬挂装置，即是现代两轮摩托车的后悬挂装置的基础。同样，为了提高行驶稳定性、乘坐舒适性，后轮行程逐年增大，减震器组件行程在结构上受到了限制。因此前倾后减震器、后减震器组件安装位置前移等，用以增大杠杆比的方法增大后抡幸臣。进入 70 年代
4、又开发了装有单减震器的单减震系统，特别是 1973 年开始用与越野车之后，公路赛车，大型运动车均很快地采用了这种单减震器后悬挂系统。两轮摩托车，其发动机排量从 50 的家用车到 1500 的大型旅游车。对悬3cm3cm挂装置，根据不同排量、不同用途的车辆的要求，其设计的方法各有不同，但又存南昌航空大学科技学院学士学位论文2在有共同之处，即最近的悬挂装置将行驶稳定性、操终性、舒适性都放在主要位置上。大部分两轮车还是采用液压式伸缩式前叉，除了要求完全吸收较大的冲击，提高结构刚度外，最后采用经四氟乙烯（teflon）处理的金属套筒用作滑动表面，大大的减小了伸缩筒运动时产生的摩擦。两轮车增大车轮行程就
5、具有良好的舒适性，最近前叉行程增大为 140180mm，越野车可达 300mm 左右，且具有降低弹簧刚度、阻尼力的倾向，向提高稳定性的方向发展。当然在不断增大车轮运动行程，两轮车在一人或二人乘坐的不同载荷条件下，车体下沉量是不同的。特别是制动时由于重心前移，车体姿势变化更大。采用空气调节式的油气悬挂装置或抗“点头”装置的悬挂装置，可以有效地防止紧急制动时的车体前倾变化。自从 20 世纪 60 年代开始，几乎每年都有几十项减震器专利出现，表 1 是汽车文摘摘录的汽车悬架减震器专利技术的统计，其中在美国申请的专利技术尤为多，且专利申请人大多是日本的公司和个人。国内外减震器产品在许多方面存在着较大的
6、差距：（1）产品的结构与性能方面（减震器的可拆性与速度特性间的差距） ；（2）制造技术与工艺设备方面（原材料、减震油、橡胶制品、连杆制造工艺、冲压工艺、粉末冶金制造工艺、贮油筒制造工艺等方面的差距） ；（3）测试手段方面；（4）总成装配方面，此外，由于轿车减震器是作为一个不可拆元件整体出厂销售的，一旦其中某个小零件发生失效，整个减震器也就报废了，因而减震器技术的发展和研究应该成为我国汽车行业发展和水平提高的一个重要课题。我国自 1957 年 7 月洪都机械厂成功地仿制 M72 型边三轮摩托车，揭开了我国生产摩托车的历史以来，到 1978 年摩托车生产量为 1.2 万辆。改革开放以来，我国摩托车
7、生产量得到了飞速增长，品种不断增多。目前在我国已形成了自己摩托车工业生产体系，到 1995 年的生产量超过 700 万辆，已成为世界上第一摩托车生产国。与摩托车生产相适应的减震器产量已达 1500 万支，能生产 9 大系列 50 余种型号，基本满足了我国摩托车生产的发展需要，部分产品已达到了国际同类产品水平，为我国摩托车工业的技术水平提高和发展打下了基础。南昌航空大学科技学院学士学位论文32 总体方案设计2.1 研究内容及实验方案研究内容： （1）减震器整体方案分析与设计（2) 摩托车减震器系统的弹簧特性摩托车悬挂装置的挠度摩托车悬挂装置的理想弹簧特性摩托车悬挂装特性置的实际弹簧（3) 弹簧的
8、材料及工艺弹簧材料的选用弹簧的制造工艺（4) 减震器的速度特性及阻尼力节流阀的压力特性减震器的速度特性减震器阻尼力产生原理实验方案：前减震器有很多种，常见的有弹簧空气阻尼式前叉、弹簧液力阻尼式减震器、油气伸缩式减震器等。其中弹簧空气阻尼式前叉虽然结构简单、造价低，但是它是以活塞管之间的间隙为空气阻尼的双向用途减震器，所以起减震效果不及其他结构的理想。然而油气伸缩式减震器的减震效果都很佳，甚至达到理想的减震效果，增加了舒适性和安全性。但其结构复杂，造价昂贵，大都用在大型或高级二轮车上，如雅马哈 XJ750型、XJ750E，铃木 GS750 型赛车等。而弹簧液力阻尼式减震器不但结构简单，造价低，而
9、且减震效果好，所以我将采用弹簧液力阻尼式前减震器作为我的实验方案。2.2 工作原理弹簧液力阻尼式减震器是摩托车目前使用最为普遍的减震器。其工作原理简要介绍如下。南昌航空大学科技学院学士学位论文4液压阻尼式减震器的结构与吸入式泵基本相似，不同之处只是液压减震器的缸体上端是封闭的，且在阀门上留有小孔(如图2-1所示) 图2-1液力阻尼式减震器工作原理 当摩托车前轮遇到凸起的路面而受到冲击时，贮油筒被压缩，减震弹簧也被压缩，固定在贮油筒内部的减震杆组合也随之上移，而工作缸不动，于是工作缸下方的容积缩小，油压升高，油液便进入缓冲弹簧所在的空腔，同时油液也从减震杆下端的两个小孔进入减震杆内部，这时油液流
10、动阻力较小，减震弹簧起主要减震作用。如果当前轮受到较严重冲击时，减震弹簧被迅速压缩，为了增加弹簧的刚度，我采用了变节距的设计方案，其弹簧是由两断不同节距的圆柱弹簧组合而成，所以其弹簧特性为两段直线组成，随着小节距弹簧依次被压并圈，使弹簧的刚度迅速增大，这样不仅减小了悬挂装置在动绕度终点的冲击，而且减小摩托车高度随载荷的变化。当前轮遇到凹下的路面时，由于减震弹簧和车轮等重量作用，贮油筒向下移动，工作缸下方的容积增大，压力减小，缓冲弹簧所在的空腔容积缩小，压力升高，油液从减震杆中部的小孔进入减震杆内部，同时油液从减震杆下端的两个小孔进入工作缸下方的空腔这时油液流动受到很大的阻力，这样对减震弹簧回弹
11、起了阻尼作用，从而起了减震作用。南昌航空大学科技学院学士学位论文53 摩托车减震器的功能和结构形式3.1 减震器的功能减震器又称缓冲器。它的功能是缓和由于路面不平引起的冲击，衰减摩托车的振动；提高乘坐舒适性，保护货载；减低车体各部分的动应力，增加零件的寿命；加强轮胎的附着性，有助于摩托车的操纵性、稳定性。减震器的机能是利用流体通过孔、隙产生的粘性阻力。采用的工作流体有气体、液体，由于气体粘度太小故很少采用。通常用液体，其粘度虽随温度变化较大，但如果使液体在紊流下工作，作为运动速度的函数的阻尼力可以保持稳定。和固体摩擦减震器相比，利用液体紊流阻力的减震器，在一定阻尼力和吸收能量的条件下，质量小，
12、尺寸小，并在相当的范围内具有能任意规定阻尼力对工作速度的关系等优点。现在液力式减震器是摩托车唯一的实用型的减震器。3.2 摩托车前减震器的结构形式3.2.1.弹簧空气式上部外筒和下联板焊接或直接弯成叉形与转向立柱焊接（图 3-1） ，其内部安装有弹簧及前叉筒。前叉筒通常采用树脂衬套（封有润滑脂）在外部内部滑动，筒壁间的摩擦产生阻尼力。当弹簧压缩到极限时，其中间的限位橡胶块也被压缩，减缓了弹簧进一步被压缩时的冲击。该结构简单，轻、价廉、被轻便车广泛采用。 南昌航空大学科技学院学士学位论文6图 3-1 弹簧空气式前减震器 1-前叉筒； 2-弹簧；3-限位块；4- 转向立柱；5-外筒3.2.2.单筒
13、伸缩式如图 3-2 所示：无缝钢管的外筒用以固定前轴；内筒被上、下联板所夹紧，在其下端设计有铸造或烧结合金的活塞，活塞上部设计有阀片。当活塞在外筒内滑动时，油液通过活塞及内管上的阻尼孔产生阻尼力。弹簧安装在内筒外侧。当内筒向下运动接近外筒底部时，其底部的内孔被油孔挡销插入，对减震油产生很大的节流作用。正是这个节流阻尼力相当于组合式弹簧特性曲线中上升段，吸收了最后的冲击，防止了内筒与外筒底部的刚性碰撞。由于价格比较便宜，一般为二轮车所用。南昌航空大学科技学院学士学位论文7图 3-2 单筒伸缩式前减震器1-弹簧； 2-内筒； 3-外筒； 图 3-3 双筒伸缩式前减震器4-活塞； 5-档销 1-活塞
14、杆（芯管） ；2-衬套；3-外筒； 4-活塞； 5-内管3.2.3. 双筒伸缩式如图 3-3 所示： 刚制内筒在外筒中滑动，内筒下端的内侧装有衬套，在衬套内侧装有固定于外筒底部的活塞杆和活塞，在活塞杆管壁上设计有阻尼孔和活塞一起产生的阻尼力。一般外筒采用铝合金。由于弹簧安装在内侧（下端以活塞为支承） ，外观就显得轻便，因此大多用于大型二轮车。3.2.4. 油汽伸缩式其结构（图 3-4）与双筒伸缩式前减震器相同，在内部上部设计有密封的气室，采用了具有不同耐压形式的油封。由非常柔软的金属弹簧和空气压力形成的组合弹簧，使减震器具有非常优良的弹簧特性。左、右前叉内筒的气室是连通的，使左右空气压力相等，
15、以达到调节左、右叉阻尼力的目的。转动外筒下侧的手柄油缸内设计有旋转阀杆转动，即改变油缸的阻尼孔径，以达到调整阻尼力。另外在内筒上端设有弹簧调节装置，即可根据弹簧的初期负荷进行调整其预压缩量。因此，此前减南昌航空大学科技学院学士学位论文8震器具有多种调节功能，可得到更完美的性能。但由于价格昂贵，常用于大型或高级二轮车。图 3-4 油汽伸缩式前减震器1- 气室；2- 内筒；3- 外筒；4-制动器；5- 旋转阀杆；6-释放阀3.2.5. 防下沉伸缩式前减震器最近采用柔软弹簧的二轮车，随着制动能力的提高，在紧急制动或转弯制动时，车体前部会严重下降产生前减震器下沉现象。防下沉式前减震器即在外筒下部装有师
16、释放阀，在机械或电磁操纵下，释放阀可改变回油路径，按照制动力的增大比例来增大前减震器压缩时的阻尼力，即能有效的防止下沉现象。图 3-4 是防下沉伸缩式前减震器的一例。4 摩托车减震器的主要特性4.1 摩托车减震器的弹簧特性4.1.1 摩托车悬挂装置的挠度南昌航空大学科技学院学士学位论文9（1）静挠度: (mm) (4-1)2cGf图 4-1 悬挂及减震系统称为在质量 G （簧上载荷）作用下弹性元件的静挠度，如图 4-1 各种不同用cf2途的摩托车，对其静挠度要求也各不相同（表 4-1） ，其中越野车要求最大。公路车次之，通用车较小。 表 4-1前、后悬挂装置的静挠度匹配，对摩托车行驶舒适性关系
17、极大，一般要求前悬挂静挠度大于后悬挂静挠度，以减少纵向角振动。（2）动挠度：悬挂装置的动挠度是指摩托车在不平路面上行驶时，悬挂装置在其动载荷作用下的变形量。动挠度通常按其响应的静挠度值的一定比例来选取：通用车： =（0.50.7） (4-2a)dfcf公路车： =（0.50.7） (4-2b)越野车： =（0.50.7） (4-2c)dfcf4.1.2 摩托车悬挂装置的理想弹簧特性摩托车的弹性元件几乎只采用刚质螺旋弹簧最简单的螺旋弹簧是截面圆柱形的具有“线形” （刚度不变）的螺旋弹簧，如图 4-2 所示。P（N ）南昌航空大学科技学院学士学位论文10图 4-2 弹性元件的特性 f（mm）然而，
18、摩托车在行驶过程中则要求弹性元件是变刚度的，而且刚度随负荷增加是递增的，以便在不同的负荷下，使摩托车的车身的固有频率接近恒定。因此，为了获得摩托车的最佳舒适性，摩托车减震器缓冲弹簧应具有的理想弹性特性是（如图 4-3 所示）：（1）弹簧刚度不应是常数，弹性元件应是变刚度的。在压缩时刚度逐渐增大，复原时刚度也应逐渐增大，具有渐进式弹性特性。这样不仅可减少在动挠度终点时的冲击，而且还可减少摩托车车身高度随载荷的变化；（2）从设计位置（静挠度）起，在相当于 60%的动挠度的压缩和伸张的变形范围内，其刚度应为常数，或者变化不大于 20%，以保证摩托车在平坦路面上行驶的舒适性；（3）当超过 60%的动挠度范围后，由于弹簧刚度是递增的，即当载荷增加时，弹簧的附加静态压缩是尽量小，以适应摩托车载荷变化较大的特点，一般最大动挠度处的容许载荷可达静载荷的 34 倍；（4）在静载荷为半载的情况下，要求静挠度 保持不变。因此，应合理地选cf择好静挠度附近的悬挂刚度，以保证摩托车经常在静挠度附近工作时的小幅度振动。
