研究综述报告

作者及研究发表信息

该研究的主要作者为M. Maniowski、S. Para和M. Knapczyk，作者分别隶属于克拉科夫工业大学（Cracow University of Technology）的内燃机和机动车研究所（Institute of Motor Vehicles and Internal Combustion Engines）以及BWI Group S.A.（位于波兰克拉科夫）。研究成果被发表在期刊“IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng.)”第148卷中，文章编号为012020，发表时间为2016年。

研究背景

本研究属于汽车工程与设计领域，重点聚焦于车辆悬挂系统与减震器的性能测试方法。减震器的性能在汽车悬挂系统中具有重要意义，其主要功能是减缓振动、提升驾驶舒适性和操控性能。然而，在实验室条件下，复现车辆运行时的真实减震器工作状态（如高频响应、噪音排放等）存在很大挑战。因此，目前行业内通常采用标准化的测试台架，对减震器的阻尼性能进行评价。但这些测试通常仅模拟理想条件下的减震器工作状态，难以完全反映其在实际车辆悬挂系统以及非弹簧质量影响下的行为特性。

研究的主要目的是通过现代化升级现有的减震器测试台架，将真实车辆悬挂部件（如轮胎、悬挂弹簧、上支座、衬套、导向结构等）整合到测试系统中，以更精确模拟实际车辆工况。同时，采用振动模型的数值仿真对实验台架的行为进行分析，为进一步的开发和改进提供依据。

研究具体流程

1. 实验台架的升级设计
研究的首要步骤是对现有的标准减震器测试台架进行现代化改造，加入关键悬挂部件和非弹簧质量元素。例如，测试台架新增了一些来自真实车辆的组件：轮胎轮毂（带额外非弹簧质量）、悬挂弹簧、弹性上支座、减震器衬套及简化的轮导向机构。通过对每个组件单独测试，其机械特性如阻尼力和刚度被测定并作为振动模型的输入参数。此外，通过设计能够便捷替换的简化悬挂模块，确保台架具备空间效率和组装便捷性。

2. 实验对象与测试方法
本研究选用Mini Morris Cooper S轿车的后轮悬挂作为研究对象，该悬挂为非驱动型，包含拖曳臂、轮毂及与弹簧-减震器模块相连的装置。拖曳臂由两根横向连杆约束，其运动属于球面机构的一部分。

3. 部件特性的测试与数据采集
悬挂系统中的关键组件，包括弹性上支座、主弹簧、弹簧辅助件、下衬套、双筒减震器等分别被单独拆卸并在测试设备上完成测量。采用准静态测试（quasi-static method）评估其刚度特性。此外，实验中包含的轮胎规格为205/45R17，胎压为2.6 bar。实验设置下，悬挂的非弹簧质量及弹簧质量分别被分离并称重，非弹簧质量包括制动盘、轮毂轴承等结构元件，而悬挂弹簧质量则主要由轮辋和轮胎构成。

4. 振动模型的开发与验证
系统的垂直振动特性采用三自由度（3-DOF）振动模型进行数值仿真，同时还构建了更精确的四自由度（4-DOF）悬挂模型。模型中考虑了几何比例，如悬挂系统中轮胎与减震模块的运动比为0.7。仿真研究通过Matlab/Simulink平台完成，计算涉及系统的非线性振动方程，帮助预测振动响应并设计改进后的测试台架。

5. 测试过程中传感器布置与数据处理
扩展后的测试装置中安装了6个加速度传感器、2个位移传感器和2个力传感器。其中，传感器F1和D1用于计算减震器特性曲线（阻尼力与活塞速度曲线）。传感器A1和A2提供悬挂比率数据，同时采集振动噪声（NVH）的相关信息。数据处理包括对位移信号的数值微分以计算速度，用于阻尼特性分析。

研究主要发现

1. 非线性阻尼特性
   实验结果表明减震系统表现出非线性阻尼特性。例如，在压缩过程中的最大阻尼力约为500 N，而在反弹过程中的阻尼力可达1450 N，这种不对称性导致非弹簧质量的振动位移偏离初始零位。

2. 动态模型预测与实验一致性
   低频激励（如1Hz）下，振动模型的仿真结果与实验测量数据吻合较好，包括测试台架感测的反作用力与减震位移之间的关系。然而，高于4Hz时，因静态测量方法的局限性与实验过程中新增的动态条件，仿真结果与实验值出现偏差。

3. 噪声与高频振动问题
   在高频与大振幅激励下，由于悬挂系统中轮胎丢失地面接触，以及侧面振动行为的影响，减震器噪声显著增加。这种现象对驾驶舒适性与系统稳定性有直接影响，需在未来研究中进一步优化。

研究结论

研究提出了一种现代化升级的减震器测试台架，通过引入复杂悬挂结构和非弹簧质量增强了实验装置对真实车辆动态特性的考量。结果验证了通过仿真建模与实验测试相结合的研究流程对减震器特性评估的有效性。研究成果不仅为汽车底盘开发过程中提供了一种更精确的实验工具，还可用于对比分析不同减震器设计的特性差异。此外，通过改进的测试台架，完成了减震系统噪声、动态特性以及NVH分析，将为未来在车载条件下测试奠定基础。

研究特色与价值

1. 创新的实验装置设计
   首次将轮胎、弹性部件与衬套等真实悬挂组件集成到减震器测试台架中，丰富了实验对真实动态特性的复现。

2. 多自由度振动模型
   结合实验数据与3-DOF以及4-DOF模型的精确仿真，深入探讨了系统在不同激励条件下的动态行为，为未来悬挂设计提供理论依据。

3. 噪声与非弹簧质量行为分析
   研究识别出高频激励下轮胎接触丢失引起的NVH问题，并为日后改进设计和其他工程应用提出优化方向。

展望

研究建议未来可进一步完善仿真模型中弹性部件的动态特性输入，不仅需要反映位移的函数，还需考虑频率的影响。同时建议结合麦克风测量噪声分布，以扩展减震器NVH特性的全面评价。最终目标是将研究成果应用于标准化行业测试流程，并推动汽车悬挂减震技术更为精确和全面的开发提升。