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减振器异响工程案例（中篇）：各子系统异响失效模式实例分析-减振器生产厂家为你呈现时间：2022-12-31 续：《减振器异响工程案例（上篇）：失效模式与异响源概述》 下面将针对Module（外围件）、Valve（阀系）、ReboundSystem（复原缓冲系统）、Guiding&Sealing（导向&密封）、Structuralcomoponents（缸筒/活塞杆等结构件）、Stamped&Welded（外部冲压&焊接部件）、Oil&Gas（油液&高压气体）七个方面，结合工程实例，分析潜在异响失效模式和噪音类型。 01 — Module（外围件） Module包含TopMount(上链接), JounceBumper(压缩缓冲块), BumperCap(顶盖), Bushing(衬套), SuspensionSpring(悬架弹簧), DirtShield(防尘罩), SpringPad(弹簧垫), 以及其他外围附件。潜在噪音类型有Rubbing noise（摩擦噪音）、Chuckle noise（咕噜咕噜、koto-koto声）、Knocking noise （金属或非金属撞击声），以及密闭空间排气音。 1.1 Rubbing noise（金属或非金属摩擦噪音） 此类噪音主要来自于非金属与金属之间摩擦产生噪音，听感上类似于青蛙叫声，尖叫声，主观不可接受，应着力避免或完全消除。Module组件中Jounce bumper和Spring pad作为主要非金属零部件，是此类噪音的重要潜在异响源。 a) Jounce bumper和Bumper cap之间 当Jounce bumper受压时，其与Bumper cap接触面存在相对摩擦，从而成为潜在异响源。在接触面之间涂抹硅脂或润滑剂可以临时消除噪音，但量产可执行性较差，因此设计上通过优化Jounce bumper和Bumper cap两个零件的接触表面结构或纹理（增加凸点、环形纹理等）可以有效避免摩擦噪音。
图1 JounceBumper和BumperCap之间的摩擦噪音 b) Jounce bumper 和 Rod（活塞杆）之间 当Jounce bumper受压时，其与活塞杆之间存在相对滑动摩擦从而成为潜在异响源。在Jounce bumper内孔预先涂抹硅脂可有效改善，但不建议作为量产长期方案。结构上，优化Jounce bumper内径尺寸，通过改变配合过盈量，可以改变相对摩擦状态，从而消除异响；也可以优化Jounce bumper抱紧连杆部位的接触面结构，如表面凸点凸台设计，减少接触面积。
图2 JounceBumper和活塞杆之间的摩擦噪音 c) Spring pad和Coil spring之间 橡胶弹簧垫-金属弹簧座-悬架弹簧之间如果匹配不良，或弹簧垫由于装配问题产生变形，在悬架弹簧运动过程中很可能会与橡胶弹簧垫之间发生干涉摩擦，从而成为潜在异响源，通常在低温条件下由于橡胶硬度增加，异响会更明显。解决方案一般是优化弹簧垫与弹簧座、弹簧之间的配合，或针对产生摩擦的位置，减薄橡胶厚度，使干涉程度降低或直接规避摩擦。
图3 弹簧垫低温异响 1.2 Chuckle noise 此类噪声一般发生于车辆通过碎石子路等使车轮产生高频振动的情况。产生的原因主要有隔振不良振动加速度传导至车身、零件松动、配合间隙、干涉碰撞等。 a) 车身连接 车轮在高频运动条件下，内部阀系的开闭动作，会加剧活塞杆振动加速度，因此减振器活塞杆与车身连接位置的橡胶垫或橡胶衬套的设计匹配就至关重要。过硬起不到隔振效果，过软则振动幅度增加，同样恶化异响程度。通常橡胶材料硬度，骨架结构，橡胶量是主要的调整点。
图4 Bushing隔振优化案例 b) Top Mount螺母松动 Top Mount螺母松动是悬架高发的异常质量问题造成异响，探测度较高，易于排查。螺母松动的原因很多：上紧工艺不良、锁紧机构不良、螺纹失效等等。
图5 TopMount螺母松动 c) 配合间隙碰撞 来自于轴承/衬套与支撑部位的间隙，在减振器高频振动下，会产生连续碰撞噪音。
图6 TopMount装配间隙优化 d) 防尘罩干涉 波纹管形式的防尘罩由于其弹性变形特性，在工作时容易与其他部件发生干涉，当高频碰撞时，即表现为Chuckle noise，如图7为防尘罩与顶盖卡扣之间的干涉问题。当在非高频工作条件下，表现为普通碰撞噪音，后文再做阐述。
图7 防尘罩运动干涉 1.3 Knocking 碰撞噪音 当零部件之间由于配合不良、性能衰减、异常变形等原因产生碰撞时，会发出“咚”、“咔哒”等异响类型。主要来自于弹簧与弹簧座撞击、橡胶衬套吸能不足、防尘罩形状突变、防尘罩脱出、防尘罩弯曲干涉等。 a) 弹簧撞击弹簧座 若弹簧垫在弹簧座上装配不到位，或者弹簧垫太薄，弹簧压缩时与弹簧座直接接触，进而产生金属碰撞噪音。
图8 弹簧-弹簧座碰撞异响 b) 橡胶衬套吸能不足 橡胶衬套匹配硬度不足，或耐久工况后橡胶衬套性能衰减，均会因过大振幅导致碰撞噪音。
图9 衬套刚度衰减 c) 防尘罩形状突变 这里特指波纹管防尘罩，波纹管两端至有效波纹区域的壁厚是防尘罩变形特征的关键。如以下实例，波纹管壁厚不均匀，当防尘罩压缩时，在端部产生不均匀变形和跳动，从而产生异响问题。
图10 防尘罩波纹不规则变形 d) 防尘罩脱出配合部位 仍然特指波纹管防尘罩，通常上下两端会分别卡在Top Mount和Bumper cap上。当防尘罩处于拉伸状态时，若端部连接不良，或脱出力不足，会造成防尘罩在拉伸时突然脱出产生弹跳。优化连接结构可避免此类问题。
图11 防尘罩拉伸脱出 e) 防尘罩弯曲变形 因设计原因或制造原因，防尘罩壁厚不合理，在压缩状态下产生过大弯曲变形，导致其与悬架弹簧或其他零件干涉，造成异响问题。设计上，使波纹管中间部位壁厚较薄，两端较厚，可有效改善弯曲变形问题。
图12 防尘罩弯曲干涉 1.4 密闭空间排气噪声 软质非金属件如防尘罩、弹簧垫安装后，如果和配合件之间形成密闭或近似密闭空间，当非金属部件因正常工作受挤压排出内部空气，或复原时吸入空气时，由于狭小的空气流动通道，会产生气流噪音，常见于防尘罩伸缩运动时。如果纯密闭空间较小，还会产生类似气泡破裂的声音。解决方案一般是设计出足够的排气孔或槽。
图13 弹簧垫/端盖排气槽 02 — Valve（阀系） 阀系噪音是减振器异响问题中最难以探测的异响源。比较直观的原因是其处于减振器内部，无法直接观察系统或零部件运行状态，且异响机理通常跟液压原理和阀系工作原理有很大关联，要想透彻研究清楚，需要一定的液压常识或专业知识，并对特定阀系结构和原理有充分的理解。一些专业的测试设备和测试规范可以用于探测阀系异响，并帮助工程人员正确理解阀系异响的机理，以提出改善方案。常见的阀系异响类型有Swish液流声, Squeak(尖叫、啸叫噪音), Chuckle noise(咕噜咕噜声)。 2.1 Swish液流声 Swish是减振器工作时，油液流过阀系时产生的噪音，从液压原理上可理解为高速流动的油液与节流孔管壁之间的摩擦噪音，而在出口处可能产生的紊流现象也会加剧噪音的生成。通常的优化方案是节流片开槽方式优化如减小开口尺寸，增加开口数量，或改变油液流动通道形式如节流片前预置座片（提前缓和油液流过节流孔之前的流速）。
图14 节流阀片优化 然而，Swish问题在减振器工程实际中并非是能够一蹴而就从根本上得到解决的。只要减振器还是基于液压原理的零部件，Swish就不可能完全消除。各OEM在其技术要求中，一般都会对减振器提出关于Swish噪音的量化要求，如在某温度，某速度下，评价减振器本体在压缩和复原行程的噪音分贝值。然而，这并不意味着减振器满足了技术要求，车内乘员对于噪音的可接受度就一定能得到保证，这点在整个悬架的前期设计阶段都很难给出预估。因此Swish异响问题通常需要OEM和减振器厂家共同商讨解决方案，减振器本体和车身结构、隔音装置需要综合考虑。 另外，当出现Swish问题时，除设计上的优化，减振器质量方面需要预先排查，通常清洁度问题也是造成Swish异响的关键因子，如在油液流动通道上如果存在较大杂质，会明显改变油液流动特性，进而产生问题。 2.2 Squeak啸叫 一个正常的阀系在减振器中工作，需要该流通的地方畅通无阻，该密封的地方要尽可能没有泄露。而如果出现了异常泄漏，导致油液不能按照预定轨迹流动，而从其他位置高速泄漏，那么就会产生类似口哨或啸叫的噪音。此类问题大部分情况下属于质量问题，如杂质、阀片变形、阀线缺口、阀片阀线尺寸不匹配、阀片装配错误、阀体破裂等。
图15 阀系异常泄露问题 2.3 Chuckle noise（咕噜咕噜声） 这里提到的咕噜咕噜声其直接噪音源来自于减振器活塞杆和车身连接位置，属于结构传导类噪音，是活塞杆的振动加速度传递至车身产生的结构噪音，而活塞杆振动加速度的源头，是阀系的开闭动作。因此，此类异响是一个综合性的问题，与车身结构、连接点隔振装置、减振器阀系都有关系。这里我们着重关注振动源——阀系开闭动作。 阀系开闭动作造成的活塞杆振动加速度，在业内也叫Clatter，跟Swish一样，也是减振器的先天特性，不可避免，但可评价强弱。大部分OEM的技术规范中虽然提到需要Clatter测试数据，但因最终异响水平受车身结构和连接点影响很大，并不对减振器规定具体接受标准（除现代汽车等少部分OEM），主要用来跟开发历史数据对比评估风险。 阀系Clatter问题主要跟阀系的补偿阀功能区相关。我们知道对于双筒减振器，活塞阀和底阀都分别存在一个仅起到油液流通或补偿功能的单向阀，若流通/补偿阀闭合响应较差，由于油液流动的惯性，闭合的瞬间会在减振器内部产生“水锤”现象，该现象会对活塞杆造成瞬时液压冲击从而产生较大的振动加速度。例如复原拉伸行程时，底阀补偿阀处于开启状态，当复原行程结束时，由于油液和阀系一定的迟滞特性，底阀补偿阀实际上并未随行程结束而完全闭合，但此时已开始进入压缩行程，在压缩起始阶段（几乎是一瞬间，时长取决于阀系结构）会有相对较大流量油液通过尚未完全闭合的底阀补偿阀通道，随后当补偿阀完全闭合，流量瞬间减小，就会在工作腔内产生瞬时高压，使活塞杆产生较大的振动加速度。
图16 流通阀闭合水锤现象 阀系Clatter问题的优化，一般是增加活塞阀或底阀的流通/补偿阀开合刚度或预载，目的是提升流通阀的开闭响应，使其能随着复原或压缩行程结束靠本身变形刚度及时复位，从而减弱水锤效应。或者其他阀系调整可达到同样的目的，如降低阻尼力值，优化复原压缩力值比，甚至结构规格等，但这些方式修改较大，尤其会影响整车驾评感受，所以很少做这一类调整。阀系Clatter是不可能完全消除的，如再无改善空间，那么重点就应考虑连接位置Top mount或Bushing的隔振优化了。 需要注意的是，减振器本体的Clatter是人耳不可识别的，结构传导噪声的客观评价需要依靠振动加速度信号采集进行探测，主观上只能在整车级别的驾评才可以感知。 另外一种Chuckle noise不属于Clatter问题，当减振器内部阀系出现松动情况时，如活塞阀螺母松动，在车内主观感觉也是咕噜咕噜声音，减振器本体在台架上也可以复现，此时的异响属于次要失效模式，应重点分析阀系松动的问题。
图17 阀系紧固螺母松动 03 — ReboundSystem（复原缓冲系统） 复原缓冲系统在减振器达到拉伸极限时起到缓冲作用，因此该系统或零部件通常会有较高的吸能要求以缓和过大的冲击。结构形式一般有三类：复原缓冲块（橡胶或塑料块限位缓冲）、复原缓冲簧（能吸收较大的冲击能量，但牺牲行程）、HRS（液压缓冲系统，吸能大，技术优势明显）。常见异响有Topping noise和刮蹭异响。 3.1 Topping noise Topping noise是减振器达到最大拉伸极限时产生的结构冲击噪音，常见工况如通过减速带等较大凸起后的减振器拉伸行程。复原缓冲系统的匹配需要同时兼顾Topping noise、结构强度、耐久、减振器尺寸/行程等，不存在绝对的最优方案，确定缓冲结构形式后，需要在调校时多种方案中选择最佳匹配效果。 目前流行的复原缓冲系统方案在Topping noise方面的对比如下： a) HRS 即液压缓冲系统。HRS几乎不产生任何Topping noise，但其零部件设计较复杂，成本有所增加。不过因其不仅仅在噪音表现，还在驾评等综合性能方面优势明显，且随着制造技术的提升，目前是业内新兴且逐渐成熟的复原缓冲解决方案。 b) Rebound bumper 如果采用复原缓冲块作为复原行程限位缓冲装置，需重点关注材料选择。常用的材料中PA等较硬的尼龙材料对Topping noise最敏感，但耐久/强度最佳。软质TPU和NBR等较软材质可以极大优化Topping noise问题，但需关注耐久和高温老化问题，尤其是PU材质，而NBR橡胶材质需注意设计足够的变形量以抵御最大负载力。除材料选型方面，缓冲块结构上也可以设计成端面波浪纹形式，提升变形量。对于减振器内部非金属材质，油液兼容性需要最优先考虑。
图18 复原缓冲块 c) Rebound spring 金属复原缓冲簧是比较常见的结构，吸能效果较好，但对于尺寸/行程较短的减振器，设计空间会比较有限。通常在复原缓冲簧与冲击接触面之间增加非金属垫块对于Topping noise会更优，但非必须。
图19 复原缓冲簧 d) Plastic spring 塑料弹簧本质上是一种具备类似弹簧性能的复原缓冲块。材质通常为TPE，由于结构特点，弹性变形量极大，压并长度可以远小于复原缓冲簧，因此在吸能和尺寸方面能得到较好的兼顾。该类产品因其结构和制造工艺复杂，成本偏高，但相对于HRS，仅需考虑减振器本体基长和行程即可，应用较方便。目前在一些高端车型减振器中也已广泛应用。
图20 塑料弹簧 另外，减振器一些质量或结构失效问题也常常表现出Topping noise次级失效。如复原缓冲系统/零部件失效、复原簧尺寸过短等等。整车方面如前期设计输入的载荷与实际路况不匹配，导致方案选型不理想或减振器行程/尺寸不匹配，也是影响Topping noise的潜在因素。 3.2 Rubbing noise（刮擦噪音） 复原缓冲系统中出现的金属刮擦声主要是来自于复原缓冲簧与活塞杆或缸筒之间的摩擦。声音较尖锐易于识别，常见于子零部件质量问题或装配问题。如弹簧垂直度不良、挠度过大、装配定位不良、装配顺序错误等等。
图21 复原缓冲簧刮蹭活塞杆和装配错误问题 对于复原缓冲块，存在一种较常见的刮蹭异响形式。当车辆举升状态，车轮自由下垂的情况下，左右打方向时，减振器会出现“嘎嘎”或“咯噔咯噔”的异响噪声。此时如果已排除Module问题，异响源就很可能是复原缓冲块在负载状态跟两端导向器、限位环产生相对旋转滑动（此时减振器本体带导向器旋转，活塞杆固定，缓冲块位于导向器和限位环之间），异响程度取决于缓冲块材质和具体负载（常见于TPU材质、1000N~3000N拉伸负载）。然而，现实中该异响在任何正常工况下都不会发生，除非极端异常驾驶（车轮完全下坠的瞬间打方向盘）。因此，该异响问题通常可以忽略，并且因属于极端异常工况，复现此异响对复原缓冲系统损害极大，不建议过多尝试。
图22 负载状态下缓冲块端面与导向器摩擦 04 — Guiding&Sealing（导向&密封） 导向和密封系统包括导向器、油封、动态密封圈（如单筒减振器浮动活塞），其产生的异响大部分情况表现为非金属摩擦啸叫，小部分情况会产生碰撞噪音。 4.1 Squeak啸叫 对于减振器油封，功能上既要保证足够的密封性和耐高压性能，又需要有一定的润滑降低和活塞杆之间的摩擦力。如果油封与活塞杆之间存在干摩擦，即润滑不足，就会产生尖锐的摩擦啸叫异响。常见的可量产实施的措施是组装前预先在油封唇口位置涂抹定量的润滑脂，以提供足够的润滑（即便减振器油液本身也会提供一定的润滑能力）。因此此类异响润滑脂缺失或不足是常见的异响原因，并且当减振器经历较长的耐久工况外加高温条件后，润滑脂变质甚至挥发，也会同样会导致摩擦啸叫。
图23 油封硅脂 另外还需要注意金属杂质如果被夹在油封中，同样会造成该类异响。 4.2 Chuckle noise（针对单筒减振器） 单筒减振器常见Chuckle noise的机理不同于双筒减振器，其主要是由于油气混合造成的活塞杆运动方向切换时的加速度突变（小行程的空程）。而油气混合的主要原因，除去生产过程不稳定的因素，应考虑浮动活塞密封不良，导致高压气进入液压腔内。
图24 单筒减振器油气混合 05 — StructuralComponents（结构件“两筒一杆”） 减振器Structural components这里指代“两筒一杆”，即压力筒、储液筒、活塞杆。“两筒一杆”本身并不能直接产生异响，而其失效或质量问题会衍生出次级噪音问题。由于它们属于结构类零件，因此噪音的表现形式通常是碰撞噪音和刮蹭噪音，或引起减振器其他功能模块异常产生异响失效如Topping noise、Swish和啸叫。 5.1 Knocking noise（碰撞） “两筒一杆”引起的异响问题中有大约一半属于结构碰撞异响，但易于排查，在减振器所有异响失效模式中，占比并不高，因此仅举两个经历过的质量问题案例供参考：（1）减振器滚压封口不良，缸筒不固定导致上下窜动，产生结构撞击噪音；（2）缸筒内壁粗糙或有杂质，导致活塞失效引起减振器整体功能丧失，进而产生严重异响。 5.2 其他噪音形式 “两筒一杆”问题衍生出的Topping noise、Swish、Squeak啸叫等噪音的概率极低，几个小案例供参考：（1）HRS专用缸筒异常，HRS失效无复原缓冲功能，引起Toppingnoise；（2）单筒减振器内壁质量问题导致浮动活塞密封不良，油气混合产生swish；（3）活塞杆弯曲加剧与油封之间的摩擦导致Squeak啸叫；（4）装配不良导致导向器与缸筒配合部位额外泄露，产生Squeak啸叫。 06 — Stamped&WeldedComponents（冲压&焊接部件） 冲压/焊接类零件指减振器外围，焊接在减振器本体上的冲压类零件。因其全部是刚性金属零件，所以异响主要形式是金属刮擦噪音和碰撞噪音，一般都是由干涉碰撞引起。但在整个减振器异响失效模式中，占比极低。 几个案例分享： （1）前轴麦弗逊悬架滑柱结构，在转向时，Foot bracket与储液筒之间焊接不良，引起金属刮擦噪音（“嘎嗞”声）。
图25 FootBracket异响 （2）悬架弹簧与弹簧座定位销直接接触，产生金属刮擦噪音（“嘎嗞”声）。
图26 弹簧与弹簧座定位销刮蹭异响 07 — Oil&Gas（油液&高压气体） 对于油液和高压气体，如果注油量或充气压力明显不足，会直接影响到减振器气蚀或油液流通补偿不足造成运动空程，进一步会造成Swish或阀系Chucklenoise。这两点无论是主观驾乘感受还是减振器性能测试，都能直观反映出来，较易排查和快速验证，这里不举实际案例。 08 — 其他 在笔者所知的所有减振器异响模式中，经粗略统计，大约有5%比例的案例目前是无法定义根本原因和改善措施的，包括数据缺失、无有效追踪、NTF情形等等。因此，在减振器异响的世界中，有小概率情况，我们最终可能得不到任何清晰的结论，重要的是坚持不懈的探索和不断创新的思路，极大部分情况，问题还是可以得到解决的。 |
