雙筒式減振器阻尼特性仿真及實(shí)驗(yàn)研究

1、 雙筒式減振器阻尼特性仿真及實(shí)驗(yàn)研究 姜國(guó)華Summary：以雙筒式減振器作為研究對(duì)象，通過(guò)分析減振器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并結(jié)合彈性力學(xué)和流體力學(xué)理論，利用Matlab/Simulink軟件建立減振器復(fù)原和壓縮行程的阻尼力輸出模型。以正弦激勵(lì)作為輸入，并根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到減振器的阻尼特性曲線。通過(guò)對(duì)比分析結(jié)果可知，仿真和實(shí)驗(yàn)曲線較為吻合，驗(yàn)證了所建立的減振器模型的有效性，為減振器調(diào)校和匹配提供理論研究基礎(chǔ)。Key：雙筒式減振器;Simulink仿真;阻尼特性;調(diào)校和匹配0 引言減振器作為車(chē)輛懸架系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣影響著行駛車(chē)輛的平順性和穩(wěn)定性。而雙筒式液壓減振

2、器作為一種常見(jiàn)的減振器，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)1，因此應(yīng)用較為廣泛。雙筒式液壓減振器主要是通過(guò)油液流過(guò)阻尼孔時(shí)摩擦產(chǎn)生節(jié)流作用后輸出阻尼力，因此阻尼孔的結(jié)構(gòu)影響減振器阻尼力輸出的大小。目前對(duì)于減振器阻尼孔的設(shè)計(jì)和調(diào)校大多依靠工程師設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)進(jìn)行調(diào)校方案試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，周期長(zhǎng)且設(shè)計(jì)成本高2，且參數(shù)最優(yōu)化得不到保證，因此結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)建立減振器模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)校仿真，對(duì)于縮短減振器開(kāi)發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確性和最優(yōu)性具有重要意義，目前也是減振器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的主要方式3。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于減振器模型建立和仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。Lang4針對(duì)減振器存在的高頻畸變問(wèn)題，建

3、立包含83個(gè)參數(shù)的雙筒式減振器模型，用于模擬減振器工作特性;Bunthoff等5建立單筒減振器仿真模型，利用疊加閥片彈性理論計(jì)算阻尼力，并與ANSYS仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用于修正模型精度;李仕生6對(duì)減振器的工作原理和閥系特性進(jìn)行分析，并應(yīng)用AMESim軟件建立油液流動(dòng)模型：馬天飛7根據(jù)閥片式充氣液壓減振器實(shí)體結(jié)構(gòu)抽象出在不同工況下的減振器數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)所設(shè)計(jì)的減振器進(jìn)行建模仿真，對(duì)于提高效率、減少設(shè)計(jì)成本具有重要意義。本文針對(duì)之前研究存在的未全面考慮油液流動(dòng)、模型復(fù)雜等問(wèn)題，使用Matlab/Simulink軟件建立模型仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模

4、型的準(zhǔn)確性，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高建模精度。1 雙筒式減振器模型設(shè)計(jì)1.1 雙筒式減振器結(jié)構(gòu)及工作原理雙筒式減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，本研究使用的是充氣式雙筒液壓減振器，補(bǔ)償腔的上部充有0.4Mpa的氮?dú)猓虏繛橐欢w積的減振器油，在減振器工作時(shí)起到調(diào)節(jié)和補(bǔ)償油液的作用?；钊偝砂ɑ钊⒘魍ㄩy和復(fù)原閥，底閥總成包括底閥、補(bǔ)償閥和壓縮閥。雙筒式減振器工作過(guò)程主要包括復(fù)原行程和壓縮行程。當(dāng)行駛路面存在凸起障礙時(shí)，車(chē)輪相對(duì)于車(chē)身向上跳動(dòng)，此時(shí)活塞桿帶動(dòng)活塞總成向壓縮腔運(yùn)動(dòng)，減振器處于壓縮行程，造成壓縮腔體積減小，油壓開(kāi)始升高，一部分液壓油通過(guò)底閥上的壓縮閥進(jìn)入補(bǔ)償腔，一部分經(jīng)由活塞總成上的流通閥進(jìn)入復(fù)原腔

5、。在油液流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力及通過(guò)節(jié)流阻尼孔產(chǎn)生的節(jié)流作用產(chǎn)生阻尼力共同抑制減振器壓縮使車(chē)身向下運(yùn)動(dòng)。同理，當(dāng)行駛路面存在凹坑時(shí)，車(chē)輪相對(duì)于車(chē)身向下拉伸，此時(shí)活塞桿帶動(dòng)活塞向復(fù)原腔運(yùn)動(dòng)，減振器處于復(fù)原行程，復(fù)原腔體積減小，復(fù)原腔相較于壓縮腔的壓力較大，油液通過(guò)活塞總成上的復(fù)原閥和底閥總成上的補(bǔ)償腔分別流向壓縮腔和補(bǔ)償腔，產(chǎn)生的阻尼力抑制減振器拉伸使車(chē)身向上運(yùn)動(dòng)。1.2 雙筒式減振器建模1.2.1 阻尼孔流體力學(xué)模型雙筒式減振器主要通過(guò)油液在各個(gè)腔室間孔隙流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生壓差來(lái)輸出阻尼力。根據(jù)流體力學(xué)理論，油液在不同阻尼孔口流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓差也不同。根據(jù)小孔長(zhǎng)徑比的不同可以將阻尼孔流量模型分為以下幾種

6、：當(dāng)長(zhǎng)徑比4油液在流動(dòng)過(guò)程中，不僅有小孔流動(dòng)，還存在縫隙流動(dòng)。當(dāng)減振器運(yùn)行速度大于節(jié)流閥片的開(kāi)閥速度時(shí)，閥片受到一定的壓力而變形，與活塞或底閥形成縫隙，一定量的油液沿縫隙流動(dòng)，該縫隙屬于圓盤(pán)縫隙，流量計(jì)算公式為：當(dāng)復(fù)原閥片未開(kāi)閥時(shí)，上腔壓差主要由活塞縫隙壓差、活塞孔和活塞閥片常通孔壓差產(chǎn)生，下腔壓差由底閥孔壓差和補(bǔ)償閥變形開(kāi)啟的縫隙壓差提供;開(kāi)閥后，閥片變形產(chǎn)生縫隙壓差組成阻尼力。當(dāng)壓縮閥片未開(kāi)閥時(shí)，上腔壓差主要由活塞縫隙壓差、活塞孔壓差和流通閥變形開(kāi)啟的縫隙壓差組成。下腔壓差由底閥孔壓差、壓縮閥片節(jié)流孔壓差提供;開(kāi)閥后，除去之前所述壓差，底閥閥片變形產(chǎn)生縫隙壓差共同組成阻尼力。1.2.2 閥

7、片彎曲變形模型當(dāng)彈性節(jié)流閥片開(kāi)閥時(shí)，以閥片圓心作為極點(diǎn)，建立閥片極坐標(biāo)系，變形曲面微分方程為：2 雙筒式減振器仿真與實(shí)驗(yàn)選取某一型減振器作為研究對(duì)象，建立Simulink仿真模型。減振器和閥片的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。所用的減振器油液密度？籽為858kg/m3，動(dòng)力粘度？滋為9.6110-3Pa*s。將參數(shù)輸入到模型中，對(duì)減振器模型進(jìn)行仿真。同時(shí)對(duì)該減振器進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。以30mm的正弦激勵(lì)作為輸入激勵(lì)，經(jīng)過(guò)模型仿真和實(shí)驗(yàn)得到的減振器示功圖如圖3所示。圖3中，實(shí)線為模型仿真示功圖，虛線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果示功圖。由圖3可知，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于減振器油液存在熱摩擦或氣泡化等現(xiàn)象，會(huì)影響阻尼力的輸

8、出，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出的阻尼力較仿真大;減振器在中高速運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，摩擦力相對(duì)于輸出的阻尼力要小的多，因此仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。仿真與實(shí)驗(yàn)輸出的復(fù)原阻尼力對(duì)比如表2所示。從表2可知，由于摩擦力不可避免，因此低速下仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，而高速時(shí)結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了所建立減振器模型的有效性。3 結(jié)論通過(guò)彈性力學(xué)和流體力學(xué)原理，利用Simulink軟件建立雙筒式減振器模型，并選用某型號(hào)減振器參數(shù)進(jìn)行仿真。在忽略摩擦力和油液氣泡化等影響因素下，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)輸出的阻尼力結(jié)果對(duì)比，表明了所建減振器模型的準(zhǔn)確性和有效性，為縮短減振器設(shè)計(jì)周期和參數(shù)調(diào)校提供了理論基礎(chǔ)。Reference：1馮雪梅，劉佐民.汽

9、車(chē)液力減振器技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2003（03）：340-343.2周玉存，賀麗娟，崔世海，等.汽車(chē)減震器的運(yùn)動(dòng)仿真和應(yīng)力分析J.液壓與氣動(dòng)，2013（03）：33-35.3梁良，田靚，覃剛，等.車(chē)用雙筒液壓減振器的熱力學(xué)模型與試驗(yàn)研究J.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（8）：7-11.4Lang H H. A Study of the characteristics of automotive hydraulic dampers at high stroking frequencies D. USA： University Michiga

10、n，1977.5Bunthoff J，Gauterin F，Boehm C. Physical 1-D System Simulation Model for Monotube Shock Absorbers for Simulation with Excitation up to 70HzC/ SAE 2015 Noise and Vibration Conference and Exhibition. 2015.6李仕生，徐中明，張志飛，等.可調(diào)阻尼減振器外特性仿真與性能分析J.振動(dòng)與沖擊，2012，31（12）：178-183.7馬天飛，崔澤飛，張敏敏.基于AMESim雙筒疊加閥片式充氣減振器建模與仿真J.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（12）：123-130.8蔡艷輝，周長(zhǎng)城.線性非均布?jí)毫ο聹p振器環(huán)形閥片變形解析計(jì)算J.