趙皆鶴 杜春曉 朱梓銘

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),吉林長(zhǎng)春 130000;2.吉林大學(xué),吉林長(zhǎng)春 130000;3.93313部隊(duì),吉林長(zhǎng)春 130111)

分體雙筒式減振器數(shù)學(xué)模型的建立

趙皆鶴1杜春曉2朱梓銘3

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),吉林長(zhǎng)春 130000;2.吉林大學(xué),吉林長(zhǎng)春 130000;3.93313部隊(duì),吉林長(zhǎng)春 130111)

針對(duì)分體雙筒式減振器,對(duì)其各個(gè)組成部分進(jìn)行數(shù)學(xué)分析與建模。通過分析減振器結(jié)構(gòu)和工作原理,在理想工作條件下,建立數(shù)學(xué)模型,為結(jié)構(gòu)改造方案和控制方案提供了依據(jù)。

減振器 數(shù)學(xué)建模 阻尼特性

減振器作為汽車懸架系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分和關(guān)鍵零部件，對(duì)于車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有著重要影響[1]。分體雙筒式減振器已經(jīng)在國(guó)外的多種車型中發(fā)揮著自身巨大的作用，多數(shù)應(yīng)用于競(jìng)速賽車，可以有效地衰減車身振動(dòng)，具有減小曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的效果，同時(shí)能有效的提高駕乘人員舒適度。本文在分析分體式充氣可調(diào)阻尼減振器的工作原理基礎(chǔ)上，建立其阻尼力的力學(xué)模型，對(duì)其阻尼特性進(jìn)行分析。

1 減振器概述

減振器主要由工作缸筒、活塞桿、活塞這三部分組成?；钊怯苫钊w和閥片組組成，將主筒隔成兩個(gè)空間—壓縮腔和復(fù)原腔。

傳統(tǒng)的減振器如圖1所示，它是依據(jù)振動(dòng)原理所設(shè)計(jì)的，加工成型后參數(shù)不可調(diào)節(jié)，對(duì)于不同路況無應(yīng)變措施；如圖2所示的阻尼可調(diào)減震器，主筒與副筒集成為一體，實(shí)現(xiàn)了阻尼可調(diào)，在副筒安裝了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)來改變阻尼力，結(jié)合了傳統(tǒng)液壓筒式減振器和充氣式減振器的特點(diǎn)，有效的提高了汽車在駕駛中的平順性及操縱穩(wěn)定性。

2 分體雙筒式阻尼可調(diào)減振器概述

2.1 分體雙筒式阻尼可調(diào)減振器工作原理

減震器的工作過程就是壓力的傳動(dòng)，在壓縮過程中，活塞在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，油壓較小；在伸張過程中，油壓較大[2]。充氣式可調(diào)阻尼減振器是在可調(diào)阻尼減振器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，實(shí)際上是在原有的可調(diào)阻尼減振器中設(shè)計(jì)一個(gè)充氣室，將充氣室中沖入高壓氣體，如圖3所示。當(dāng)普通可調(diào)阻尼減振器的油壓供應(yīng)不足，壓力調(diào)節(jié)不能滿足要求時(shí)，用充氣室內(nèi)的高壓氣體作為補(bǔ)充，從而達(dá)到穩(wěn)定持續(xù)地供壓以調(diào)節(jié)阻尼力的目的。

圖1 常用減振器

圖2 阻尼可調(diào)減震器

圖3 減振器工作過程圖示

2.2 分體雙筒式阻尼可調(diào)減振器的模型建立

由于減振器的工作環(huán)境較為特殊，受到諸多因素的影響，例如減震器內(nèi)油液的粘性、溫度、體積的變化，各元器件間的摩擦等等。因此，我們?cè)诤雎酝饨缫蛩氐挠绊?，認(rèn)為其工作在恒定的理想環(huán)境的條件下建立模型，模型如下所示。

2.2.1 壓縮行程建模

據(jù)流體力學(xué)理論中的流量等式模型[3]，可得壓縮行程的阻尼力、壓縮腔與復(fù)原腔壓強(qiáng)的關(guān)系為：

其中， Pcf為復(fù)原腔壓力， Pcy為壓縮腔壓力、

由于壓縮行程時(shí)，主活塞上活塞孔和閥片縫隙共同產(chǎn)生節(jié)流壓力，根據(jù)小孔分類定義可知，活塞孔屬于細(xì)長(zhǎng)孔，根據(jù)流體力學(xué)理論中流量和壓力的串并聯(lián)關(guān)系，可得 ΔPcm與活塞運(yùn)動(dòng)速度 V的關(guān)系為[4]：

2.2.2 伸張行程建模

伸張行程的阻尼力和壓縮腔與復(fù)原腔壓強(qiáng)的關(guān)系為：

其中， prf為復(fù)原行程復(fù)原腔的壓力， pry為復(fù)原行程中壓縮腔壓力，復(fù)原行程油液流經(jīng)的阻尼閥與壓縮行程相同，壓差的計(jì)算方式與壓縮行程相同，主筒活塞兩端壓差，副筒阻尼閥兩端壓差。主筒活塞兩端壓差為：

其中， μt為油液動(dòng)力粘度， lrm為活塞孔長(zhǎng)度， drm為活塞孔直徑， n為活塞孔個(gè)數(shù)， rb為閥片外半徑， r為閥片的閥口位置半徑，frm為閥片變形量。

由壓縮行程建模和伸張行程建模過程可以看出，速度與阻尼存在直接函數(shù)關(guān)系，調(diào)節(jié)速度值即可改變阻尼值。另外，其它參數(shù)的改變也會(huì)使阻尼值發(fā)生變化，例如壓縮閥片、介質(zhì)工作管路、高壓氮?dú)獬錃馐?、針閥閥片及彈簧閥片。

3 結(jié)語

本文分析了減振器的基本原理，研究了阻力特性和相關(guān)阻力系數(shù)的問題，建立了減振器數(shù)學(xué)模型，包括壓縮行程和伸張行程的數(shù)學(xué)模型。通過數(shù)學(xué)方程的推導(dǎo)，建立了參數(shù)化函數(shù)關(guān)系式，為減振器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)改造方案提供了依據(jù)。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2]李世民,呂振華.汽車筒式液阻減振器技術(shù)的發(fā)展[J].汽車技術(shù),2001.8.

[3]張也影.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1986.

[4]鄭軼鵬.關(guān)于具有阻尼特性的減振器數(shù)學(xué)模型[J].四川教育學(xué)院學(xué)報(bào),2009.

趙皆鶴,男,1987年4月出生,在校學(xué)生,研究方向:電氣工程及自動(dòng)化、車輛工程。