車用液壓減震器外特性仿真

魏文鵬 王姝寧 王天任 聞邦椿

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車用液壓減震器外特性仿真

魏文鵬 王姝寧 王天任 聞邦椿

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院 沈陽110819）

針對某車用液壓減震器的物理結(jié)構(gòu)及其工作原理，做出合理的模型假設(shè)，建立了液壓減震器的阻尼特性數(shù)學(xué)模型。該模型將減震器油液流動情況分為活塞閥系、底閥閥系和儲油腔三部分討論，并且考慮了減震器工作過程中的油液泄露以及儲油腔內(nèi)的氣體壓力。采用Matlab軟件對液壓減震器的阻尼特性模型進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差不超過10%。由此可以得出，建立的減震器阻尼特性模型是準(zhǔn)確可信的，該模型可以為減震器外特性設(shè)計提供直接參考。

減震器 阻尼特性 仿真 試驗(yàn)

目前，汽車懸架中廣泛采用雙筒式液壓減震器來提供懸架阻尼，減震器的特性對整車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性和乘坐安全性都有重要影響。傳統(tǒng)的減震器設(shè)計方法依靠經(jīng)驗(yàn)來確定各個參數(shù)，然后通過實(shí)驗(yàn)對各個參數(shù)進(jìn)行修正，對于不同要求的減震器，需要反復(fù)修改參數(shù)與進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致減震器的生產(chǎn)周期長、成本高，而且精度也常常得不到保證[1]。因此，采用仿真軟件對減震器的性能進(jìn)行預(yù)測，在設(shè)計階段即能對減震器的性能進(jìn)行優(yōu)化成為了重要的研究方向。

在減震器建模仿真研究中，前人建立了各種各樣的仿真模型：1970年代Lang建立了包含83個參數(shù)的模型，利用模擬電路對減振器的特性進(jìn)行仿真分析[2,3]；1999年，美國Tenneco汽車部件集團(tuán)Herr等人采用FEM和CFD相結(jié)合的方法分析了減振器閥系的節(jié)流特性[4,5]；Duym等人建立了減振器各腔室之間油液流動的模型，對減振器速度特性的滯后性做了專門的研究[6,7]；重慶大學(xué)的徐中明根據(jù)環(huán)形薄板閥片變形微分方程以及內(nèi)外徑處的邊界條件，建立了較全面的雙筒式液壓減振器的數(shù)學(xué)模型，并用Matlab軟件對所建立的模型進(jìn)行仿真分析[8,9]；武漢理工大學(xué)的馮雪梅利用Ansys有限元分析軟件對汽車減振器建模，基于穩(wěn)態(tài)分析條件下對所建立的二維模型進(jìn)行簡化[10]等等。這些模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，也有各自的適用范圍。其歸納起來即為三種模型：物理參數(shù)模型、等效參數(shù)模型和非參數(shù)模型[11]。

本文在上述模型理論的基礎(chǔ)之上，考慮活塞與工作缸之間的油液泄露以及儲油腔內(nèi)的充氣壓力的影響，建立了減震器的阻尼特性數(shù)學(xué)模型，并利用Matlab軟件，對減震器的阻尼特性模型施加正弦激勵進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，證明本文中所提出的減震器阻尼特性模型是合理可靠的。

1 減震器阻尼特性分析

1.1 減震器的結(jié)構(gòu)

如圖1為液壓減震器的結(jié)構(gòu)示意圖。上吊耳與車身相連接，下吊耳與車輪相連接；工作缸被活塞分為上腔和下腔，活塞桿分別與上吊耳和活塞相連；活塞與底閥座上有不同的閥系結(jié)構(gòu)。當(dāng)車身與車輪相對運(yùn)動時，活塞桿帶動活塞相對于工作缸運(yùn)動，工作缸與儲油缸內(nèi)的油液則通過閥系相應(yīng)流動，產(chǎn)生阻尼力，從而減緩車身與車輪的相對運(yùn)動，達(dá)到減震的作用。

圖1 液壓減震器的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 阻尼力的數(shù)學(xué)模型

減震器的阻尼特性主要由復(fù)原行程和壓縮行程決定，復(fù)原行程與壓縮行程的工作原理類似，以下以復(fù)原行程為例討論減震器的阻尼特性。

根據(jù)減震器的工作原理以及其物理結(jié)構(gòu)，以活塞為分析對象進(jìn)行受力分析，可以得到減震器阻尼力的數(shù)學(xué)模型如下：

1.3 活塞閥系

活塞總成在復(fù)原閥開閥前，由于上腔油液的壓力較小，不足以克服復(fù)原閥的預(yù)緊力，油液只經(jīng)過活塞上的復(fù)原閥常通孔而流入下腔。隨著活塞桿繼續(xù)向上運(yùn)動，上腔油液壓力逐漸增大，將復(fù)原閥打開，開閥后油液流經(jīng)常通孔和復(fù)原閥而流入下腔。由于復(fù)原閥常通孔的孔長與孔徑之比約為2.5，由流體力學(xué)知識可知，油液在常通孔中的流動屬于管嘴流動；開閥后油液流經(jīng)復(fù)原閥形成圓環(huán)平面縫隙流動。所以有：

不管復(fù)原閥是否開啟，活塞與工作缸之間的縫隙泄露一直存在。油液流經(jīng)活塞縫隙的泄露屬于環(huán)形偏心縫隙。由于活塞速度不大，取偏心率=1，則泄漏量可表示為：

1.4 底閥閥系

當(dāng)活塞桿向上運(yùn)動，下腔體積逐漸增大，則儲油腔的油液會通過底閥閥系流向下腔。此時壓縮閥不開啟，只能通過常通孔從儲油腔流向下腔，壓縮閥常通孔的流動形式也是管嘴流動；補(bǔ)償閥閥片剛度很小，且沒有預(yù)緊力，當(dāng)儲油腔與下腔的壓差很小時補(bǔ)償閥即會完全打開，其流動形式是圓環(huán)平面流動。所以根據(jù)流體力學(xué)理論有：

復(fù)原行程活塞桿向上運(yùn)動，活塞桿在上腔所占的體積減少，從儲油腔流入下腔的油液流量就等于活塞桿體積減少的部分，其表達(dá)式為：

1.5 儲油腔

式中：為活塞的位移，它隨時間變化，與速度之間是導(dǎo)數(shù)關(guān)系。

綜合以上各式可以得到阻尼力與速度之間的關(guān)系，即可得到減震器的阻尼特性。

2 仿真與試驗(yàn)

2.1 仿真分析流程

在實(shí)際應(yīng)用中，按照上述理論推導(dǎo)來指導(dǎo)生產(chǎn)顯然不太現(xiàn)實(shí)，企業(yè)需要的是在設(shè)計過程中即能得出減震器的特性圖，進(jìn)而分析減震器的性能?；谏鲜鲂枨螅肕atlab軟件的GUI界面設(shè)計，開發(fā)一套求解減震器特性曲線的仿真軟件，仿真求解流程如圖2所示。仿真過程中所用的主要參數(shù)如表1所示。

圖2 液壓減震器阻尼特性仿真流程圖

表1 仿真過程主要參數(shù)

2.2 仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

根據(jù)我國減震器臺架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)JB3901-85規(guī)定，對減震器施加正弦激勵

則活塞與工作缸的相對運(yùn)動速度為

結(jié)合上述減震器的數(shù)學(xué)模型，得到了減震器的阻尼特性曲線如下圖所示。圖3為減震器的速度特性圖，圖4為減震器的示意圖。

圖4 減震器示意圖

表2 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

根據(jù)仿真所得的減震器阻尼力與試驗(yàn)所得阻尼力值比較，其誤差不超過10%，即仿真模型所得出的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，從圖3中可以看出在本文所用參數(shù)下，減震器的開閥速度約為 0.12 m/s。

3 結(jié)語

根據(jù)減震器的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及做出的合理假設(shè)，建立了減震器外特性即速度特性和示功特性的計算模型，由模型仿真得出的外特性數(shù)據(jù)與廠家提供的實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差不超過10%，仿真特性與實(shí)際特性良好吻合，證明本文建立的減震器阻尼特性模型是合理正確的。

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