金 帥，王保苓，劉 向，王 鵬Jin Shuai，Wang Baoling，Liu Xiang，Wang Peng

減振器阻尼特性對(duì)車(chē)輛性能影響的仿真分析

金 帥1，王保苓1，劉 向2，王 鵬2
Jin Shuai，Wang Baoling，Liu Xiang，Wang Peng

（1. 北京新能源汽車(chē)股份有限公司，北京 100176；2. 南陽(yáng)淅減汽車(chē)減振器有限公司，河南 南陽(yáng) 437000）

減振器是懸架系統(tǒng)中重要的力學(xué)元件，其F-V(Force-Velocity，力-速度)特性對(duì)車(chē)輛的平順性和操縱穩(wěn)定性有重要影響。依據(jù)某車(chē)型的整車(chē)參數(shù)，在CarSim中建立整車(chē)仿真模型，通過(guò)改變減振器低速、中速和高速的復(fù)原和壓縮阻尼力特性，分析車(chē)輛在掃頻路面及凸塊路面的平順性和操縱穩(wěn)定性，結(jié)果表明：復(fù)原和壓縮阻尼對(duì)整車(chē)平順性和操縱穩(wěn)定性具有顯著影響。

減振器；阻尼力；平順性；操縱穩(wěn)定性

0 引 言

減振器是懸架系統(tǒng)中重要的力學(xué)元件，其F-V(Force-Velocity, 力-速度)特性對(duì)車(chē)輛的平順性和操縱穩(wěn)定性有重要影響[1-2]；因此，車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí)選擇合適的阻尼力非常重要[3]。目前車(chē)輛減振器匹配過(guò)程為主觀評(píng)價(jià)工程師根據(jù)駕乘感受提出阻尼力調(diào)整建議，然后由減振器工程師對(duì)復(fù)原閥和壓縮閥配置進(jìn)行修改，改變減振器的F-V特性，裝車(chē)后再由主觀評(píng)價(jià)工程師進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。目前減振器實(shí)車(chē)調(diào)試存在周期長(zhǎng)、裝車(chē)評(píng)價(jià)效率較低等問(wèn)題，為此，許多學(xué)者在減振器仿真建模[4-9]和懸架系統(tǒng)及整車(chē)仿真建模[10-14]方面開(kāi)展了大量研究。

基于CarSim[15-16]建立減振器外特性和整車(chē)仿真分析模型，通過(guò)改變減振器壓縮和復(fù)原的不同速度對(duì)應(yīng)的阻尼力，分析其對(duì)整車(chē)平順性和操縱穩(wěn)定性的影響，為后續(xù)主觀評(píng)價(jià)和減振器調(diào)校提供理論依據(jù)。

1 車(chē)輛建模

建立整車(chē)模型，車(chē)輛基本參數(shù)見(jiàn)表1，具體建模流程如下：

（1）建立車(chē)輛模型，進(jìn)入模型參數(shù)設(shè)置界面；

（2）輸入整車(chē)參數(shù)；

（3）輸入前懸架K(Kinematic, 運(yùn)動(dòng)學(xué)特性)特性參數(shù)；

（4）輸入前懸架C(Compliance, 彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性)特性參數(shù)；

（5）輸入前懸架減振器阻尼特性參數(shù)，選取參數(shù)值50、100、300、600、1 000 mm/s；

（6）輸入后懸架K特性參數(shù)；

（7）輸入后懸架C特性參數(shù)；

（8）輸入后懸架減振器阻尼特性參數(shù)，選取參數(shù)值50、100、300、600、1 000 mm/s；

（9）調(diào)用CarSim數(shù)據(jù)庫(kù)，確認(rèn)車(chē)輛輪胎等參數(shù)。

表1 整車(chē)和懸架參數(shù)

續(xù)表1

2 阻尼力設(shè)定

減振器阻尼特性直接決定車(chē)輛的平順性和操縱穩(wěn)定性，通常減振器低速段（< 0.3 m/s）的阻尼特性主要影響車(chē)輛操縱穩(wěn)定性，中高速段（> 0.3 m/s）的阻尼特性主要影響平順性。

為分析減振器不同速度段阻尼力對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性和平順性的影響，以前減振器為例，針對(duì)不同速段設(shè)置不同的阻尼力，其中壓縮速度為正，壓縮阻尼力為正，具體見(jiàn)表2，分析如下。

（1）復(fù)原中高速段阻尼力不同，其中在速度600 mm/s和1 000 mm/s下，第5組較原車(chē)對(duì)應(yīng)的阻尼力分別減少8%和17%，第6組較原車(chē)增加8%和9%；

（2）壓縮中高速段阻尼力不同，其中在速度600 mm/s和1 000 mm/s下，第7組較原車(chē)對(duì)應(yīng)的阻尼力分別減少11%和21%，第8組較原車(chē)增加16%和20%；

（3）復(fù)原低速段阻尼力不同，其中在速度50 mm/s和100 mm/s下，第1組較原車(chē)對(duì)應(yīng)的阻尼力分別減少50%和50%，第2組較原車(chē)增加52%和47%；

（4）壓縮低速段阻尼力不同，其中在速度50 mm/s和100 mm/s下，第3組較原車(chē)對(duì)應(yīng)的阻尼力分別減少50%和53%，第4組較原車(chē)增加47%和42%。

表2 減振器阻尼特性的不同方案

3 平順性影響分析

3.1 掃頻路面

掃頻路面主要用于分析車(chē)輛在不同頻率激勵(lì)下車(chē)身的響應(yīng)。利用CarSim分別獲得僅改變前減振器復(fù)原中高速阻尼力和壓縮中高速阻尼力時(shí)的車(chē)身垂向加速度，如圖1和圖2所示。

由圖1、圖2可知，中高速阻尼力對(duì)車(chē)身質(zhì)心的垂向振動(dòng)加速度有影響，計(jì)算得到不同阻尼力對(duì)應(yīng)加速度的RMS（Root Mean Square，均方根值），阻尼系數(shù)與RMS的關(guān)系如圖3所示，隨著中高速阻尼系數(shù)增加，車(chē)身質(zhì)心振動(dòng)加速度RMS值增加，同時(shí)壓縮曲線斜率大于復(fù)原曲線斜率，因此改變壓縮阻尼力對(duì)質(zhì)心振動(dòng)的加速度影響更大。

圖1 掃頻路面質(zhì)心處垂向加速度（中高速度段復(fù)原阻尼力）

圖2 掃頻路面質(zhì)心處垂向加速度（中高速度段壓縮阻尼力）

圖3 阻尼系數(shù)對(duì)質(zhì)心振動(dòng)加速度RMS的影響

3.2 凸塊路面

凸塊路面主要用于評(píng)估車(chē)輛高速?zèng)_擊時(shí)的響應(yīng)特性，典型路面如行車(chē)減速帶。參照國(guó)標(biāo)[17]利用CarSim建立凸塊模型，分別改變復(fù)原和壓縮阻尼力進(jìn)行仿真分析，如圖4、圖5所示。

圖4 凸塊路面質(zhì)心處垂向加速度（中高速度段復(fù)原阻尼力）

圖5 凸塊路面質(zhì)心處垂向加速度（中高速度段壓縮阻尼力）

圖4中在第1個(gè)波峰處各曲線區(qū)分不明顯，由此可知，改變復(fù)原阻尼力對(duì)減振器壓縮沖擊加速度無(wú)影響，由第2個(gè)波谷曲線可知其主要影響回彈（復(fù)原）階段加速度，阻尼力越大則質(zhì)心加速度越大，影響程度如圖6所示。

圖6 阻尼系數(shù)對(duì)加速度峰值影響曲線

由圖5可知，改變壓縮阻尼力對(duì)減振器壓縮和復(fù)原階段的加速度均有影響，從第1個(gè)波峰值可知，阻尼力越大則質(zhì)心加速度越大，影響程度如圖6所示。

統(tǒng)計(jì)不同復(fù)原阻尼力對(duì)應(yīng)的第2個(gè)波峰最大加速度以及壓縮阻尼力對(duì)應(yīng)的第1個(gè)波峰最大加速度，繪制阻尼系數(shù)與加速度峰值關(guān)系曲線，如圖6所示。

由圖6可知，隨著中高速阻尼系數(shù)增加，車(chē)身加速度峰值增加，同時(shí)壓縮曲線斜率大于復(fù)原曲線斜率，改變壓縮阻尼力對(duì)加速度峰值影響更大。

綜上可知，改變中高速阻尼力主要影響車(chē)輛的平順性，并且阻尼系數(shù)越小，平順性越好，改變復(fù)原阻尼系數(shù)所帶來(lái)的影響大于改變壓縮阻尼系數(shù)。

4 操穩(wěn)影響分析

減振器阻尼特性主要影響車(chē)輛的側(cè)傾、俯仰等操穩(wěn)工況，針對(duì)雙移線工況進(jìn)行仿真，提取車(chē)身側(cè)傾角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

改變壓縮和復(fù)原階段的中低速阻尼力，得到車(chē)身側(cè)傾角，如圖7和圖8所示，單獨(dú)改變復(fù)原或壓縮阻尼力對(duì)車(chē)身側(cè)傾角均有影響。為進(jìn)一步分析其影響，提取第1個(gè)周期內(nèi)車(chē)身側(cè)傾角變化值，結(jié)合平均阻尼系數(shù)繪制低速段阻尼系數(shù)對(duì)車(chē)身側(cè)傾角的影響曲線，如圖9所示。由圖9可知，增加復(fù)原、壓縮阻尼系數(shù)，車(chē)身側(cè)傾角均減?。粚?duì)比各曲線斜率，發(fā)現(xiàn)復(fù)原阻尼系數(shù)對(duì)車(chē)身側(cè)傾角的影響更大。

圖7 低速段復(fù)原阻尼力側(cè)傾角仿真結(jié)果（雙移線工況）

圖8 低速段壓縮阻尼力側(cè)傾角仿真結(jié)果（雙移線工況）

圖9 低速阻尼系數(shù)對(duì)車(chē)身側(cè)傾角影響曲線

5 總 結(jié)

不同工況的仿真結(jié)果表明，改變減振器中高速阻尼力主要影響車(chē)輛的平順性，且阻尼系數(shù)越小平順性越好，壓縮阻尼力對(duì)整車(chē)平順性影響大于復(fù)原阻尼力。在雙移線工況下，增加減振器低速阻尼系數(shù)可以降低車(chē)輛側(cè)傾度，且復(fù)原阻尼力對(duì)車(chē)輛側(cè)傾的影響大于壓縮阻尼力。

[1]馮雪梅，劉佐民. 減振器內(nèi)部油壓行為分布特征有限元分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2002（5）：121-124.

[2]李世民，呂振華. 汽車(chē)筒式液阻減振器技術(shù)的發(fā)展[J]. 汽車(chē)技術(shù)，2001（8）：10-16.

[3]王保華. 液壓減振器特性仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[4]陳齊平，吳明明，蘇校，等. 基于CFD的車(chē)輛減振器阻尼特性研究[J]. 機(jī)床與液壓，2020，48（5）：93-101.

[5]劉延慶，張建武. 液壓減振器非線性動(dòng)態(tài)仿真和試驗(yàn)[J]. 汽車(chē)工程，2002，24（2）：152-156.

[6]祁宏鐘，雷雨成，吳云飛，等. 某懸架減振器的精確建模及仿真[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（5）：714-716.

[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]周長(zhǎng)城，孟婕，田立忠，等. 汽車(chē)筒式減振器分段線性特性的建模與仿真[J]. 汽車(chē)工程，2010（4）：333-338.

[9]徐中明，李仕生，張志飛，等. 基于MATLAB/Simulink的汽車(chē)減振器外特性仿真與性能分析[J]. 汽車(chē)工程，2011（4）：229-334.

[10] SAMN A A，ABDELHALEEM A M M，KABEEL A，et al. Study of a Mono-Tube Hydraulic Energy Harvesting Shock Absorber[J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems, 2019, 12(3) .

[11]許吉禪，牛禮民，劉超，等. 基于CarSim的半主動(dòng)懸架建模與仿真技術(shù)[J]. 機(jī)電工程，2013（5）：536-540.

[12]趙義偉，楊紹普，劉永強(qiáng)，等. 基于列車(chē)懸掛系統(tǒng)的半主動(dòng)混合控制仿真分析[J]. 動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2020，18（3）：38-43.

[13]ALYUKOV A, ROZHDESTVENSKIY Y,ALIUKOV S . Active Shock Absorber Control Based on Time-Delay Neural Network[J]. Energies, 2020, 13(5):1091.

[14]王靈龍，鄒博維. 減振器阻尼對(duì)車(chē)輛側(cè)傾穩(wěn)定性影響的仿真研究[J]. 中國(guó)測(cè)試，2017,43（7）：139-144.

[15]ZHAO S， ZHU L. Cruise Control System Based on Joint Simulation of CarSim and Simulink[J]. Open Access Library Journal，2018，5（7）:1-8.

[16]ETIENNE L , CA Lúa, GENNARO S D , et al. A Super-twisting Controller for Active Control of Ground Vehicles with Lateral Tire-Road Friction Estimation and CarSim Validation[J]. International Journal of Control Automation and Systems, 2020, 18(5):1177-1189.

[17]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 汽車(chē)平順性試驗(yàn)方法：GB/T 4970-2009[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

2021-06-21

1002-4581（2021）05-0016-05

U463.33+5.1.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.005