陳乘浪

中國汽車工程研究院股份有限公司浙江分公司 浙江省臺州市 317605

1 引言

在汽車底盤彈簧座設(shè)計中，為了提高汽車乘坐的安全性與整體舒適性，汽車的減振器性能至關(guān)重要。充氣式充氣液壓減振器的運行原理是通過活塞的往復(fù)運動，產(chǎn)生一定的油壓差，基于流動作用形成壓力油，壓力油的壓縮作用產(chǎn)生阻尼達到減振的目標。與充氣液壓減振器的缺點相同，當油液補充不及時，會對汽車造成一定的傷害。作為汽車穩(wěn)定行駛的重要組成部件，對于減振器的質(zhì)量檢測與監(jiān)控至關(guān)重要，因此，本文提出了汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法設(shè)計，為汽車行駛的安全性與可靠性提供幫助。

2 減振器產(chǎn)品特性研究

汽車的減振器能夠有效地降低汽車行駛中受到?jīng)_擊作用產(chǎn)生的振動，以并聯(lián)的連接方式，安裝在汽車的懸架系統(tǒng)中，能夠有效提高汽車運行的平穩(wěn)性，減少振動對汽車造成的傷害。

通常情況下，汽車采用的減振器為充氣液壓減振器，主要的運行原理是汽車在振動作用下會產(chǎn)生相對運動力，減振器內(nèi)的活塞通過上下位移運動，幫助油液的流入與流通，油液分子之間會產(chǎn)生一定的摩擦力，與孔壁之間的摩擦力相結(jié)合，共同形成阻尼力。充氣液壓減振器的閥門包括兩種結(jié)構(gòu)：單向閥與卸荷閥，如圖1所示。

圖1 充氣液壓減振器閥門結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，為充氣液壓減振器的閥門結(jié)構(gòu)圖。減振器的阻尼力能夠?qū)⒄駝幽芰窟M行相應(yīng)地轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為有利于汽車行駛的油液熱能，最終減振器吸收后，散發(fā)到大氣中，環(huán)保性較高。一般情況下，當油液通道的影響因素穩(wěn)定不變時，減振器產(chǎn)生的阻尼力會隨著車輪運動的相對速度而減少。汽車減振器的性能與油液的黏度具有很大的關(guān)系，油液的黏度對阻尼力具有一定的影響。

減振器與汽車的彈性元件存在一定的差異，彈性元件通常能夠起到緩沖汽車作用力的作用，幫助汽車減少振動的緩沖力，使汽車行駛中受到的沖擊力得到一定的緩解；減振器的主要作用是減小汽車產(chǎn)生的振動，保證行駛過程中汽車的阻尼力，降低其他部件受到振動導(dǎo)致的損壞。減振器的主要結(jié)構(gòu)包括控制器、傳感器與執(zhí)行機構(gòu)，共同作用形成了適應(yīng)度較強、能夠自動調(diào)整的減振器。

減振器具有較高的適應(yīng)性，能夠連續(xù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的阻尼力。根據(jù)阻尼的特性，控制器內(nèi)的節(jié)流閥能夠自動調(diào)節(jié)電控，改變節(jié)流閥的流通面積。在阻尼力較大的情況下，減振器能夠進行不間斷地調(diào)節(jié)作用，根據(jù)汽車實際的行駛情況，進行連續(xù)調(diào)節(jié)，最終確保汽車的減振效果達到最佳狀態(tài)。

充氣液壓減振器，涵蓋了普通減振器的所有優(yōu)點，另外還能有效提高普通減振器的外特性，大幅度提升減振器的臨界作用速度。減振器的阻力過大時，汽車底盤彈簧座的彈簧彈性會大幅度下降；減振器的阻力過小時，汽車底盤彈簧座的彈簧彈性無法發(fā)揮出效果，對于減小振動的作用力較小。減振器的性能受到多種因素的影響，其中主要因素包括油液的溫度、活塞桿的直徑、活塞內(nèi)圈的孔直徑、活塞外圈的孔直徑。

3 汽車底盤彈簧座減振器檢測質(zhì)量監(jiān)控方法設(shè)計

基于上述對汽車底盤彈簧座減振器產(chǎn)品特性的研究分析，獲取到不同類型減振器的運行原理與特性，根據(jù)減振器的運行特征與阻尼力作用情況，進行檢測質(zhì)量監(jiān)控方法設(shè)計，具體的監(jiān)控方法設(shè)計步驟如下。

3.1 減振器特性參數(shù)檢測

本文設(shè)計的汽車底盤彈簧座減振器檢測質(zhì)量監(jiān)控方法，首先要對減振器的特性參數(shù)進行相關(guān)的質(zhì)量檢測。減振器中的閥片，通過開通孔的作用，形成一定的減振作用力，閥片的形狀變化，能夠影響減振器的阻尼力。借助ANSYS軟件耦合分析減振器的內(nèi)部壓力狀況，獲取減振器閥片的油液壓力。減振器的特性參數(shù)包括流固耦合參數(shù)，分為單向與雙向，計算流場的結(jié)構(gòu)。

構(gòu)建耦合分析模型，利用CFD模塊對模型中的網(wǎng)格進行劃分，設(shè)置模型中的網(wǎng)格數(shù)量為16524個，單元的類型設(shè)置為35個節(jié)點的六面體單元。本文設(shè)計的耦合分析模型分析流程，如圖2所示。

如圖2所示，本文設(shè)計的耦合分析模型首先利用線性綁定的方式，結(jié)合MPC算法，連接減振器的活塞與閥片。在減振器的活塞周圍布設(shè)固定支撐設(shè)備，保證減振器元件的自由度。選擇活塞油液的速度入口，設(shè)置入口處的速度為0.625m/s，將出口處的油液壓力設(shè)置為標準大氣壓力，基于ANSYS分析模塊，對流場的壓力進行導(dǎo)入選定操作，結(jié)合閥片的靜力結(jié)果，獲取到減振器閥片的變形參數(shù)。

設(shè)定減振器的閥片受力均勻，固定閥片的內(nèi)邊緣，根據(jù)減振器的特性參數(shù)與約束條件，計算減振器閥片的彎曲變形量。設(shè)置減振器閥片的內(nèi)半徑長度為r，外半徑長度為r，閥片承受的最大壓力為，閥片的整體結(jié)構(gòu)厚度為，閥片的彎曲變形量為，采用彈性力學(xué)算法，獲取到減振器工作運行狀態(tài)下，閥片的變形微分方程式：

其中，表示減振器閥片的彈性參數(shù)模量；表示閥片的泊松比系數(shù)。在計算過程中，設(shè)置減振器閥片疊加在一起，綜合考慮閥片的厚度。根據(jù)減振器內(nèi)部油液流動的通道，調(diào)節(jié)活塞桿與底盤彈簧座之間的間隙，其中，忽略油液產(chǎn)生的阻力，根據(jù)減振器底閥的圓形段狀孔的運行狀況，判斷減振器的液阻。設(shè)置減振器的活塞運動速度為，段狀孔的上腔排出流量與油筒的吸入流量保持相同，則減振器的復(fù)原阻尼力性能參數(shù)計算公式為：

其中，A表示減振器壓縮腔的覆蓋面積；A表示減振器活塞桿的覆蓋面積；表示活塞桿的腔內(nèi)最優(yōu)化壓強；表示活塞桿壓縮腔的最大壓強；F表示減振系統(tǒng)受到作用產(chǎn)生的最優(yōu)化摩擦力；F表示減振器組件產(chǎn)生加速度形成的作用力。減振器的油液經(jīng)過活塞軸向孔的擠壓作用，導(dǎo)致閥片在一定程度上出現(xiàn)變形情況，形成較多的縫隙，對活塞的移動速度產(chǎn)生較大影響。

3.2 減振器穩(wěn)定性評估與監(jiān)控

基于上述的減振器特性參數(shù)檢測完畢后，對汽車減振器的檢測結(jié)果進行評估，根據(jù)評估結(jié)果監(jiān)控減振器的質(zhì)量。汽車的減振器在行駛過程中，缸筒會進行相應(yīng)的往復(fù)運動，通常情況下，不會產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象。然而，當汽車底盤彈簧座減振器的質(zhì)量出現(xiàn)問題時，減振器的拉伸行程受到相應(yīng)的影響，導(dǎo)致減振器拉伸行程出現(xiàn)最大化的極限情況，降低質(zhì)量與穩(wěn)定性能，減振器的限位結(jié)構(gòu)受到振動撞擊，形成較大的噪聲與嚴重的質(zhì)量問題。

為了監(jiān)控減振器的質(zhì)量與穩(wěn)定性，本文設(shè)計在減振器的內(nèi)部活塞桿中安裝減振緩沖塊，通過緩沖塊損壞程度，與撞擊產(chǎn)生的噪聲，判斷減振器的質(zhì)量是否處于穩(wěn)定?；钊麠U的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 耦合分析模型分析流程

如圖3所示，為汽車底盤彈簧底座活塞桿的結(jié)構(gòu)圖，將減振緩沖塊安裝在減振器內(nèi)部，設(shè)置限位環(huán)與導(dǎo)向環(huán)，通過縱向擠壓作用，降低減振器的內(nèi)徑限制，由于不同工況的循環(huán)圈數(shù)較多，通過一定的算法計算出黏彈性減振器的儲能模量等性能參數(shù)，通過對比性能參數(shù)，獲取減振器的質(zhì)量變化，如表1所示。

如表1所示，為本文設(shè)計的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法的性能參數(shù)設(shè)置，可知，黏彈性裝配式裝置的耗能能力較低，儲能模量的變化范圍較大，當參數(shù)呈現(xiàn)大幅度變化時，表明減振器質(zhì)量出現(xiàn)了一定的問題。汽車減振器的儲能模量通常情況下在2.329MPa～4.418Mpa之間變化，能夠增加減振器阻尼材料的牢固程度?；谟邢拊惴ǎ嬎闫嚨妆P彈簧座減振器的損耗因子與儲能模量，將計算結(jié)果用來監(jiān)控減振器的質(zhì)量與穩(wěn)定性，以設(shè)置的參數(shù)為判斷指標，對比計算結(jié)果與參數(shù)設(shè)置之間的差異，當減振器的儲能模量與計算結(jié)果相差3.255Mpa以上，且損耗因子較小時，表明汽車底盤彈簧座減振器的質(zhì)量與性能出現(xiàn)了一定的問題，不利于汽車的穩(wěn)定行駛，應(yīng)當及時進行汽車減振器質(zhì)量的檢查與維修。

表1 黏彈性減振器性能參數(shù)設(shè)置

4 實驗分析

4.1 實驗準備

為了驗證本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法的有效性，進行了如下實驗測試。本次實驗采用的汽車底盤彈簧座減振器的參數(shù)，如表2所示。

表2 汽車底盤彈簧座減振器實驗參數(shù)設(shè)置

如表2所示，為本次實驗采用的汽車底盤彈簧座減振器參數(shù)配置，為了保證實驗結(jié)果的精確度，應(yīng)當嚴格按照表2的參數(shù)設(shè)置進行實驗。選取專業(yè)的檢測設(shè)備與百分表，將汽車底盤彈簧座的螺旋線進行標記，標記為A點，通過滯回曲線，計算減振器的阻尼損耗因子，獲取汽車運行中的加載頻率與幅值，判斷減振器力學(xué)性能運行是否良好。采用150kN的試驗機，對減振器通過一定的方式施加側(cè)壓力，控制與監(jiān)測減振器的力傳感器數(shù)值變化，設(shè)置減振器的側(cè)壓力為0.35kN、1.25kN、2.05kN，加載減振器的運行工況，完成汽車底盤彈簧座減振器的質(zhì)量監(jiān)控實驗。

4.2 結(jié)果分析

為了使實驗結(jié)果更加具有說服性，本文采用對比實驗的形式，設(shè)置本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法為實驗組，傳統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量監(jiān)控方法為對照組，對比兩種檢測質(zhì)量監(jiān)控方法對減振器復(fù)原阻尼力檢測結(jié)果的誤差率，如表3所示。

表3 兩種減振器質(zhì)量監(jiān)控方法誤差率對比

如表3的實驗結(jié)果所示，本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法，在速度參數(shù)不同的情況下，檢測結(jié)果的誤差率均小于傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控方法，檢測質(zhì)量監(jiān)控結(jié)果的準確率更加具有優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

綜上所述，底盤彈簧座減振器作為汽車的重要組成部分，能夠有效地提高汽車行駛過程中的安全性與可靠性，本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法，通過檢測減振器的質(zhì)量參數(shù)，評估與監(jiān)控減振器的穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)對減振器質(zhì)量的有效監(jiān)控。然而，本文在減振器摩擦力方面的研究仍然存在一定的不足，在未來的研究中，會重點改進。