電動三輪車前減震器阻尼特性建模及流場模擬研究

摘 要：為了探究電動三輪車前減震器阻尼特性，本文提出電動三輪車前減震器阻尼特性建模和流場模擬研究。構建電動三輪車前減震器的數(shù)學模型，對其在壓縮與復原2個關鍵階段的阻尼流場進行數(shù)值模擬。模擬過程描繪了流體在減震器內(nèi)部的運動狀態(tài)，尤其是流體速度的變化情況。試驗結果表明，在邊界條件一致的情況下，減震器復原過程中壓縮腔內(nèi)的流體速度小于壓縮過程中復原腔內(nèi)的流體速度。同時，復原過程阻尼力小于壓縮過程阻尼力。為壓縮和復原過程分別配置適宜的閥系統(tǒng)，以保證減震器在不同工況下均能提供達到三輪車行駛需求的阻尼力，從而提升車輛的行駛穩(wěn)定性和舒適性。

關鍵詞：電動三輪車；阻尼特性；流場模擬；前減震器

中圖分類號：TH 137" " 文獻標志碼：A

在城市交通、農(nóng)村運輸和特殊作業(yè)場合中，電動三輪車應用廣泛。前減震器是電動三輪車的重要組成部分，其性能直接關系車輛的乘坐舒適性和行駛穩(wěn)定性。減震器利用阻尼特性吸收和緩解路面不平帶來的沖擊和振動，對提高車輛的整體性能和用戶體驗至關重要[1]。減震器的阻尼特性建模和流場模擬研究是減震器設計開發(fā)中的關鍵環(huán)節(jié)。構建精確的阻尼特性模型，并利用計算機流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術模擬減震器內(nèi)部的流體流動情況，可以深入理解減震器在不同工況下的工作機理和性能表現(xiàn)[2]，不僅有助于縮短減震器的開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，而且能夠顯著提升減震器的性能穩(wěn)定性和可靠性。本文針對電動三輪車前減震器的阻尼特性進行建模，并利用流場模擬技術對其內(nèi)部流場進行詳細分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗對象

為分析電動三輪車前減震器阻尼特性，本文將某電動三輪車前減震器作為研究對象。電動三輪車前減震器中的液壓阻尼生成機制的核心是利用油液在特定通道（例如縫隙、小孔或精心設計的閥門）中的流動來創(chuàng)造節(jié)流效應，進而生成阻尼力[3]。該過程涉及油液被迫從減震器的一個腔室流向另一個腔室。當通過這些狹窄的通道時，油液流速增加，壓力損失也隨之產(chǎn)生，形成了所需的阻尼效果。簡單來說，減震器利用精確控制油液流動路徑上的阻力，對車輛振動和沖擊進行有效吸收與衰減。阻尼形成基本原理如圖1所示。

在圖1中，當A、B油腔內(nèi)部充滿油液后，由小孔連通。在活塞靜止的狀態(tài)下，其內(nèi)部壓力的關系為PA=PB。當活塞向左運動時，油腔A油液被迫經(jīng)小孔流入油腔B，此時PAgt;PB，在活塞上形成壓縮阻力。當活塞向右運動時，油腔A出現(xiàn)部分真空，油腔B內(nèi)的油液被吸入油腔A，此時PAlt;PB，在活塞上形成復原阻力。從流體動力學的視角審視，流體在穿越溝槽、管道和孔洞等結構過程中，其流動形態(tài)會發(fā)生復雜變化，例如旋轉(zhuǎn)、擴張和收縮，這些變化均伴隨能量耗散與流動阻力增加[4]。為了保持流體持續(xù)流動，需要在流體遇到這些“流通障礙”的入口與出口間建立相應的壓力差。該壓力差直接影響流體經(jīng)過這些障礙時的流速，即壓差增大時，流體的流速也會相應提升，以滿足流動連續(xù)性的需求。

1.2 前減震器阻尼特性建模

明確上述試驗對象內(nèi)部運行情況后，在前減震器阻尼特性建模前，本文給出流體在各種狀態(tài)下的阻力公式。在細長的管道中，流動阻力如公式（1）所示。

（1）

式中：ΔP為管道兩端的壓力差；μ為液體的動力黏度；l為細長管道的長度；Q為流過細長管道的流量；d1為細長管道內(nèi)部直徑。

在環(huán)形縫隙中，流動阻力如公式（2）所示。

（2）

式中：ΔP2為環(huán)形縫隙進出口兩端的壓力差；l'為滑動閥體的軸向長度；B'為環(huán)形縫隙的周向長度；δ為環(huán)形縫隙的平均厚度。

流經(jīng)銳邊短孔的流動阻力如公式（3）所示。

（3）

式中：ΔP3為流經(jīng)銳邊短孔時的壓力差；ρ為液體密度；ε為流量系數(shù)；A'為小孔面積。

結合上述公式，對電動三輪車前減震器建立阻尼特性數(shù)學模型。深入理解減震器在電動三輪車行駛過程中的力學作用，關鍵是把握其工作循環(huán)，即當車輛遭遇不平路面沖擊并且前輪受力時，套管受迫上移，壓縮彈簧，同時帶動活塞組件上行[5]。在該過程中，下腔C體積縮減，油壓驟升，上腔B體積擴張并產(chǎn)生負壓，使C腔減震液由特定通道（包括阻尼孔與活塞桿內(nèi)腔）流入B腔，過剩部分則排入A腔，壓縮腔內(nèi)空氣，生成壓縮阻尼[6]。沖擊過后，彈簧恢復原位，套管下行，C腔擴容減壓，B腔油液回流并增壓，減震液從B腔經(jīng)阻尼路徑回補至C腔，A腔儲備的減震液適時補充，形成復原阻力[7]。該壓縮與復原的連續(xù)過程有效降低了振動幅度，減少了能量，顯著提升了電動三輪車的行駛平穩(wěn)性與乘坐舒適度。

針對電動三輪車前減震器的獨特構造與減震液的流動特性，可以將其內(nèi)部劃分為4個相互隔絕，并在特定機制下相互作用的封閉區(qū)域[8]。進而假定各區(qū)域間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是平滑且連續(xù)的，不存在狀態(tài)參數(shù)的突變現(xiàn)象，從而全面而準確地分析減震器工作過程。將油腔A定義為氣液共存腔，該腔體坐落于活塞桿頂端，為減震液與空氣的共存空間[9]。

在前減震器的構造中，只使A腔容納空氣，其余腔室均充盈減震液。關于A腔內(nèi)的狀態(tài)，假定減震液與空氣間達到壓力均衡，即減震液所承受的壓力與空氣的壓力是相等的，不存在壓力差。因此，在油腔A中，減震液與空氣共享一個均衡的壓力狀態(tài)。

將油腔B定義為復原腔，根據(jù)流體流動的連續(xù)性原理，其減震液體積流量由活塞的有效面積與活塞相對于工作缸的運動速度共同決定。具體來說，當活塞在工作缸內(nèi)移動時，會推動減震液在油腔B中流動，流動的速度與活塞的運動速度成正比，同時流動的體積也受活塞有效面積的影響。因此，減震液的體積流量可以看作活塞有效面積與活塞運動速度的乘積，所得復原過程中油腔B的壓力PB如公式（4）所示。

（4）

式中：Pf表示阻尼孔外側(cè)壓力；k表示慣性沖擊；為油腔在該時刻的狀態(tài)。

將油腔C定義為壓縮腔，在壓縮過程中，油腔C的壓力如公式（5）所示。

（5）

式中：PC為油腔C的壓力；Py為導流孔外側(cè)的壓力；r為內(nèi)腔半徑。

定義活塞桿內(nèi)腔為連接油腔A、油腔B和油腔C的通道，結合流體流動連續(xù)性原理，所得如公式（6）所示。

QC=QA+QB （6）

式中：QC為油腔C的體積流量；QA為流出油腔A的體積流量；QB為油腔B減震液體積流量。

分析4個區(qū)域阻尼，聯(lián)立公式（4）～公式（6）完成對前減震器阻尼特性數(shù)學模型的構建。

1.3 流場模擬

本文引入FLUENT，模擬電動三輪車前減震器內(nèi)部流場。模擬前的邊界條件設置如下。1） 速度入口條件。設置入口速度值為5 m/s，這是一個中等速度，適用于模擬減震器在一般行駛條件下的流體進入速度。流體溫度為293.15 K，湍流強度為5%，湍流長度為0.01 m。2） 壓力入口條件。設定總壓力值為1 atm，這是標準大氣壓下的壓力值，溫度等其他標量參數(shù)保持與速度入口條件一致。3） 質(zhì)量入口條件（針對可壓縮流）。設置流體質(zhì)量流量為0.01 kg/s。4） 壓力出口條件。設置出口靜壓力值為1 atm，與入口總壓力相同，表示減震器出口處與外界大氣相連。

在考慮不可壓流動狀態(tài)下，在笛卡爾坐標系下，湍流瞬時速度矢量在x、y和z方向的分量u、v和w的控制方程分別如公式（7）～公式（9）所示。

（7）

（8）

（9）

式中：p 為當流體進入減震器時的壓力。

當啟動FLUENT分析流程時，利用三維空間下的單精度求解器來執(zhí)行模擬。加載網(wǎng)格數(shù)據(jù)后，需要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，這是保證計算穩(wěn)定性和準確性的關鍵。重點核查網(wǎng)格中是否存在負體積元素，因為負體積是FLUENT進行數(shù)值模擬過程中無法容忍的異常情況，會直接導致計算失敗。

為了進一步鞏固計算基礎，提升網(wǎng)格的適用性和計算效率，建議對網(wǎng)格進行必要的優(yōu)化處理，例如執(zhí)行網(wǎng)格平滑操作。該步驟旨在減少網(wǎng)格中的不規(guī)則性和缺陷，例如尖角、扭曲或高縱橫比單元，從而增強網(wǎng)格的整體質(zhì)量，為后續(xù)分析奠定堅實基礎。

2 試驗結果分析

2.1 壓縮過程阻尼分析

給定進口速度，并且流體經(jīng)過一個壓縮周期的運動后，采用流場模擬得出此時減震器復原腔內(nèi)的速度最大值為4.966 6m/s。在一個壓縮周期內(nèi)，減震器筒內(nèi)各節(jié)點位置的速度分布情況如圖2所示。

圖2描繪了減震器內(nèi)流體速度在特定操作條件下的動態(tài)變化特性。在進口段，由于本文設計保證了過流截面的穩(wěn)定性，流體流動平穩(wěn)，因此速度曲線保持平穩(wěn)。在壓縮周期的一個關鍵點，外部沖擊力減弱或轉(zhuǎn)換，進口速度接近于零，因此速度曲線的縱坐標在該區(qū)域接近零值，反映了減震器在吸收能量過程中的動態(tài)響應。

當流體繼續(xù)流動并遭遇阻尼孔時，情況發(fā)生了顯著變化。阻尼孔的設計旨在通過急劇縮小過流截面來增加流體流動的阻力，從而取得能量耗散和減震效果。因此，當油液通過阻尼孔時速度顯著加快，體現(xiàn)了阻尼孔對流體流動的約束作用。當油液流出阻尼孔，進入過流截面迅速擴大的區(qū)域時，流速迅速減緩，原因是流體能量在阻尼孔處釋放和轉(zhuǎn)換，導致流速自然下降。

旋渦的形成和油液運動的慣性效應使流體在空間中繼續(xù)以一定速度旋轉(zhuǎn)和移動，豐富了減震器的動態(tài)特性，因此在流速變慢后，復原腔內(nèi)的油液速度并未立即降至0。

隨著流體遠離阻尼孔，其速度在復原腔內(nèi)呈波動性衰減趨勢。這種衰減不僅受流體動力學特性的影響，而且受減震器內(nèi)部結構設計，特別是減震桿占據(jù)空間的制約。由于減震桿的存在，因此復原腔內(nèi)的液體流動路徑受到限制，流速比在壓縮腔中更快，體現(xiàn)了減震器在不同工作階段和區(qū)域內(nèi)對流體流動特性的精細調(diào)控。

2.2 復原過程阻尼分析

給定進口速度，流體經(jīng)過復原周期的運動后，計算此時前減震器壓縮腔內(nèi)的速度。復原過程總壓分布如圖3所示。

由圖3可知，復原過程中壓縮腔內(nèi)的流體運動速度比壓縮過程中復原腔內(nèi)的流體運動速度整體更緩慢，速度變化更平穩(wěn)。該現(xiàn)象反映了前減震器在不同工作階段展現(xiàn)出的阻尼特性差異。

在減震器的壓縮過程中，由于外部沖擊力的作用，流體被迅速壓入復原腔，因此該區(qū)域內(nèi)的流體速度顯著增加，并伴隨較大的速度波動。這種快速而劇烈的速度變化是減震器吸收并緩解沖擊能量的重要表現(xiàn)。

而在復原過程中，即減震器從被壓縮狀態(tài)恢復到初始狀態(tài)的過程中，壓縮腔內(nèi)的流體需要逐漸回流至復原腔。此時，減震器的阻尼元件（例如阻尼孔、閥片等）會發(fā)揮作用，限制流體的流動速度，使速度變化相對平緩。這種設計有助于控制減震器的回彈速度，防止車輛或機械結構在回彈過程中產(chǎn)生過大振動或沖擊。

3 結語

本文對電動三輪車前減震器阻尼特性進行了建模和流場模擬研究，深入探討了減震器工作機理和性能表現(xiàn)。研究成果不僅為電動三輪車前減震器的設計開發(fā)提供了重要的理論支持和技術參考，而且為其他類型減震器的性能優(yōu)化和流場分析提供了可借鑒的方法和思路。未來，隨著計算機技術和仿真技術不斷發(fā)展，減震器的阻尼特性建模和流場模擬研究將更深入和精準，為提升車輛的整體性能和用戶體驗做出更大貢獻。

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基金項目：甘肅省科技計劃中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目“電動三輪車減震技術開發(fā)與應用”（項目編號：22CX3GH010）。