阻尼多狀態(tài)切換減振器的性能仿真與試驗

陳 龍，喻 力，崔曉利

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.湖南工學院機械工程學院，湖南 衡陽 421002)

由于傳統(tǒng)的被動懸架已不能滿足人們對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，為了使懸架系統(tǒng)能夠適應不同道路及速度條件，人們提出了性能優(yōu)良的全主動和半主動懸架.全主動懸架雖然性能優(yōu)越，但系統(tǒng)工作時要消耗車輛的部分動力，整個系統(tǒng)結構復雜，成本高，可靠性差，不易普及.與全主動懸架相比，半主動懸架的最大優(yōu)點是工作幾乎不消耗發(fā)動機的功率，不向機械系統(tǒng)中附加能源，結構簡單，造價低，而減振效果接近于全主動懸架，因此，日益受到國內(nèi)外汽車工程界的普遍重視［1－2］.

阻尼可調(diào)液壓減振器在車輛半主動懸架系統(tǒng)中應用十分廣泛.通過對傳統(tǒng)被動式液壓減振器的結構和部件進行適當改動，使其具有可調(diào)阻尼特性，既可沿用原液壓減振器的大部分制造工藝，縮短研發(fā)周期，也可降低可調(diào)減振器的成本，因此，這是開發(fā)可調(diào)阻尼減振器較為理想的技術方案［3］.

雖然阻尼可調(diào)減振器具有諸多優(yōu)點，但目前國內(nèi)在阻尼可調(diào)減振器設計開發(fā)方面的研究還比較少.對半主動懸架的研究也主要是集中在對可調(diào)阻尼減振器的性能分析與試驗研究以及半主動懸架的控制算法等方面［4－8］.陳龍等［9］提出了一種串聯(lián)節(jié)流口面積可調(diào)式減振器，通過改變轉角調(diào)節(jié)節(jié)流口的節(jié)流面積來控制阻尼力的減振器.而有關在同一模式下，拉伸和壓縮行程呈現(xiàn)不同阻尼特性的減振器的研究卻相對較少，可將具有這種多狀態(tài)阻尼特性的減振器稱為阻尼多狀態(tài)切換減振器.該減振器可根據(jù)車輛行駛工況對減振器在拉伸和壓縮行程的阻尼進行多狀態(tài)切換，滿足在更復雜行駛工況下車輛行駛平順性與操縱穩(wěn)定性的要求.因此，有關阻尼多狀態(tài)切換減振器的設計和研究將是今后半主動懸架控制系統(tǒng)研究中的重要環(huán)節(jié).筆者針對阻尼多狀態(tài)切換減振器模型，建立減振器阻尼特性的數(shù)學模型［3］，通過仿真計算分析減振器的主要結構參數(shù)對其阻尼性能的影響，通過臺架試驗對減振器的阻尼性能進行測試，以檢驗可調(diào)減振器數(shù)學模型和設計方法的正確性.

1 工作原理

阻尼多狀態(tài)切換減振器的結構如圖1所示，減振器主體由主減振筒和副減振筒組成.

減振器主筒腔內(nèi)充入油液，由電磁閥來控制液體壓力大小，以改變阻尼的大小，適應不同的工況要求.以拉伸過程為例，當電磁閥e，f全部打開時，油液從上腔通過電磁閥所在回路直接進入下腔，此時回路對油液的阻尼力最小，減震器處于“軟”模式.當電磁閥e，f全部關閉時，油液從上腔通過單向閥b，c進入下腔，此時回路對油液的節(jié)流作用最大，減震器處于“硬”模式.

圖1 阻尼多狀態(tài)切換減振器結構示意圖

該減震器不僅具備多級阻尼可變模式，還具有同一模式下，拉伸狀態(tài)和壓縮狀態(tài)不同的阻尼可變特性，該特性由電磁閥的開閉控制.電磁閥e打開，f關閉時，拉伸行程油液流經(jīng)電磁閥e的回路、單向閥c，進入下腔，壓縮行程油液流經(jīng)單向閥d、電磁閥e的回路，進入上腔.此時減震器所展現(xiàn)的阻尼特性為“硬拉伸，軟壓縮”，偏重于路面復雜情況下的慢速行駛狀況，可在顛簸路面輸入下緩和顛簸;同理，當電磁閥e關閉，f打開時，阻尼特性為“軟拉伸，硬壓縮”，該模式適合高速路況，在高速下保證了車輛的操控穩(wěn)定性.

2 數(shù)學模型

2.1 假 設

減振器的實際工作過程非常復雜，影響其阻尼特性的因素也較多，為便于分析和掌握其性能特點，在建立阻尼特性數(shù)學模型時，假設:① 活塞環(huán)與工作缸、活塞桿與導向座之間不產(chǎn)生泄漏;②節(jié)流過程中產(chǎn)生油液氣泡所耗用的油液質(zhì)量忽略不計;③整個減振器拉伸、壓縮工作過程中油液溫度保持不變;④不計工作油液的重力勢能的影響;⑤ 所研究的閉區(qū)域內(nèi)同一瞬時壓力處處相等.

2.2 阻尼多狀態(tài)切換減振器阻尼特性建模

壓縮、拉伸行程減振器的液壓油流向分別如圖2，3 所示.

圖2 壓縮行程

圖3 拉伸行程

以“軟拉伸，硬壓縮”工況為例，介紹拉伸行程的建模過程.此時減振筒內(nèi)油液的流向如圖3中箭頭所示.其中，一部分油液通過主減震筒活塞流入下腔，另一部分油液通過副減震筒，流經(jīng)單向閥b、電磁閥f所在回路，進入下腔，由拉伸行程上腔流入下腔的油液流量為

式中:Ah為活塞的有效面積，m2;Ag為活塞桿的有效面積，m2;Qz1為拉伸行程中流經(jīng)主減振活塞的油液流量，m3·s－1;Qz2為拉伸行程中流經(jīng)副減振活塞的油液流量，m3·s－1;v為活塞運動的速度，m·s－1.

根據(jù)流體力學理論，拉伸阻尼力為

式中:p1為上腔油液壓力，MPa;p2為下腔油液壓力，MPa;p3為補償腔壓力，MPa;Fm為活塞往復運動產(chǎn)生的摩擦力，N;F0為空氣彈簧作用力，N;Δp12為拉伸行程上腔油液流經(jīng)活塞產(chǎn)生的壓力損失，MPa;Δp32為拉伸行程補償腔油液流經(jīng)底閥產(chǎn)生的壓力差，MPa.

流經(jīng)主減振筒活塞的油液如圖4所示.

圖4 主減振筒活塞內(nèi)油液流向示意圖

一部分從上腔進入壓縮閥片的常通孔1再經(jīng)活塞的節(jié)流孔2流入下腔，流量為QLct，這里的常通孔同樣采用壓縮閥片開3個極小的缺口來實現(xiàn).該過程中活塞上下的壓差ΔpLct也可看作由2部分組成:常通孔1的固定平行平板縫隙節(jié)流產(chǎn)生的壓差Δpt和節(jié)流孔2的細長小孔節(jié)流產(chǎn)生的壓差Δpj2.由能量損失疊加原理及多孔口串聯(lián)流量連續(xù)原理可得

式中:Qt為流經(jīng)常通孔1的油液流量，m3·s－1;Qj2為流經(jīng)節(jié)流孔2的油液流量，m3·s－1.

由流體力學理論公式可得

式中:bt為常通孔處平行板縫隙的寬度，m;ht為常通孔處兩平行板之間的縫隙，m;μ為液體的黏度，Pa·s;lt為常通孔處平行板縫隙的長度，m;dj2為節(jié)流孔2的直徑，m;lj2為節(jié)流孔2的節(jié)流長度，m.

另一部分油液則從上腔進入活塞的節(jié)流孔3再經(jīng)復原閥片的節(jié)流口4流入下腔，流量為QLd.這里的節(jié)流口采用復原閥片開3個極小的缺口來實現(xiàn).該過程中活塞上下的壓差ΔpLd可看作由2部分組成:節(jié)流孔3的細長小孔節(jié)流產(chǎn)生的壓差Δpj1和節(jié)流口4產(chǎn)生的壓差Δpk.復原閥開閥前節(jié)流口4為固定平行平板縫隙節(jié)流，而復原閥開閥后油液經(jīng)過復原閥片變形后與活塞凸起之間的縫隙流入下腔，產(chǎn)生的由能量損失疊加原理及多孔口串聯(lián)流量連續(xù)原理可得

式中:Qj1為流經(jīng)節(jié)流孔3的油液流量，m3·s－1;Qk為流經(jīng)節(jié)流口4的油液流量，m3·s－1.

由流體力學理論公式可得

復原閥開啟前后分別為

式中:dj1為節(jié)流孔3的直徑，m;lj1為節(jié)流孔3的節(jié)流長度，m;bk為節(jié)流口4處平行板縫隙的寬度，m;hk為節(jié)流口4處兩平行板之間的縫隙，m;lk為節(jié)流口4處平行板縫隙的長度，m;δ為復原閥片的變形撓度，m;R為復原閥片的外徑，m;r為復原閥片的內(nèi)徑，m.

根據(jù)流量連續(xù)原理，由圖4可得

流經(jīng)副減振筒內(nèi)單向閥b、電磁閥f所在回路的油液僅在單向閥b處受到節(jié)流作用，其節(jié)流方式與上述主減振活塞流向如圖4中從節(jié)流孔3到節(jié)流口4流向的節(jié)流方式相同，僅節(jié)流孔徑、長度及閥片變形撓度發(fā)生改變，故不做復述.

綜上，可求得Δp12，進而求得拉伸阻尼力F.

3 性能分析

根據(jù)上述減振器阻尼特性的數(shù)學模型，運用Simulink軟件進行編程并仿真.活塞運動位移方程為 s(t)=Asin ωt，速度方程為 v(t)=Aωcos ωt，式中:A為振幅;ω為頻率;t為時間.

根據(jù)仿真結果，在INSTRON8800電液伺服試驗臺(見圖5)上按照汽車液壓減振器的試驗標準對減振器樣件的阻尼性能進行測試.

減振器的阻尼調(diào)節(jié)驅動裝置由電磁閥和擺動氣缸組成，以保證精確、靈敏、可靠地實現(xiàn)阻尼狀態(tài)切換.臺架試驗時，阻尼切換通過手動開關控制電磁閥而完成.通過計算機控制作動器振動頻率，使減振器活塞運動頻率分別為1，3，5 Hz，依次測出其示功圖，并作出速度特性曲線，如圖6－11所示，3種速度分別為 0.22，0.66，1.10 m·s－1.

圖5 INSTRON8800電液伺服試驗臺

圖6 電磁閥e，f均打開時，3種速度下仿真與試驗示功圖

圖7 電磁閥e，f均關閉時，3種速度下仿真與試驗示功圖

圖8 電磁閥e打開，f關閉時，3種速度下仿真與試驗示功圖

圖9 電磁閥e關閉，f打開時，3種速度下仿真與試驗示功圖

圖10 仿真速度特性曲線

圖11 試驗速度特性曲線

由圖6－9可以看出，試驗所得的4種阻尼狀態(tài)下的示功圖曲線飽滿光滑，沒有空程和畸變，說明研制的可調(diào)阻尼減振器性能良好，示功圖仿真結果與試驗結果基本吻合，阻尼力仿真值與試驗值偏差小，說明所建的減振器數(shù)學模型精度較高.圖8中拉伸阻尼力大于壓縮阻尼力，減振器呈“硬拉伸，軟壓縮”特性明顯.圖9中壓縮阻尼力大于拉伸阻尼力，減振器呈“軟拉伸，硬壓縮”特性明顯.造成示功圖在壓縮－伸張最大位移處的輸出力不為0的原因是該阻尼多狀態(tài)切換減振器上部套有一體式空氣彈簧元件，擬合了空氣彈簧的彈性力在內(nèi).圖形呈一定傾斜是因為空氣彈簧可變剛度的特性造成的.

4 結論

在被動式液壓減振器基礎上研制阻尼多狀態(tài)切換減振器的技術方案可行.所建減振器阻尼特性數(shù)學模型正確.對研制的減振支柱樣件進行臺架性能測試，試驗結果與仿真結果基本一致，驗證了減振支柱剛度特性數(shù)學模型的正確性及其結構設計方案的可行性.仿真結果與試驗結果存在一定偏差，這與在建立減振器數(shù)學模型時所做的一些假設有關.

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