張長弓
摘要:近年來,隨社會的發(fā)展需要和人民生活水平的不斷提高,汽車已走進(jìn)千家萬戶,同時人們對汽車乘坐舒適性和平順性要求越來越高。而汽車減振器在抑制車身長時間的余振、提高舒適性和主動安全性,提高汽車減振器性能上日益迫切。本論文首先對減振器原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,針對奧迪某型轎車減振器進(jìn)行分析和研究從而建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型為后續(xù)研究提供準(zhǔn)備。
關(guān)鍵詞:平順性 減震器 奧迪轎車 數(shù)學(xué)模型
0 引言
近年來,隨社會的發(fā)展需要和人民生活水平的不斷提高,汽車已走進(jìn)千家萬戶,同時人們對汽車乘坐舒適性和平順性要求亦越來越高,而汽車減振器和懸架對于保證汽車行駛平順性、主動安全性、操縱穩(wěn)定性、制動性有著重要的影響,汽車減振器和懸架性能的提高、能增加車輪行駛接地力、防止汽車方向發(fā)飄,尤其是汽車在曲線行駛時,能防止汽車制動易跑偏和側(cè)滑甩尾、抑制車身長時間的余振、提高舒適性和主動安全性,鑒此,提高汽車減振器性能日益迫切。本論文主要從液壓技術(shù)和控制理論方面著手,首先分析了奧迪某型轎車減振器的相關(guān)工作原理和過程同時建立了相應(yīng)的物理模型,然后根據(jù)減振器的壓縮和伸張過程分別建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型從而為后續(xù)研究提供準(zhǔn)備。
1 減振器的工作原理
雙筒液壓減振器的作用原理是,當(dāng)車架與車橋做往復(fù)相對運動時,減振器中的活塞在缸筒內(nèi)也作往復(fù)運動,于是減振器殼體內(nèi)的油液便反復(fù)的從一個內(nèi)腔通過一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔。此時,孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對振動的阻尼力,使車身和車架的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能,被油液和減振器殼體所吸收,然后散到大氣中。
雙向作用筒式減振器一般具有四個閥(如圖1所示),即壓縮閥、伸張閥(又稱復(fù)原閥)、流通閥和補償閥。流通閥和補償閥是一般的單向閥,其彈簧很弱,但彈簧上的油壓作用力與彈簧力同向時,只要有很小的油壓,閥便能開啟;壓縮閥和伸張閥是卸載閥,其彈簧較強(qiáng),預(yù)緊力較大,只有當(dāng)油壓升高到一定程度時,閥才能開啟;而當(dāng)油壓降低到一定程度時,閥即自行關(guān)閉。
減振器的運動有壓縮與伸張兩個過程。復(fù)原過程:減振器的活塞和連桿部分相對于儲油缸向上運動的過程。壓縮過程:減振器的活塞和連桿部分相對于儲油缸向下運動的過程。當(dāng)車輪在路面上跳動時,彈簧被壓縮,振動能量被彈簧吸收,這種吸收只是一種能量形式變換為另一種能量形式,即將動能轉(zhuǎn)化為勢能,從而緩和了地面的沖擊對車身的影響,螺旋彈簧本身沒有消耗能量,這個勢能還存在,如果不把它消耗掉,動能勢能相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果是,車身過個凸臺或凹坑則搖晃不停。沒有達(dá)到減振的效果。減振器的作用就是把這個能量消耗掉,無論在復(fù)原過程,還是在壓縮過程,當(dāng)油液通過閥系窄小的縫隙時,縫隙壁與油液間產(chǎn)生摩擦,同時油液分子也具有內(nèi)摩擦。由于摩擦產(chǎn)生了阻尼,將車身振動的能量轉(zhuǎn)化為熱能,熱能被油液及減振器的零部件吸收,然后散發(fā)到大氣中去。
2 數(shù)學(xué)模型的建立
2.1 圖2是汽車的被動懸架結(jié)構(gòu)模型,其中,m1為非簧載質(zhì)量,m2為簧載質(zhì)量。k1為車輪剛度,k2為懸架螺旋彈簧剛度;y為系統(tǒng)輸入信號;x1為非簧載質(zhì)量的位移;x2為簧載質(zhì)量的位移;x0為路面不平度位移;v1為非簧載質(zhì)量的運動速度;v2為簧載質(zhì)量的運動速度;P1為內(nèi)上腔內(nèi)壓力;P2為內(nèi)下腔內(nèi)壓力;P3為外腔壓力。另設(shè)活塞上表面面積為A1;活塞下表面面積為A2;流通閥阻尼孔直徑為 d1,阻尼孔長度為l1;壓縮閥阻尼孔直徑為d2,阻尼孔長度為l2;伸張閥阻尼孔直徑為d3,阻尼孔長度為l3;補償閥阻尼孔直徑為d4,阻尼孔長度為l4;活塞直徑為da1,活塞桿直徑為da2;內(nèi)上腔的長度為L1;內(nèi)下腔的長度為L2;活塞與減振器工作腔之間由于油液運動粘度所產(chǎn)生的粘滯阻尼系數(shù)為C;懸架彈簧的初始壓縮的位移量為Δx1;車輪初始壓縮的位移量為Δx2;內(nèi)上腔靜態(tài)初始壓力為P10;內(nèi)下腔靜態(tài)初始壓力為P20。
2.2 建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型。動態(tài)時,假設(shè)減振器先經(jīng)歷壓縮行程,即y>x1>x2>0且v1>v2>0。簧載質(zhì)量m2的受力m2共受到自身重力m2g,m2g相對于其他作用力來說過小,在此為了便于計算,對其忽略不計;懸架螺旋彈簧的預(yù)緊和運動形變所共同產(chǎn)生的彈力k2(x1-x2+Δx2),方向向上;活塞因減振器上、下腔的壓力差所受到的支撐力A2P2-A1P1,方向向上;活塞與減振器工作腔之間的粘滯阻尼力為C(v1-v2),方向向上。
根據(jù)受力圖可以得出簧載質(zhì)量m2的受力方程為:
■=v■ (1)
■=■(2)
在壓縮行程中根據(jù)受力圖可以得出非簧載質(zhì)量m1的受力方程為:
■=v■(3)
■=
■(4)
對于減振器的內(nèi)上腔,在壓縮行程過程中,體積絕對伸張量為v■-v■·A1,從內(nèi)下腔經(jīng)流通閥流入的油液體積為■P■-P■。因此,內(nèi)上腔的壓力隨時間變化率為:
■=
■■P■-P■-v■-v■·A■(5)
對于內(nèi)下腔,在壓縮行程中的體積絕對壓縮量同樣為 v■-v■·A2,從而得到:
內(nèi)下腔的壓力隨時間變化率為:
■=■
v■-v■·A■-■P■-P■-■P■-P■(6)
(6)式中:V20內(nèi)下腔的容積,V20=活塞下表面面積A2×內(nèi)下腔的長度L2。
當(dāng)減振器工作時按照相同的分析方法
綜上所述,得到以下方程:
■=v■(7)
■=■(8)
■=v■(9)
■=
■(10)
■=
■■P■-P■-v■-v■·A■(11)
■=■
v■-v■·A■-■P■-P■-■P■-P■(12)
這六個方程就是減振器系統(tǒng)工作的數(shù)學(xué)模型。
3 結(jié)論
本文通過分析某奧迪汽車的減振系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu),通過分析振動情況的受力設(shè)定相應(yīng)的值。最終得到了減振器的較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。從而對后續(xù)的研究做好了準(zhǔn)備。
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