基于AMESim某車型減振器仿真方法研究

劉德柱，趙唐雷，劉艷華，王海

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基于AMESim某車型減振器仿真方法研究

劉德柱，趙唐雷，劉艷華，王海

（華晨汽車工程研究院底盤(pán)集成處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

AMESim減振器建模是基于零部件級(jí)的液壓系統(tǒng)建模，考慮到疊加閥片的非線性彈性特征，采用有限元仿真分析計(jì)算閥片剛度曲線，再將曲線導(dǎo)入AMESim模型中進(jìn)行系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明，減振器速度特性曲線和示功圖與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，符合工程實(shí)際要求?；贏MESim某車型雙筒減振器建模仿真并與客觀試驗(yàn)對(duì)比，從而驗(yàn)證仿真模型的正確性，并且大大縮短了整車性能調(diào)校周期。基于AMESim模型研究該減振器的氣體反彈力，活塞縫隙和常通節(jié)流孔等幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)減振器阻尼特性的影響，并得出幾個(gè)重要結(jié)論。仿真模型可用于指導(dǎo)減振器的關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)。

AMESim；減振器；建模仿真；試驗(yàn)對(duì)比

1 引言

AMESim軟件首個(gè)版本是由法國(guó)伊夢(mèng)境公司在1995年推出的，基于鍵合圖理論，它可以創(chuàng)建并運(yùn)行多物理場(chǎng)耦合仿真模型，同時(shí)可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。2007年被比利時(shí)LMS公司全資收購(gòu)。AMESim軟件平臺(tái)包含工程應(yīng)用所需的所有核心設(shè)計(jì)和仿真產(chǎn)品，尤其在液壓、控制領(lǐng)域的系統(tǒng)建模仿真具有天然的優(yōu)勢(shì)。

本文為了支持整車性能調(diào)校，縮短調(diào)校周期，因此利用計(jì)算機(jī)建模仿真，即基于AMESim搭建雙筒減振器模型，并與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證仿真模型的正確性，支持主觀整車性能評(píng)價(jià)。

2 減振器結(jié)構(gòu)組成與原理簡(jiǎn)介

減振器在整車零部件中占據(jù)重要地位，其性能的好壞直接影響整車的平順性、操縱穩(wěn)定性以及安全性。

2.1 減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

減振器分為外筒和減振器內(nèi)筒，兩筒之間為儲(chǔ)油缸，儲(chǔ)油缸上面為密度比較低的惰性氣體氮?dú)?，下部分為油液，如圖1所示。

圖1 減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

減振器工作缸內(nèi)有活塞桿，活塞桿的下端連接活塞，活塞上部為流通閥片，下部與復(fù)原閥固定?；钊戏植贾?個(gè)常通孔和6個(gè)節(jié)流孔，其上述內(nèi)容均為減振器在復(fù)原行程中其作用，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 活塞及閥系結(jié)構(gòu)

減震內(nèi)筒下端與底閥連接，底閥對(duì)減振器下腔起到密封作用，并且起到連接減振器下腔與儲(chǔ)油缸的橋梁作用。底閥上端是補(bǔ)償閥，主要起儲(chǔ)油缸到減振器下腔補(bǔ)償油液的作用，下端是壓縮閥，不明思議，底閥在減振器壓縮過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，圖3為底閥及閥系結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 底閥及閥系結(jié)構(gòu)

2.2 減振器工作原理

減振器工作過(guò)程可分為復(fù)原和壓縮兩個(gè)行程：（1）復(fù)原行程：活塞桿相對(duì)工作缸移開(kāi)，減振器被拉伸。此時(shí)減振器上腔油壓升高，流通閥和壓縮閥關(guān)閉。上腔油液流經(jīng)活塞孔、復(fù)原閥常通孔流入下腔，當(dāng)頻率較高時(shí)，復(fù)原閥片打開(kāi)卸荷，即初次開(kāi)閥，當(dāng)頻率更高時(shí)，復(fù)原閥片變形達(dá)到最大值，即二次開(kāi)閥。由于減振器上腔存在活塞桿占去一部分體積，所以從上腔流到下腔的油液不能夠充滿下腔，下腔會(huì)形成一部分真空狀態(tài)，這時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液在充氣壓力的作用下，就會(huì)推開(kāi)補(bǔ)償閥流入減振器下腔。此時(shí)，這些閥的節(jié)流作用就產(chǎn)生了減振器的復(fù)原行程阻尼力。

（2）壓縮行程：減振器被壓縮，活塞桿向下移動(dòng)，減振器下腔的容積會(huì)減小，導(dǎo)致油壓變高，下腔的部分油液就會(huì)通過(guò)流通閥片流入減振器上腔。同樣由于上腔存在活塞桿，因此，還有一部分油液經(jīng)底閥孔、壓縮閥常通孔流回儲(chǔ)液缸，當(dāng)頻率較高時(shí)，壓縮閥片打開(kāi)卸荷，即壓縮閥的初次開(kāi)閥，當(dāng)頻率更高時(shí)，壓縮閥片變形達(dá)到最大，即壓縮閥二次開(kāi)閥。這些閥的節(jié)流作用便產(chǎn)生了減振器的壓縮阻尼力。此外，工作缸與活塞之間的縫隙、摩擦力、氣體反彈力等因素也會(huì)產(chǎn)生阻尼力。由于減振器閥片上的阻尼孔一般都非常小，所以油液在減振器中的流動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，一般將小孔、縫隙處看作是紊流，其他位置處的流動(dòng)看作是層流。

3 基于AMESim建模與仿真分析

減振器的結(jié)構(gòu)與工作原理，根據(jù)其液壓系統(tǒng)總圖和一系列的建模假設(shè)，建立了減振器的物理模型如圖4所示，為后面的減振器AMESim模型的建立提供了理論依據(jù)。

圖4 減振器物理模型

3.1 閥片剛度有限元分析

圖5 壓縮閥有限元模型

本文中所采用的減振器閥片在變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，并且閥片預(yù)緊力也會(huì)對(duì)閥片的非線性開(kāi)閉剛度產(chǎn)生重要影響，單純采用自由狀態(tài)的閥片不能很好的模擬其剛度特性，因此在AbaquS軟件中建立了壓縮閥和復(fù)原閥的有限元模型，并考慮了不同厚度閥片間的接觸效應(yīng)，還考慮了前期預(yù)緊力的影響，由于閥片間存在油膜，分析時(shí)未考慮摩擦效應(yīng)。具體復(fù)原閥與壓縮閥有限元模型及剛度曲線如圖5至圖8所示。

圖6 壓縮閥剛度曲線

壓縮閥建模如圖5所示，壓縮閥建模中考慮了壓緊時(shí)閥片自身變形產(chǎn)生的預(yù)緊效應(yīng)，也考慮了閥片與其周邊部件的接觸關(guān)系。

圖7 復(fù)原閥有限元模型

圖8 復(fù)原閥剛度曲線

復(fù)原閥建模如圖7所示復(fù)原閥建模時(shí)考慮了彈簧的預(yù)緊作用，并且考慮了閥片與閥系其他部件的接觸關(guān)系。閥片剛度仿真結(jié)果如圖6、圖8所示，通過(guò)結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)原閥剛度大于壓縮閥的剛度，這與實(shí)際中的狀態(tài)一致。

3.2 雙筒減振器AMESim建模

將有限元?jiǎng)偠惹€設(shè)置在復(fù)原閥和壓縮閥模型中，在AMESim軟件中搭建雙筒減振器液壓模型，如圖9所示。在AMESim軟件中建立液壓減振器模型的流程和步驟如下：

（1）在草圖模式下根據(jù)減振器的原理圖搭建草圖模型；

（2）在子模型模式下為每個(gè)減振器元件選取合適的數(shù)學(xué)模型；

（3）在參數(shù)模式下設(shè)定子模型的各參數(shù)；

（4）最后在仿真模式下設(shè)定仿真參數(shù)并運(yùn)行仿真，得到液壓減振器的響應(yīng)。

針對(duì)AMESim雙筒減振器模型，每一個(gè)子模塊選取也不同，也代表著模擬元件不同。詳見(jiàn)表1，例如正弦輸入信號(hào)的子模型選取為SINO；一般減振器上腔、下腔以及一些孔隙、間隙均選擇BRP系列的子模型；復(fù)原閥與壓縮閥選取的子模型BAP24/MAS005/SPR003A；油性屬性選取FP子模型，氣體屬性選取PNRG子模型；流通閥與補(bǔ)償閥選取CV000子模型。

圖9 AMESim減振器模型

表1 AMESim模擬說(shuō)明與子模型選取

表2 AMESim模型主要參數(shù)

基于AMESim搭建模型完成后，在參數(shù)模式下設(shè)置子模型參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表2。

3.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

激勵(lì)函數(shù)的設(shè)置與減振器臺(tái)架試驗(yàn)完全一致，均采用不同速度下低頻和高頻振動(dòng)情況，減振器基于AMESim仿真結(jié)果與與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比，具體地激勵(lì)函數(shù)參數(shù)表詳見(jiàn)表3。

表3 激勵(lì)函數(shù)參數(shù)表

在上述激勵(lì)下，并且結(jié)合表2中參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)AMESim模型進(jìn)行仿真分析，如圖10所示，仿真結(jié)果與減振器臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比。

4 主要結(jié)論

通過(guò)利用AMESim軟件建立雙筒減振器仿真模型，通過(guò)與試驗(yàn)臺(tái)對(duì)比，并結(jié)合主觀評(píng)價(jià)，支持整車性能主觀調(diào)校，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）通過(guò)在不同速度、頻率下，與減振器試驗(yàn)臺(tái)對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型正確性。

（2）通過(guò)有限元仿真計(jì)算，賦予復(fù)原閥與壓縮閥閥片剛度，進(jìn)行模擬仿真分析，可知復(fù)原閥（壓縮閥）閥片上常通孔大小直接影響閥片的開(kāi)閥速度，常通孔越小，油液作用面積越小，開(kāi)閥速度越慢，如果常通孔過(guò)大，兩側(cè)無(wú)壓力差，閥門(mén)作用消失。

（3）充氣壓力過(guò)大容易引起減振器的壓縮行程減小，阻尼力變大。主觀評(píng)價(jià)時(shí)底盤(pán)偏硬，影響舒適性。

（4）閥系預(yù)緊力應(yīng)該適中，不宜過(guò)大。預(yù)緊力過(guò)大，減振器所能提供的最大阻尼力和開(kāi)閥速度都增大，反之減小。

綜上所述，通過(guò)調(diào)整雙筒減振器的不同參數(shù)，可以達(dá)到主觀評(píng)價(jià)以及試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠設(shè)計(jì)出滿足不同性能要求的閥片組合形式。

[1] 徐中明,張玉峰,李仕生,等.簡(jiǎn)式液壓減振器AMESim建模與仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010(3):1-6.

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[4] 周長(zhǎng)城.汽車減振器設(shè)計(jì)與特性仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[5] 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(6):第49卷.

Research on simulation method of shock absorber based on AMESim

Liu Dezhu, Zhao Tanglei, Liu Yanhua, Wang Hai

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The AMESim shock absorber model is based on the hydraulic system model at the component level. Considering the non-linear elastic characteristics of the superimposed disc, combined with the finite element simulation analysis, and then the curve is imported into the AMESim model for system simulation. The simulation results show that the velocity characteristic curve and indicator diagram of the shock absorber are in good agreement with the test data and meet the engineering requirements. Based on AMESim, a double-barrel shock absorber is modeled and simulated and compared with the objective test, which verifies the correctness of the simulation model and greatly shortens the vehicle performance tuning cycle. Based on AMESim model, the effects of several key design parameters, such as gas rebound force, piston gap and throttle hole, on the damping characteristics of the shock absorber are studied, and several important conclusions are drawn. The simulation model can be used to guide the design and performance prediction of the key parameters of the shock absorber.

AMESim;Shock absorber;Modeling and Simulation;Experimental comparison

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.044

U463

A

1671-7988(2019)10-127-04

U463

A

1671-7988(2019)10-127-04

劉德柱，碩士研究生，就職于華晨汽車工程研究院，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈妆P(pán)設(shè)計(jì)及仿真分析。