內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器理論建模及關(guān)鍵參數(shù)影響分析＊

黃一鳴 侯鎖軍 秦東晨 王婷婷

（1.鄭州大學(xué)，鄭州 450001；2.河南工學(xué)院，新鄉(xiāng) 453000；3.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：阻尼可調(diào) 減振器 AMESim 臺架試驗 阻尼特性

1 前言

阻尼可調(diào)減振器相比傳統(tǒng)被動減振器，可以兼具良好乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性，是車輛主動懸架的重要組成部件[1-4]。夏光等[5]對一種外置旁通式結(jié)構(gòu)的電磁閥式阻尼可調(diào)減振器進(jìn)行了研究，并基于該減振器工作行程的物理模型和數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行仿真和試驗驗證。KITCHING等[6]對安裝在重型汽車上的比例電磁閥式阻尼可調(diào)減振器進(jìn)行了開發(fā)、建模和試驗研究。金京設(shè)等[7]對一種磁流變阻尼器進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)出了該阻尼器的降壓數(shù)學(xué)模型。HWAN-SOO等[8]研究了磁流變減振器的控制和響應(yīng)特性。夏長高等[9]提出了一種新型內(nèi)置電磁閥式阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)，并通過建模仿真和試驗驗證了新結(jié)構(gòu)的可行性。

國內(nèi)外研究人員在阻尼可調(diào)減振器建模方面做了大量工作，但對閥控式尼可調(diào)減振的核心部分電磁閥模型理論研究相對較少，還需進(jìn)一步深入研究。為此，本文對某款主動懸架的內(nèi)置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，建立電磁閥、復(fù)原閥和補償閥的數(shù)學(xué)模型，基于該模型，重點考慮電磁閥中導(dǎo)閥與溢流塊的耦合關(guān)系在AMESim中建立其詳細(xì)仿真模型，通過減振器阻尼特性試驗驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并利用該模型深入分析和研究內(nèi)置閥系的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對減振器阻尼特性的影響，以期為內(nèi)置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的研發(fā)設(shè)計提供參考。

2 減振器結(jié)構(gòu)與原理

2.1 結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部閥系實物如圖2所示。該減振器的工作過程分為壓縮行程和復(fù)原行程，孔壁與油液間的摩擦和液體分子間摩擦形成對振動的阻尼力。其中影響減振器表現(xiàn)的主要因素是外界工況的變化和內(nèi)部閥系對油液的節(jié)流作用。

圖1 減振器結(jié)構(gòu)

圖2 減振器閥系結(jié)構(gòu)實物

2.2 原理分析

內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器阻尼力的產(chǎn)生與傳統(tǒng)的雙筒閥片式液壓減振器[10]原理相似，主要由油液流經(jīng)節(jié)流小孔、縫隙的節(jié)流壓力差產(chǎn)生。兩者的不同之處在于前者在內(nèi)部安裝了電磁閥8，復(fù)原腔14的油液不再通過活塞孔進(jìn)入活塞閥4，而是通過電磁閥8進(jìn)入活塞閥4上腔。內(nèi)置電磁閥原理與先導(dǎo)式溢流閥原理相似，電磁閥8在相同的激勵強度下可以主動控制節(jié)流縫隙，以此調(diào)節(jié)壓縮腔3與復(fù)原腔14的壓差產(chǎn)生不同的阻尼力，使減振器實現(xiàn)阻尼的連續(xù)可調(diào)，進(jìn)而實現(xiàn)實時阻尼最佳匹配。

如圖1所示，在復(fù)原行程中，復(fù)原腔14的油液一部分從電磁閥外殼阻尼小孔7進(jìn)入，通過溢流塊18的腔室后作用在導(dǎo)閥閥芯17上。導(dǎo)閥閥芯17上端主要受到調(diào)壓彈簧16的作用力，該作用力可通過電磁線圈15產(chǎn)生的電磁力主動調(diào)控。電磁力的強度和輸入電流的強度成正相關(guān)關(guān)系，其方向和彈簧壓力的方向相反。當(dāng)導(dǎo)閥閥芯17下端的油液壓力大于其上端的作用力時，導(dǎo)閥閥芯17開啟，油液流入活塞閥4上腔。復(fù)原腔14油液另一部分從電磁閥的系列化流通孔6進(jìn)入，電磁閥外殼阻尼小孔7的壓降作用使溢流塊18上端的油液壓力小于下端，溢流塊18開啟。油液通過溢流塊18和流通環(huán)19之間的節(jié)流縫隙流入活塞閥4上腔。流通環(huán)19與電磁閥8無相對運動，故該節(jié)流縫隙的開度由溢流塊18的位移量決定。最后，流入活塞閥4上腔的油液通過復(fù)原閥22流入壓縮腔3，補償腔9油液通過補償閥23流入壓縮腔3。

壓縮行程中該減振器工作原理與復(fù)原行程相似，主要不同之處在于油液從壓縮腔3流如電磁閥8內(nèi)部不分流。由于溢流塊18階面產(chǎn)生上、下壓差，溢流塊18向上移動形成節(jié)流縫隙，油液通過該節(jié)流縫隙和流通孔6流入復(fù)原腔14。

3 減振器數(shù)學(xué)建模

內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器是“機-電-液-氣”耦合系統(tǒng)，其工作行程的物理模型如圖3所示。減振器的閥系包括電磁閥總成1、活塞閥總成2和底閥總成14。其與傳統(tǒng)雙筒式減振器的不同之處主要在于在活塞閥2上添加了可主動控制閥口開度的電磁閥1。其中的導(dǎo)閥3和溢流塊5在復(fù)原行程中相互影響，共同控制閥口開度，而在壓縮行程中由溢流塊7單獨控制。

將活塞總成和電磁閥作為一個整體閥系考慮，對其復(fù)原行程進(jìn)行工作過程分析。

復(fù)原行程流經(jīng)該閥系的流量Qp(t)為：

式中，Vp(t)為活塞相對于工作缸的運動速度；Ap為活塞閥有效面積；Ar為活塞桿橫截面積。

圖3 減振器物理模型

復(fù)原行程減振器產(chǎn)生的阻尼力F(t)為：

整理得：

式中，Preb(t)、Pcmp(t)分別為復(fù)原腔、壓縮腔油液壓力；Pres(t)為補償腔充氣壓力；ΔPl(t)為活塞閥間隙壓力差；P0為大氣壓力；ΔPp(t)=Preb(t)-Pcmp(t)為活塞閥上、下壓力差；ΔPb(t)=Pcmp(t)-Pres(t)為底閥上、下壓力差；Al為活塞閥泄漏面積。

內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器復(fù)原行程中的阻尼力依靠電磁閥總成的導(dǎo)閥和溢流塊、活塞閥總成的復(fù)原閥以及底閥總成的補償閥對油液的節(jié)流作用實現(xiàn)。

3.1 電磁閥節(jié)流模型

相比雙筒閥片式充氣減振器，內(nèi)置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器在活塞相對工作缸運動時，油液先從復(fù)原腔流經(jīng)電磁閥產(chǎn)生不同程度的壓降，再從電磁閥流入活塞總成。

對電磁閥進(jìn)行復(fù)原行程受力分析可得平衡方程：

式中，mc為導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量；mr為溢流塊質(zhì)量；x0為先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧初始壓縮量；xc(t)為先導(dǎo)閥閥芯位移量；xr(t)為溢流塊位移量；分別為閥芯、溢流塊加速度；Pc(t)為先導(dǎo)閥閥芯下壓力；Ac為先導(dǎo)閥閥芯有效面積；Arop、Arcl分別為溢流塊開啟、閉合壓力有效面積；Kr為先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧剛度；Fm(I)為電磁力；I為控制電流。

復(fù)原腔油液通過電磁閥閥體上的節(jié)流孔和外殼上系列化的流通孔流入電磁閥內(nèi)部，故可得到油液通過電磁閥的總流量Qm(t)：

電磁閥對油液的節(jié)流效果取決于電磁閥內(nèi)部導(dǎo)閥和溢流塊與流通環(huán)之間節(jié)流縫隙的節(jié)流作用，分析可得流量與壓力的關(guān)系為：

式中，Qmc(t)=Qm1(t)為先導(dǎo)式溢流閥流量；Qmr(t)=Qm2(t)為溢流塊流量；Amr1為溢流塊常通節(jié)流縫隙面積；Dmc為導(dǎo)閥閥芯開口處直徑；Dmr為流通環(huán)直徑；α為導(dǎo)閥閥芯半錐角；ΔPc(t)為導(dǎo)閥閥芯上、下壓力差；ΔPmr(t)為溢流塊節(jié)流縫隙內(nèi)、外壓力差；ΔPc0為導(dǎo)閥閥口開啟壓力；ΔPmr0為溢流塊開啟節(jié)流縫隙壓力差。

3.2 復(fù)原閥節(jié)流模型

復(fù)原行程中油液流入活塞閥總成，通過復(fù)原閥的節(jié)流作用產(chǎn)生阻力。復(fù)原閥的節(jié)流作用主要考慮閥體（活塞）上的常通孔、節(jié)流閥片的常通節(jié)流孔和閥口開啟后的節(jié)流縫隙：

3.3 補償閥節(jié)流模型

復(fù)原行程中油液從補償腔通過補償閥流入壓縮腔。補償閥節(jié)流阻尼力很小，易于油液通過，故本文只考慮補償閥開啟時節(jié)流縫隙的節(jié)流作用。補償閥流量Qres(t)為：

式中，δ2(t)為補償閥閥片開度；rb2為補償閥閥片外半徑；rk2為補償閥閥口位置半徑。

內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器的壓縮行程數(shù)學(xué)模型與復(fù)原行程類似，不再詳細(xì)討論。

4 建模仿真與驗證

4.1 仿真分析

AMESim軟件可以解決集機、電、液、氣耦合的多學(xué)科領(lǐng)域工程系統(tǒng)的建模問題[11-13]。將軟件中信號控制庫、機械庫、液壓庫、氣動庫等應(yīng)用庫中多個應(yīng)用元件結(jié)合起來可建立復(fù)雜的仿真模型。

基于前文建立的數(shù)學(xué)模型建立內(nèi)置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的AMESim仿真模型，如圖4所示。用容積可變液壓腔和缸體可移動液壓缸表示減振器的復(fù)原腔，并以相同液壓元件表示減振器的壓縮腔。復(fù)原腔和壓縮腔組成減振器的工作缸，考慮活塞和工作缸之間的泄漏影響，復(fù)原腔和壓縮腔通過液壓泄漏元件連接。工作過程中復(fù)原腔和壓縮腔的體積變化通過可移動液壓缸的腔體移動實現(xiàn)?？紤]補償腔內(nèi)充氣壓力，用容積可變氣室、缸體可移動氣缸、容積可變液壓腔、缸體可變液壓缸表示減振器的補償腔，補償腔中充入低壓氮氣。該仿真模型不考慮溫度對減振器阻尼特性的影響。

圖4 仿真模型

模型中建立了減振器閥系的詳細(xì)仿真模型，其中包括電磁閥總成、活塞閥總成和底閥總成。電磁閥總成模型中，用短孔模型表示電磁閥外殼的阻尼小孔，用錐閥模型表示內(nèi)部導(dǎo)閥，用滑閥模型表示溢流塊與流通環(huán)間的節(jié)流縫隙，用帶彈簧的活塞缸表示復(fù)原行程中的溢流塊上腔，并與導(dǎo)閥的入油口連接。用信號庫表示電磁閥輸入電流和電磁力的轉(zhuǎn)化，通過改變常數(shù)信號的值改變輸入電流強度。由于電磁閥流通孔對整個液壓回路影響較小，故不考慮其壓差變化。活塞閥總成和底閥總成模型中，用短孔模型表示閥體上的常通孔，用無體積的固定液壓孔表示常通節(jié)流孔，用球型提升閥表示疊加閥片受力變形產(chǎn)生的圓環(huán)平面縫隙，用單向閥表示單一閥片受力開啟的節(jié)流縫隙。仿真模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

最后，將以上的腔室與閥系連接，組成內(nèi)置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的仿真模型。

4.2 臺架試驗

以某乘用車主動懸架上的內(nèi)置電磁閥阻尼連續(xù)可調(diào)減振器為例，在MTS電液伺服懸架動態(tài)性能試驗臺上對減振器的阻尼特性進(jìn)行試驗分析，如圖5所示。

圖5 臺架試驗

臺架試驗和仿真計算均以汽車筒式減振器臺架試驗方法QC/T 545—1999[14]為依據(jù)。根據(jù)減振器的行程選用試驗行程為50 mm，采用不同頻率正弦波激振，參數(shù)如表2所示。

表2 激勵函數(shù)參數(shù)

通過控制輸入電流強度和激勵頻率獲取在不同活塞速度下減振器的外特性曲線。每次變化電流強度后冷卻30 min再進(jìn)行下一組試驗，避免溫度變化影響減振器阻尼特性。試驗選取不同電流強度下激勵頻率1.67 Hz的減振器示功曲線，如圖6所示。

圖6 減振器示功曲線

從圖6a可以看出，當(dāng)電流從0逐步增大至1.8 A的過程中，減振器所產(chǎn)生的阻尼力逐步減小，減振器消耗的功逐步減小。由圖6b可知，1.67 Hz下復(fù)原阻尼力調(diào)節(jié)范圍為0.54～2.31 kN，壓縮阻尼力調(diào)節(jié)范圍為0.3～0.9 kN。

該減振器在不同活塞速度和電流下速度特性曲線仿真計算和臺架試驗結(jié)果如圖7所示，可以看出，仿真計算結(jié)果和臺架試驗結(jié)果具有較好的吻合性。

統(tǒng)計不同激勵頻率和不同電流下減振器示功特性和阻尼特性數(shù)據(jù)，阻尼力最大誤差為8.6%，仿真計算與試驗結(jié)果吻合良好，從而證明了模型的準(zhǔn)確性和可靠性，該仿真模型可以作為進(jìn)一步關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)分析的基本模型。

圖7 減振器速度特性曲線

5 關(guān)鍵參數(shù)對阻尼特性的影響

內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器的阻尼力主要依靠內(nèi)部閥系對油液的節(jié)流作用，即油液流經(jīng)節(jié)流小孔、縫隙的節(jié)流壓力。因此，減振器內(nèi)特定孔口（固定節(jié)流孔）的直徑、調(diào)節(jié)閥口開度（節(jié)流縫隙）的預(yù)緊力對減振器阻尼特性有重要影響。基于所建立的AMESim仿真模型，分別研究電磁閥外殼上阻尼小孔、彈簧預(yù)緊力和壓縮閥節(jié)流閥片常通節(jié)流孔和疊加閥片的預(yù)緊力對阻尼可調(diào)減振器阻尼特性的影響。由上述試驗可知，激勵速度相同的條件下，減振器阻尼力隨電流的減小而增大。在電流較小時（0～0.6 A），阻尼力變化趨勢穩(wěn)定，且此時電磁閥處于的工作位置閥口可靠性更高，減振器受控穩(wěn)定性較好，故本文重點討論電流0～0.6 A下減振器設(shè)計參數(shù)對阻尼特性的影響。

5.1 電磁閥外殼上阻尼小孔的影響

復(fù)原行程中電磁閥溢流塊的上、下端產(chǎn)生壓差主要依靠阻尼小孔的節(jié)流作用。復(fù)原腔油液流過阻尼小孔，產(chǎn)生壓力損失，使溢流塊兩端形成了壓力差。故對電磁閥外殼阻尼小孔的設(shè)計會影響復(fù)原行程產(chǎn)生的阻尼力。在頻率為1.67 Hz，不同電流條件下，阻尼小孔直徑0.1～0.3 mm的仿真計算結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，不同電流下電磁閥外殼阻尼小孔的直徑越大，復(fù)原行程產(chǎn)生的阻尼力越大。這是由于阻尼小孔越大，對油液節(jié)流作用越小，溢流塊上、下的壓力差越小，溢流塊與流通環(huán)之間的節(jié)流縫隙越難開啟，產(chǎn)生更大的阻尼力。當(dāng)電磁閥調(diào)節(jié)失效時，增大阻尼小孔直徑可以提高減振器最大阻尼力狀態(tài)，保證車輛安全。

圖8 不同電流下不同阻尼小孔直徑的減振器示功曲線

5.2 電磁閥彈簧預(yù)緊力的影響

電磁閥彈簧壓力可以通過電磁力進(jìn)行部分抵消，從而實現(xiàn)減振器阻尼力變化。無電流輸入時，彈簧的初始壓力視為電磁閥的預(yù)緊力，是影響溢流塊開啟閾值的重要參數(shù)。在頻率為1.67 Hz，不同電流條件下，電磁閥彈簧預(yù)緊力20～40 N的仿真計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同電流下不同電磁閥彈簧預(yù)緊力的減振器示功曲線

從圖9可以看出，不同電流下電磁閥的預(yù)緊力越大，減振器產(chǎn)生的阻尼力越大。這是由于彈簧預(yù)緊力和節(jié)流縫隙呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，節(jié)流縫隙越小，產(chǎn)生的阻尼力越大，在固定電流下的行駛過程中懸架越“硬”，乘坐舒適性降低，車輛行駛安全性增強。

對比圖8和圖9可以看出，不同電流下電磁閥彈簧預(yù)緊力相比阻尼小孔直徑對阻尼力的影響程度更高，這是由于電磁閥的節(jié)流效果主要依靠的是溢流塊開啟縫隙的節(jié)流作用。

5.3 壓縮閥節(jié)流閥片常通節(jié)流孔的影響

在可控范圍內(nèi)電流越大，電磁閥的節(jié)流作用越小，減振器阻尼力的產(chǎn)生越依靠閥片的節(jié)流作用，故只考慮電流0.6 A下閥片設(shè)計參數(shù)對阻尼特性的影響。在減振器開閥之前，減振器的阻尼特性主要依靠減振器油液流經(jīng)常通節(jié)流孔所產(chǎn)生的節(jié)流壓力。故常通節(jié)流孔的設(shè)計對車輛低速段的阻尼特性有直接的影響。頻率1.67 Hz下，壓縮閥節(jié)流閥片上的常通節(jié)流孔等效直徑0.2～0.4 mm的仿真計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同孔徑的減振器速度特性曲線

從圖10可以看出，節(jié)流閥片上小孔越大，低速段減振器產(chǎn)生的阻尼力越小，壓縮閥開閥的速度越大，減振器的使用壽命會相應(yīng)縮短。復(fù)原閥閥體上開通了系列化的小孔，其作用與壓縮閥節(jié)流閥片上的常通節(jié)流孔類似，不再贅述。

5.4 壓縮閥疊加閥片預(yù)緊力的影響

在阻尼可調(diào)減振器中，與一般雙筒式被動減振器相同，壓縮閥和復(fù)原閥預(yù)緊力對阻尼特性有重要的作用。合理的預(yù)緊力可以使減振器在劇烈振動中調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力，避免壓力過高帶來的損害。電流0.6 A、頻率1.67 Hz下，壓縮閥疊加閥片預(yù)緊力30～70 N的仿真計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同閥片預(yù)緊力的減振器速度特性曲線

從圖11可以看出，壓縮閥疊加閥片預(yù)緊力越大，減振器壓縮行程中產(chǎn)生的阻尼力越大，開閥速度也越大。這是由于閥片預(yù)緊力越大時越不易彈性變形，故產(chǎn)生的節(jié)流縫隙的壓力閾值越大，同時，在減振器工作缸容易產(chǎn)生過大的壓力損壞部件。復(fù)原閥疊加閥片的預(yù)緊力作用與壓縮閥相同，不再贅述。

6 結(jié)束語

本文采用多學(xué)科領(lǐng)域建模仿真平臺AMESim建立了減振器機電液氣耦合仿真模型，并通過臺架試驗驗證了其準(zhǔn)確性、可靠性，并利用該模型研究了減振器關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對阻尼特性的影響，得到以下結(jié)論：電磁閥外殼阻尼小孔的直徑與復(fù)原行程阻尼力呈正相關(guān)關(guān)系，電磁閥的預(yù)緊力變大會使懸架變“硬”，影響被動控制行駛過程中的乘坐舒適性；當(dāng)電磁閥調(diào)節(jié)失效時，增大電磁閥阻尼小孔的直徑和彈簧預(yù)緊力可以提高減振器最大阻尼力狀態(tài)，保證車輛安全；壓縮閥的常通節(jié)流孔會影響開閥速度、低速段的阻尼力和使用壽命，壓縮閥疊加閥片預(yù)緊力的變化會影響減振器的阻尼力，合理的預(yù)緊力設(shè)置對減振器內(nèi)部部件能夠起到更好的保護(hù)作用。復(fù)原閥參數(shù)設(shè)計和壓縮閥相似。

綜上，根據(jù)該仿真模型調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)可以優(yōu)化內(nèi)置閥控阻尼可調(diào)減振器的阻尼特性，為阻尼可調(diào)減振器的研發(fā)設(shè)計提供參考。