基于開關(guān)電磁閥的阻尼可調(diào)減振器設(shè)計及仿真研究*

陶 偉，劉志強(qiáng)，郭 炎

(1.武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 南平 354300；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

減振器是加速車輛振動衰減的主要元件之一，其通過油液在其內(nèi)部往復(fù)運動產(chǎn)生阻尼力，使得振動能量迅速轉(zhuǎn)換為熱能，從而達(dá)到衰減振動的目的[1-2]。目前，減振器已被廣泛應(yīng)用于包括車架隔振、動力總成隔振等多個隔振領(lǐng)域，為車輛安全運行及乘客的乘坐舒適性提供了可靠保障[3]。

隨著半主動懸架研究的迅速開展，阻尼可調(diào)減振器也逐漸成為關(guān)注焦點[4]。目前，阻尼可調(diào)減振器按照設(shè)計原理可主要分為兩大類，即節(jié)流口面積可調(diào)式和減振油液粘度可調(diào)式[5]。重慶大學(xué)的李仕生等人[6]結(jié)合能夠調(diào)節(jié)節(jié)流孔大小的調(diào)節(jié)閥，仿真分析了可調(diào)阻尼減振器的外特性。江蘇大學(xué)的江浩斌等人[7]在原被動式減振器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計出了一種基于電磁閥和擺動氣缸的可變節(jié)流口式可調(diào)阻尼減振器，并仿真分析了減振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對其阻尼性能的影響。油液粘度可調(diào)式減振器主要包括磁流變液和電流變液兩種，其設(shè)計核心在于通過磁場或電場迅速改變減振器油液的粘度、塑性等流變特性，從而實現(xiàn)對減振器阻尼狀態(tài)的有效調(diào)節(jié)。相較于電流變液減振器，以美國德爾福公司開發(fā)的MagenRide為代表的磁流變減振器產(chǎn)品在半主動懸架領(lǐng)域中的應(yīng)用更為廣泛[8]。

從功能角度來看，目前研究提出的節(jié)流口面積可調(diào)式以及油液粘度可調(diào)式減振器均能實現(xiàn)良好的阻尼調(diào)節(jié)功能，但從應(yīng)用角度出發(fā)，傳統(tǒng)節(jié)流口面積可調(diào)式減振器仍然面臨控制精度要求高、設(shè)計復(fù)雜以及能耗偏大等問題。而油液粘度可調(diào)式減振器雖然結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計要求低，但是對減振油液的可靠性、穩(wěn)定性要求極高，另外粘度可調(diào)油液的使用成本對于一般用戶而言，短期內(nèi)仍難以接受。

針對現(xiàn)有阻尼可調(diào)減振器存在的不足，筆者提出一種基于開關(guān)電磁閥的新型阻尼可調(diào)減振器，即在完成阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，分析其工作原理，而后以阻尼模式3壓縮行程為例，建立減振器阻尼特性模型，最后仿真分析減振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對其阻尼特性的影響規(guī)律。

1 阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的能夠?qū)崿F(xiàn)多種阻尼狀態(tài)切換的阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中可以看出，該減振器是在傳統(tǒng)液壓減振器的基礎(chǔ)上，外置一個阻尼調(diào)節(jié)裝置，所述阻尼調(diào)節(jié)裝置是由4個單向閥和2個高速開關(guān)電磁閥所組成。

通過相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得減振器油液在復(fù)原和壓縮行程中除流經(jīng)活塞閥和底閥之外，還需流經(jīng)阻尼調(diào)節(jié)裝置。所述阻尼調(diào)節(jié)裝置主要通過控制2個高速開關(guān)電磁閥的通斷狀態(tài)，改變減振器油液在阻尼調(diào)節(jié)裝置中的流動路徑。由于油液流動路徑的不同，形成減振器在相應(yīng)工作行程中不同的阻尼狀態(tài)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)減振器阻尼特性的目的。

在不同工作行程中，可調(diào)阻尼減振器的阻尼狀態(tài)主要是由4個單向閥的開閥壓力所決定，因此，該減振器阻尼調(diào)節(jié)裝置的另一主要特征在于4個單向閥的開閥壓力各不相同，具體開閥壓力要根據(jù)阻尼調(diào)節(jié)范圍要求進(jìn)行設(shè)置。

1.2 阻尼可調(diào)減振器工作原理

根據(jù)阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)示意圖可以明顯看出，阻尼調(diào)節(jié)裝置通過控制開關(guān)電磁閥s1和s2的通斷狀態(tài)，即可改變復(fù)原和壓縮行程中減振器油液在阻尼調(diào)節(jié)裝置中的油液流動路徑。

阻尼可調(diào)減振器的油液流動路徑如圖2所示。

圖2 阻尼可調(diào)減振器的油液流動路徑

從圖2中可以看出，不同油液流動路徑的顯著區(qū)別在于油液所必須流經(jīng)的單向閥不同，從而形成減振器不同的阻尼特性。

結(jié)合圖1和圖2，筆者就壓縮行程和復(fù)原行程分別闡述阻尼多狀態(tài)切換減振器的具體工作原理。

1.1 壓縮行程

當(dāng)減振器處于壓縮行程時，減振器阻尼特性的主要是通過活塞閥總成和底閥總成中相關(guān)流動通道，以及阻尼調(diào)節(jié)裝置中單向閥和開關(guān)閥的節(jié)流作用來形成，其中，活塞閥和底閥總成中相關(guān)流動通道的節(jié)流特性不可進(jìn)行主動調(diào)節(jié)，因此，減振器阻尼狀態(tài)的改變主要是由阻尼調(diào)節(jié)裝置中的開關(guān)電磁閥通斷狀態(tài)所決定，具體過程為：

(1)當(dāng)電磁閥s1和s2同時打開時，從壓縮腔流出的油液無需經(jīng)過單向閥直接流向復(fù)原腔；

(2)當(dāng)電磁閥s1關(guān)閉、s2打開時，從壓縮腔流出的油液首先通過電磁閥s2，但是由于電磁閥s1關(guān)閉，油液必須流經(jīng)單向閥b才能最終抵達(dá)復(fù)原腔；

(3)當(dāng)電磁閥s1打開、s2關(guān)閉時，從壓縮腔流出的油液首先必須通過單向閥c，而后通過電磁閥s1抵達(dá)復(fù)原腔；

(4)當(dāng)電磁閥s1和s2同時關(guān)閉時，從壓縮腔流出的油液必須通過單向閥c和單向閥b才能抵達(dá)復(fù)原腔。

如前所述，由于4個單向閥的開閥壓力各不相同，結(jié)合減振器在阻尼調(diào)節(jié)裝置中的4種油液流動路徑，即可最終形成4種阻尼狀態(tài)。

1.2 復(fù)原行程

與前述壓縮行程類似，減振器阻尼狀態(tài)的主動調(diào)節(jié)主要是通過改變阻尼調(diào)節(jié)裝置中開關(guān)電磁閥的通斷狀態(tài)來實現(xiàn)，其具體過程為：

(1)當(dāng)電磁閥s1和s2同時打開時，從復(fù)原腔流出的油液無需經(jīng)過單向閥直接流向壓縮腔；

(2)當(dāng)電磁閥s1關(guān)閉、s2打開時，從復(fù)原腔流出的油液首先必須通過單向閥a，而后通過電磁閥s2才能抵達(dá)復(fù)原腔；

(3)當(dāng)電磁閥s1打開、s2關(guān)閉時，從復(fù)原腔流出的油液首先通過電磁閥s1，但是由于電磁閥s2關(guān)閉，油液必須流經(jīng)單向閥d才能最終抵達(dá)壓縮腔；

(4)當(dāng)電磁閥s1和s2同時關(guān)閉時，從復(fù)原腔流出的油液必須通過單向閥a和單向閥d才能抵達(dá)壓縮腔。

在復(fù)原行程中，減振器通過阻尼調(diào)節(jié)裝置中4種不同的油液流動路徑，也可形成4種不同的阻尼狀態(tài)。

不同阻尼模式下，電磁閥開關(guān)狀態(tài)和流經(jīng)單向閥情況如表1所示。

表1 不同阻尼模式下的電磁閥開關(guān)狀態(tài)和流經(jīng)單向閥情況

2 減振器阻尼特性建模

在減振器阻尼特性建模過程中，值得指出的是，壓縮閥和伸張閥的節(jié)流阻力均設(shè)計為隨活塞運動速度而變化。當(dāng)活塞運動速度較低時，油壓不足以克服壓縮閥和伸張閥彈簧的預(yù)緊力，油液主要通過常通孔隙進(jìn)行流動；而當(dāng)活塞運動速度較快時，油壓能夠克服壓縮閥和伸張閥的彈簧預(yù)緊力，油液迅速通過壓縮閥和伸張閥，從而保證彈性元件的緩沖作用得到充分發(fā)揮，同時防止部分零件因超載而損壞[9]。

由于減振器壓縮行程和復(fù)原行程阻尼特性模型構(gòu)建類似，本文以阻尼模式3壓縮行程為例，建立阻尼可調(diào)減振器阻尼特性模型(其他阻尼模式及不同行程下的建模過程與此類似，此處不再贅述)。

根據(jù)前文所述，在減振器壓縮行程中，壓縮閥在不同活塞桿運動速度下的表現(xiàn)狀態(tài)并不相同，因此，需要針對壓縮閥開啟前后分別進(jìn)行建模。

2.1 壓縮閥開啟前阻尼特性模型

當(dāng)減振器活塞運動速度較低時，壓縮閥未開啟，此時減振器壓縮阻尼力主要是通過阻尼調(diào)節(jié)裝置中的單向閥c、開關(guān)閥s1、活塞總成上的流通閥和底閥總成上的常通孔隙所產(chǎn)生。

因此，壓縮閥開啟前減振器的油液流動情況，如圖3所示。

圖3 壓縮閥開啟前減振器的油液流動情況P1，P2，P3—復(fù)原腔、壓縮腔和補(bǔ)償腔內(nèi)的油液壓力；P4—氣室內(nèi)的氣壓

根據(jù)筒式減振器的結(jié)構(gòu)原理，壓縮閥開啟前從壓縮腔流向復(fù)原腔的油液總流量Q1可表示為：

(1)

式中：Az—活塞橫截面積，m2；Ag—活塞桿橫截面積，m2；dz—活塞直徑，m；dg—活塞桿直徑，m；vy1—活塞運動速度，m/s。

由于從壓縮腔到復(fù)原腔存在2條油路，Q1與通過開關(guān)電磁閥s1的油液流量Q13、通過單向閥c的油液流量Q11以及通過流通閥的油液流量Q12之間存在如下關(guān)系：

Q1=Q13+Q12=Q11+Q12

(2)

對于單向閥c，通過其的油液流量Q11可表示為[10]：

(3)

式中：Qc—單向閥c的額定流量系數(shù)，L/min；ΔPc—單向閥c的額定壓力損失，MPa；ΔP21-c—油液流經(jīng)單向閥c產(chǎn)生的壓力損失，MPa。

對于開關(guān)電磁閥s1，其可視為一薄壁小孔，因此，減振器在壓縮行程中，通過其的油液流量Q13可表示為[11]：

(4)

式中：C—開關(guān)電磁閥的壓力損失系數(shù)；Asv—等效薄壁小孔的截面積，m2；ρ—油液密度，kg/m3；ΔP21-s—油液流經(jīng)開關(guān)電磁閥s1產(chǎn)生的壓力損失，MPa。

由于閥片在油液壓力下發(fā)生變形，從而形成節(jié)流縫隙，通過流通閥處的油液流量Q12可表示為[12]：

(5)

式中：δyc—流通閥閥片的變形撓度，m；ΔP21-l—油液流經(jīng)流通閥產(chǎn)生的壓力損失，MPa；μ—減振器油液的運動學(xué)粘度，m2/s；ry3—流通閥最大閥片的外徑，m；ry4—流通閥最大閥片的內(nèi)徑，m。

流通閥閥片的變形撓度δyc的具體計算公式為[13]：

(6)

式中，P—流通閥閥片承受的油液壓力，MPa；E—閥片的彈性模量，N/mm；h—閥片厚度，m。

根據(jù)圖3所示的減振器油液流動情況，壓縮腔和復(fù)原腔之間的壓差ΔP21，與油液流經(jīng)其他阻尼元件所產(chǎn)生的壓力損失間存在如下關(guān)系：

ΔP21=ΔP21-c+ΔP21-s=ΔP21-l

(7)

聯(lián)立上述各式，可最終求得ΔP21的具體表達(dá)式，此處不再進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)。

此外，在壓縮閥開啟前，還有部分油液通過常通孔隙從壓縮腔流向補(bǔ)償腔。設(shè)該部分流量為Q2，其表達(dá)式為：

(8)

式中：Cd—常通孔隙流量系數(shù)，Nk—壓縮閥常通孔隙的個數(shù)；Ak—常通孔隙的截面積，m2；ΔP23—壓縮腔與補(bǔ)償腔之間的壓差，MPa。

根據(jù)筒式減振器的結(jié)構(gòu)原理，流量Q2同時與活塞桿進(jìn)入主筒內(nèi)的體積有關(guān)，因此，Q2的另一表達(dá)式為：

(9)

聯(lián)立式(8，9)可得ΔP23的具體表達(dá)式。

根據(jù)前文所述，在壓縮行程中，由于部分活塞桿進(jìn)入復(fù)原腔內(nèi)，減振器腔室總體積減小，浮動活塞需要向下移動，從而補(bǔ)償減小的腔室體積，因此，氣室內(nèi)壓力將會增大。

由理想氣體狀態(tài)方程可得：

(10)

式中：P0—氣室初始狀態(tài)內(nèi)的氣壓，MPa；V0—氣室初始體積，m3；ty—活塞桿向下運動的時間，s。

由于浮動活塞向下移動不會造成壓力損失，即P3=P4，則有：

P2=P4+ΔP23

(11)

對減振器活塞進(jìn)行受力分析，可得壓縮閥開啟前減振器在壓縮行程中產(chǎn)生的阻尼力Fy1的表達(dá)式為：

Fy1=AzP2-(Az-Ag)P1

(12)

聯(lián)立式(11，12)，可得：

Fy1=AzP2-AzP1+AgP1=
(Az-Ag)ΔP21+Ag(P4+ΔP23)

(13)

2.2 壓縮閥開啟后阻尼特性模型

當(dāng)減振器活塞運動速度較快時，壓縮閥開啟，此時減振器壓縮阻尼力主要是由阻尼調(diào)節(jié)裝置中的單向閥c、開關(guān)閥s1、活塞總成上的流通閥、底閥總成上的常通孔隙以及壓縮閥所共同產(chǎn)生。

因此，壓縮閥開啟后減振器的油液流動情況，如圖4所示。

圖4 壓縮閥開啟后減振器的油液流動情況

如圖4所示，壓縮閥開啟后，從壓縮腔流向復(fù)原腔的油液流量設(shè)為Q3，其表達(dá)式的推導(dǎo)過程與前文完全相同，即：

Q3=Q33+Q32=Q31+Q32=

(14)

式(14)與前文所述公式的唯一區(qū)別在于，流通閥閥片的變形撓度為δyo。因此，根據(jù)式(14)同樣可以獲取壓縮腔與復(fù)原腔之間的壓差ΔP21。

與此同時，壓縮閥開啟后，從壓縮腔流向復(fù)原腔的油液流量Q4由兩部分組成。其中，參照式(8)，通過常通孔隙的油液流量Q41如下式所示：

(15)

參照式(5)，可得流經(jīng)壓縮閥的油液流量Q42：

(16)

式中：δys—壓縮閥閥片的變形撓度，m。

同理，從壓縮腔流向復(fù)原腔的油液流量Q4和通過常通孔隙的油液流量Q41，與通過壓縮閥的油液流量Q42之間存在如下關(guān)系：

(17)

式中：vy2—活塞運動速度，m/s。

根據(jù)上式，可進(jìn)一步計算出壓縮閥開啟后壓縮腔與補(bǔ)償腔之間的壓差ΔP23。

同壓縮閥開啟前，氣室內(nèi)的氣體壓力如下式所示：

(18)

因此，壓縮閥開啟后減振器在壓縮行程中產(chǎn)生的阻尼力Fy2可表示為：

Fy2=AzP2-(Az-Ag)P1=
(Az-Ag)ΔP21+Ag(P4+ΔP23)

(19)

3 試驗及結(jié)果分析

在建立阻尼可調(diào)減振器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步通過仿真試驗的方式，來研究阻尼調(diào)整裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對其阻尼特性的實際影響規(guī)律。

由于所設(shè)計的減振器是在傳統(tǒng)液壓減振器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，此處僅考慮阻尼調(diào)節(jié)裝置中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即僅分析4個單向閥的相關(guān)參數(shù)以及2個高速開關(guān)電磁閥的相關(guān)參數(shù)對減振器阻尼特性的影響情況，而對于減振器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，此處則不作進(jìn)一步分析。

3.1 單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律分析

當(dāng)減振器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時，不同單向閥a額定壓力損失下，減振器阻尼力隨活塞運動速度變化情況，如圖5所示。

圖5 不同單向閥a額定壓力損失下的減振器阻尼力隨活塞運動速度變化情況

不同單向閥b額定壓力損失下，減振器阻尼力隨活塞運動速度變化情況，如圖6所示。

圖6 不同單向閥b額定壓力損失下的減振器阻尼力隨活塞運動速度變化情況

從圖(5，6)中可以明顯看出：(1)單向閥額定壓力損失對減振器阻尼特性存在顯著影響，當(dāng)單向閥額定壓力損失增加時，減振器阻尼特性隨之明顯“變硬”；(2)由于不同阻尼模式下減振器復(fù)原行程與壓縮行程所流經(jīng)的單向閥并不相同，單向閥a只影響減振器的復(fù)原阻尼力，而單向閥b則只影響減振器壓縮阻尼力；該結(jié)果與阻尼多狀態(tài)切換減振器的結(jié)構(gòu)特征相符合。

不同單向閥c額定流量系數(shù)下，減振器阻尼力隨活塞位移變化情況，如圖7所示。

圖7 不同單向閥c額定流量系數(shù)下的減振器阻尼力隨活塞位移變化情況

不同單向閥d額定流量系數(shù)下，減振器阻尼力隨活塞位移變化情況，如圖8所示。

圖8 不同單向閥d額定流量系數(shù)下的減振器阻尼力隨活塞位移變化情況

從圖(7，8)中可以看出：(1)單向閥額定流量系數(shù)對減振器阻尼特性也存在較為顯著的影響，當(dāng)單向閥額定流量系數(shù)減小時，減振器阻尼特性隨之“變硬”；(2)與前文分析結(jié)論相一致，單向閥d的額定流量系數(shù)變化只影響減振器的復(fù)原阻尼力，而單向閥c的額定流量系數(shù)變化則只影響減振器壓縮阻尼力。

3.2 開關(guān)電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律分析

根據(jù)阻尼多狀態(tài)切換減振器的結(jié)構(gòu)原理可知，阻尼調(diào)節(jié)裝置中除單向閥外，開關(guān)電磁閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)也會對減振器阻尼特性產(chǎn)生一定影響。結(jié)合式(4)可知，影響減振器阻尼特性的開關(guān)電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是電磁閥等效節(jié)流口的面積。

在阻尼模式2中，不同開關(guān)電磁閥s1等效節(jié)流口面積下，減振器阻尼力隨活塞運動速度變化情況，如圖9所示。

圖9 不同開關(guān)電磁閥s1節(jié)流口面積下的減振器阻尼力隨活塞運動速度變化情況

在阻尼模式3中，不同開關(guān)電磁閥s2等效節(jié)流口面積下，減振器阻尼力隨活塞位移變化情況，如圖10所示。

圖10 不同開關(guān)電磁閥s2節(jié)流口面積下的減振器阻尼力隨活塞位移變化情況

從圖(9，10)中可以看出：(1)阻尼調(diào)節(jié)裝置中的開關(guān)電磁閥等效節(jié)流口面積對減振器阻尼特性同樣具有明顯影響；(2)隨著開關(guān)電磁閥節(jié)流面積的減小，不論是復(fù)原行程還是壓縮行程，減振器阻尼特性均“變硬”，反之則“變軟”。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)減振器的目標(biāo)阻尼特性調(diào)節(jié)范圍，需要同時協(xié)調(diào)4個單向閥以及2個高速開關(guān)電磁閥的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有阻尼可調(diào)減振器存在的不足，筆者提出了一種基于開關(guān)電磁閥的新型阻尼可調(diào)減振器。筆者首先設(shè)計了基于高速開關(guān)電磁閥的阻尼多狀態(tài)切換減振器具體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析了減振器實現(xiàn)阻尼多狀態(tài)調(diào)節(jié)的工作機(jī)理，在相關(guān)建模假設(shè)的前提下，以阻尼模式3壓縮行程為例，針對壓縮閥開啟前后，建立了減振器阻尼特性數(shù)學(xué)模型，結(jié)合阻尼模型研究了阻尼調(diào)節(jié)裝置中，4個單向閥和2個開關(guān)電磁閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對減振器阻尼特性的實際影響規(guī)律。

研究結(jié)果表明，所設(shè)計的減振器通過改變兩個電磁閥的通斷狀態(tài)即可實現(xiàn)4種阻尼模式、8種阻尼狀態(tài)，可實現(xiàn)阻尼大范圍調(diào)節(jié)；同時，阻尼調(diào)節(jié)裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對減振器阻尼特性影響明顯，通過調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)即可滿足不同阻尼模式對減振器阻尼特性的差異化需求。

該研究結(jié)果將為阻尼可調(diào)減振器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定奠定一定的基礎(chǔ)。