減振器復原閥阻尼特性的研究綜述

宋榮華 孫曉幫 夏從濤 郭金宇

遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院 遼寧錦州 121001

1 前言

減振器是汽車懸架的重要組成部分，汽車減振器的性能直接影響汽車的行駛平順性與操縱穩(wěn)定性，而減振器的復原閥阻尼特性是整個減振器阻尼特性的一部分，直接影響著減振器的性能。

自汽車誕生以來，對汽車減振器的研究一直未停止，國內(nèi)廠商對減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及阻尼特性研究一般還停留在實物分析結(jié)合臺架試驗的傳統(tǒng)方法上，但是這種方法成本高、試驗周期長且不具備預測性，已無法滿足國內(nèi)廠商快節(jié)奏研發(fā)的需求。通過仿真軟件將減振器閥系結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能影響的仿真進行分析研究，可為減振器閥系自主調(diào)校提供參考和指引, 在降低研發(fā)費用的同時也可為整車自主研發(fā)打下基礎(chǔ)。

2 減振器阻尼特性的研究現(xiàn)狀

2020年，陳齊平、吳明明、蘇校[1]三人為了設(shè)計一款性能更好的減振器，研究分析了減振器在不同工作情況下的阻尼特性。基于CFD數(shù)值方法，他們對減振器各個閥系結(jié)構(gòu)進行了仔細研究后，首先建立了精度較高的減振器三維流體模型并進行了網(wǎng)格劃分，在ANSYS的FLUENT模塊中進行了流體仿真分析，由此獲得了減振器復原閥阻尼力特性曲線和復原閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)在不同工況下的壓力場云圖，同時還分析研究了在不同工況下對減振器阻尼特性產(chǎn)生最大影響的因素，最后通過試驗來驗證仿真結(jié)果的正確性。

2021年，孫超[2]為了高效研究汽車減振器閥系參數(shù)變化對其阻尼特性的影響，以汽車廣泛使用的非線性液壓減振器為研究對象, 結(jié)合減振器阻尼元件受力分析, 運用 MATLAB軟件建立減振器特性仿真模型, 通過仿真數(shù)據(jù)與臺架試驗數(shù)據(jù)擬合度分析驗證了所建模型的可靠性。進而他又利用仿真模型對減振器閥系展開敏感性因素分析, 得到了對阻尼特性影響顯著的閥系參數(shù)，并研究了三個速度段的減振器閥系影響因素。結(jié)果表明：復原及壓縮節(jié)流閥片對減振器低速工作影響顯著；復原及壓縮彈簧及閥片組對減振器中速工作影響顯著；復原及壓縮孔開孔面積對減振器高速工作影響顯著。

3 減振器動態(tài)特性仿真技術(shù)的發(fā)展

減振器的動態(tài)特性通常是以阻尼力與速度之間的關(guān)系來表示。近年來很多人研究了減振器動態(tài)特性仿真技術(shù)，并建立了許多分析模型。分析模型總的來說可分為三大類型，即集總參數(shù)模型、等效參數(shù)模型和非參數(shù)模型。

3.1 集總參數(shù)模型

密歇根大學的Lang建立了雙筒式懸架減振器集總參數(shù)模型，包含結(jié)構(gòu)參數(shù)、油液物理性質(zhì)參數(shù)和實驗測試參數(shù)等83個參數(shù)，主要用于減振器高頻畸變現(xiàn)象的研究。減振器的集總參數(shù)模型必須反映減振器的實際結(jié)構(gòu)和工作過程，但減振器阻尼閥的結(jié)構(gòu)比較復雜，且模型的關(guān)鍵參數(shù)要通過試驗進行測試，導致模型通常比較復雜，因此不便進行車輛動力學仿真分析。

3.2 等效參數(shù)模型

由于集總參數(shù)模型過于復雜，國外學者基于集總參數(shù)模型基礎(chǔ)提出了等效參數(shù)模型，他們將減振器抽象為彈性元件和阻尼元件、間隙和摩擦元件組合成的力學模型。但減振器模型的仿真結(jié)果僅在減振器低速工作時與試驗結(jié)果相近。等效參數(shù)模型不涉及減振器的內(nèi)部工作過程，因此結(jié)構(gòu)簡單、計算量小，對于車輛動力學仿真分析具有一定的優(yōu)勢。但模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)的選擇與具體對象及其工作狀態(tài)有很大關(guān)系。

3.3 非參數(shù)模型

非參數(shù)化建模方法對減振器的試驗測試有一定的特殊要求。目前比較成熟的方法是在一定的振動頻率下改變激勵幅值，使每個網(wǎng)格內(nèi)都包含足夠的數(shù)據(jù)量。由于減振器的特性與工作頻率有關(guān)，所以需要進行大量的激振試驗，探討如何降低試驗測試工作量是該方法的難點問題和發(fā)展方向。

4 減振器阻尼特性研究仿真軟件

隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展，我們有了更好的現(xiàn)代設(shè)計方法。使用相關(guān)的軟件仿真對減振器進行動態(tài)仿真，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷和優(yōu)化設(shè)計，從而得到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，大大提高了汽車的性能?，F(xiàn)代設(shè)計方法大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計周期，也降低了生產(chǎn)成本，目前這種現(xiàn)代設(shè)計方法已經(jīng)成為當今減振器設(shè)計和開發(fā)的主要方法，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，相關(guān)分析仿真軟件的應(yīng)用對進一步研究減振器的特性具有十分重要的意義。目前國內(nèi)學者研究減振器特性主要的專業(yè)仿真軟件有ABAQUS、ANSYS FLUENT、ANSYS CFX、ADINA 、MATLAB、AMESIM等。

5 仿真模型分類

目前國內(nèi)學者利用不同的專業(yè)仿真軟件，建立不同的仿真分析模型，通過這些建立的分析模型，在相應(yīng)的仿真分析軟件中研究減振器的各項參數(shù)對減振器工作特性的影響。近年來，國內(nèi)外學者在對減振器阻尼特性進行仿真分析時，主要建立了以下幾種仿真分析模型。

5.1 固體有限元模型

對減振器進行靜態(tài)特性分析以及研究減振器節(jié)流閥片受力與變形之間的關(guān)系時，需要建立固體有限元模型。進行固體有限元分析時，可以選用ABAQUS軟件或ANSYS WORKBENCH里的靜力學分析模塊，ANSYS軟件在線性分析方面有很大的優(yōu)勢，ABAQUS軟件則致力于更復雜和深入的工程問題，其強大的非線性分析功能對設(shè)計和研究的高端用戶提供了很大的幫助。

5.2 流體有限元模型

利用CFD仿真軟件FLUENT研究開閥前和開閥后減振器內(nèi)部流場變化對減振器阻尼特性的影響時，需要建立流體有限元模型，如圖1、圖2所示。

圖1 活塞閥體形成的流道模型

圖2 底閥閥體形成的流道模型

5.3 流固耦合動力學模型

流固耦合分析包括單向流固耦合和雙向流固耦合兩種。單向流固耦合時CFD求解和FEA求解獨立進行，載荷在流體場和固體場之間單向傳遞[3]。當流體不可避免地受固體變形的影響時，固體變形和流體的計算必須同步進行，并在求解器之間相互傳遞載荷數(shù)據(jù)。在研究減振器阻尼特性時，通常是忽略固體變形對流場的影響建立單向流固耦合模型。

通過利用軟件ANSYS和ANSYS FLUENT配合或ANSYS和ANSYS CFX配合以及利用專業(yè)的流固耦合軟件ADINA，建立流固耦合模型。通過仿真得到流固耦合下閥片的運動狀態(tài)、流場的壓力云圖和速度矢量圖等，詳細分析活塞桿直徑、節(jié)流閥片外半徑、閥系預緊力、常通節(jié)流孔面積、節(jié)流閥片厚度與數(shù)量、常通孔尺寸、調(diào)整墊片厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對減振器阻尼特性的影響。

5.4 多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真模型

以多領(lǐng)域仿真軟件AMESim作為減振器的仿真平臺，建立其多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真模型。多領(lǐng)域系統(tǒng)模型是指在同一環(huán)境下對多個領(lǐng)域復雜系統(tǒng)的基本組件和系統(tǒng)建模后進行集成得到的耦合模型。

AMESim作為一種基于鍵合圖理論的多領(lǐng)域仿真軟件平臺，可以創(chuàng)建并運行多個物理場耦合仿真模型，同時可以建立簡單的控制系統(tǒng)。AMESim軟件仿真平臺包括所有工程應(yīng)用所需的核心設(shè)計和仿真產(chǎn)品，相比其他多領(lǐng)域仿真軟件，在液壓氣動等領(lǐng)域的系統(tǒng)建模仿真具有較強的優(yōu)勢。 與AMESim依賴物理模型相比，MATLAB軟件的Simulink模塊更依賴于數(shù)學模型，適合熟悉編程的人員對減振器阻尼特性進行仿真。

通過建立多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真模型，針對雙筒疊加閥片式充氣液壓減振器，研究了活塞縫隙、常通節(jié)流孔等對減振器外特性的影響。針對閥控阻尼連續(xù)可調(diào)減振器，研究了電磁閥外殼阻尼小孔直徑、電磁閥彈簧預緊力、復原閥（壓縮閥）常通節(jié)流孔面積、復原閥（壓縮閥）預緊力等設(shè)計參數(shù)對減振器阻尼特性的影響。

6 減振器復原閥阻尼特性仿真的行業(yè)展望

減振器在車輛懸架系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，作為汽車底盤的主要阻尼元件，它對于提高車輛的舒適性和平順性有至關(guān)重要的意義。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和大型有限元分析軟件的開發(fā)應(yīng)用，使用有限元軟件對減振器進行仿真分析正成為研究減振器阻尼特性的的新趨勢。減振器由“經(jīng)驗設(shè)計、試驗修正”的開發(fā)模式向依靠計算機技術(shù)不斷向前發(fā)展。

7 結(jié)語

對近幾年前人關(guān)于減振器阻尼特性仿真的研究進行了總結(jié)，并提出了個人對減振器復原閥阻尼特性仿真的想法。

在減振器設(shè)計階段，利用CAE仿真技術(shù)就可以對減振器的性能進行準確預測，并通過改變設(shè)計參數(shù)對減振器的性能進行優(yōu)化設(shè)計。采用ANSYS流體仿真對減振器阻尼特性進行仿真分析，將減振器速度分為低速、中速、高速三個階段，通過改變減振器復原閥系結(jié)構(gòu)參數(shù)，可得出減振器速度三級特性曲線，通過速度三級特性曲線能夠詳細直觀地看出某一影響參數(shù)對減振器速度——阻尼力曲線的影響趨勢，為以后減振器的研發(fā)提供指導。