某车用单筒充气式液压减振器外特性仿真.pdf

轻型汽车技术2 0 1 5 8 技术纵横 7 某车用单筒充气式液压减振器外特性仿真 王 金 陈锦东 朱允芝 z 1南京依维柯汽车有限公 司2上海大众汽车有限公司南京分公司 摘要 以某车用充气式液压减振 器为例 ， 介绍 了其结构特点及工作原理 ， 并 建立 了阻尼力的数学模型。用 MAT L A B ／ s i mu l i n k软件搭建 了模型并进行 了仿真 计算， 得到了充气式液压减振器外特性曲线， 为减振器结构参数的优化设计提供 了理论支持。 关键词 充气式液压减振 器数学模型仿真计算外特性 曲线 1 引言 减振器在车辆悬架 系统 中发挥着 重要 的作 用 ， 作为汽车底盘的主要阻尼原件 ， 其不仅影响车 辆的舒适性 ， 还关乎车辆 的安全性和操纵性 ； 充气 式液压减振器 内充有压缩气体 ，能明显提高减振 器的临界速度 ， 从而有效消除外特性畸变 ， 改善减 振器性能 ， 提高车辆悬架系统品质。 充气式减振器是 2 O世纪六七十年代 以来发 展起来 的一种新型减振器。与传统减振器相 比较， 具有以下优点 由于采用浮动活塞而减少了一套 阀门系统 ，使结构大为简化 ，零件数 约减少 巧 1 5 ％； 减振器内充有高压气体， 能有效消除高频振 动和噪声 ， 改善汽车的平顺性和轮胎的接地性 ； 高 压气体与油液被浮动活塞隔开，消除了油液的乳 化现象； 工作缸和活塞直径较大， 单位行程中流经 阀的流量较传统减振器大几倍，故在同样泄流的 不利工作条件下 ， 仍能产生足够的阻尼力l 1 l。由于 具有诸多优点 ，充气式减振器在一些高级轿车中 得到越来越多的应用 。 减振器 由减振弹簧和阻尼器组成 ，减振弹簧 将减振的动能转换为弹簧的位能， 提供缓冲， 而阻 尼器对振动能量起衰减作用 ，消耗 由车轮传递的 地面起伏不平的动能。 阻尼器是减振器的核心 ， 其 工作原理是通过液压油流经阻尼孔及阀门产生的 衰减力， 使弹簧的位能转换为油液的热损失。 减振器是车辆 的关键组件 ，肩负着车辆的好 多重要性能 对车身和承载质量作弹性支撑 ， 决定 车辆的承载能力 ；衰减不平路面对骑乘者造成的 振动 衰减振幅、 频率 、 噪声 、 减少车身和骑乘者 所受 的惯性力 、 保证车辆行驶 的平顺性和舒适性 ； 抑制不平路面造成 的弹性车轮的持续跳动 ，改善 车辆 的接地性 ， 从而改善安全性 ； 减少车辆行驶 中 突发的强烈冲击、保护车上各部件 、仪表和骑乘 者 ， 进而提高车辆各构件可靠性和寿命。 影响减振器特性的因素很多 ，要想建立完全 精确 的减振器模型是非常复杂和困难 的，在保证 模型足够精度的条件下做一些假设 l 、 同一瞬时阻尼器各腔室内压力处处相等； 2 、 活塞和缸筒 、 活塞杆和导套之间没有液体 泄漏 ； 3 、 油液的体积弹性模量不变 ； 4 、 在一个压缩 、 复原工作循环 内， 减振器油液 8技 术纵横 轻 型汽车技 术2 0 1 5 8 温度保持不变 ； 5 、 不计油液流动产生的势能变化的影响 ； 2 充气 式液压减振器 结构 和工作原 理 图 1 是某车充气式液压减振器结构示 意图。 其主要 由油缸 、 活塞和活塞杆 、 复原阀和压缩 阀及 浮动活塞等组成 。活塞把油缸分为复原腔 e和 压缩腔 c ， 并设有一气室 ， 通过浮动活塞将气室和 压缩腔 的油液分离 。气室内充有 2 2 ． 5 Mp a的氮 气 ， 用来补偿工作过程压缩腔油液体积变化 ， 减少 气穴现象的发生。 当阻尼器在压缩行程时 ， 主活塞 向下移动 ， 压缩腔液压油受压 ， 压力 增大 ， 压缩 阀在设定的压力差下打开 ，油液从压缩腔进入复 原腔， 多余油液使压缩腔油液压力 P 。 增大， 推动浮 动活塞向下运动， 气室的容积减小， 气压 D a 升高。 当阻尼器在复原行程时 ， 主活塞 向上移动 ， 复原腔 压力 P 增大 ， P 减小 ， 复原阀在设定的压力差下打 开 ， 复原腔液通过复原阀进入压缩腔 ； 同时在气室 压力 P 的推动下浮动活塞向上运动 ，气室的容积 增大，补偿 因活塞杆 占用体积造成复原腔进入压 缩腔油液的不足。 图 1 充气式液压减振器结构示意图 当活塞运动速度较小时 ，活塞上下压力差小 于复原阀弹簧的预紧力 ， 复原阀仍然关闭。 这时油 液通过活塞体 中间的常通通道 向活塞下腔流动。 当活塞运动速度较大时 ，活塞上下压力差达到一 定值，克服了复原阀弹簧的预紧力，复原阀被打 开 ， 油液流通通道截面积增大 ， 油压迅速被卸载 ， 大部分油液通过复原阀流入下腔。 3 充气式液压减振器数学模型 车辆行驶 过程中的振 动是一个双 自由度 系 统 ，即路面不平引起 的车辆随机振动和车身的 自 由振动c4 1 5 1 。由于车轮的刚度远大于悬架的刚度， 而 车轮的质量远小于车身的质量 ，可近似认为车轮 为刚体 ，减振器的模型可以简化为单 自由度弹簧 质量阻尼系统 ， 如图 2 所示。v为路面不平引起的 车轮位移 ， X为悬架位移。 图 2减振 器 物 理模 型 阻尼器的受力 由三部分组成 弹性力 、摩擦 力 、 液压阻尼力 3 ． 1 弹性 力模型 F k k x p 1 式中k 弹性系数 支 活塞杆相对缸筒的运动位移 3 ． 2液压 阻尼 力模 型 充气式液压减振器工作过程分为压缩和复原 行程，两个行程分别是由压缩阀和复原阀来实现 节流的， 但两个阀都是单向阀， 节流方式相 同， 只 不过节流面积不一样[6 1 7 1 。为了提高车辆行驶过程 中的舒适性 ，要求复原行程的阻尼力大于压缩行 轻型汽车技术2 0 1 5 8 技术纵横 9 程的阻尼力。因为弹性力和压缩阻尼力有叠加的 效果 ， 如果压缩阻尼力过大 ， 相当于增加悬架 的刚 性 ，地面的冲击就会没经过太大的衰减而直接传 给骑乘者； 复原行程如果复原阻尼力过小 ， 则不能 快速衰减振动。 减振器工作时 ， 压缩和复原阀都要 等到压力增大到一定的时候才能打开 ，开启前腔 和腔压强近似相等， 是不产生液压阻尼力 的， 此时 阻尼力只由摩擦力和弹簧力组成。 令活塞上腔的压强为 P ，活塞下腔的压强为 ，气室压强为 p 。 处于复原行程时 ， 活塞相对缸筒 向上运动， 上腔容积减小， 下腔容积增加。从理论 上讲， 气室容积也应随之增加， 以保证液体充满下 腔 ， 防止真空的出现进而在压缩时导致 “ 空程 ”， 引起外特性畸变。分析这个过程的缸内液体流量 关系可知， 下腔容积的变化量由两部分组成嘲 。 1 由上腔流人下腔的流量为 Q u A p - A 2 式 中， u 为活塞杆 的运动速度 ； A 为活塞有 效面积 ； 为活塞杆截面积。 2 2气室容积变化量为 d V ． u a A 3 式 中， u 为气室活塞运动速度 ； A 为气室活塞 有效面积。 以上两部分之和组成下腔容积 的变化量 ， 由 此可以得到式 4 和式 5 d V． u A Q -_ u a A f l A p _ _ A 4 且d Va u 5 由式 4 和 5 整理可得 u u 6 对式 6 求积分可得 S , A S 7 其中 S 、 S 分别为气室活塞和主活塞的位移 ， 可以由速度积分得到。 由于主活塞上有一系列的节流孔系 ，工程上 一 般将节流孔系近似视为薄壁小孔 ，所以由上腔 流人下腔的流量 Q 为 Q c dA P -p p 8 式 中， C 为流量系数 ，可取 0 ． 6 ～ 0 ． 6 8 ； A为节 流面积 ； Ap为两腔的压强差 ； P为液体密度。 当主活塞运动时， 气室活塞也随之运动 ， 所 以 气室的容积也发生相应变化 ，气体内部内部压强 也随之变化 ，气体的状态变化可以用多变过程进 行描述 ， 一般有如下关系 p ， n n p a V n a 9 式 中， P 为气体初始压强 ； V 为气室初始容 积 ； p 为气室变化时的气体压强 ； V 。 为气室变化时 的容积 ； n为气体多变指数 ， 一般取 1 ． 7 ～ 1 ． 8 3 t 。 在气室活塞剧烈运动过程 中，准确表达减振 器下腔压强 P 常困难，但是当气室活塞处理相对 平衡时，可 以认为 P 与气体压强 P 近似相等 ， 即 p p 。 完成上述流量和容积变化的分析后 ， 即可对 主活塞的受力分析 ，以得到减振器复原行程阻尼 力 。 复原行程中， 根据主活塞受力分析可得 F lFp A 一 A 一 p f 1 0 阻尼器 中的摩擦力包括 1 活塞与工作缸内 壁之间的摩擦力 ； 2活塞杆与导向器油封之间的 摩擦力 ； 3 浮动活塞与工作缸内壁的摩擦力 式 中， H 为活塞杆与杆筒接触长度 ； p 为活塞 杆所受径 向压强 ； 8为油膜厚度 ； 为液体动力 粘度。 由式 8 可得 △ p 号 1 2 注意到 ， 一般车用筒式减振器 包括双筒和单 筒 的节流孔系一般由常通孔系和阀片孑 L 系组成。 常通孔系节流面积为常数， 可直接计算； 本文为了 1 0 技 术纵横 轻型 汽车技 术2 0 1 5 8 简化计算， 认为复原阀、 压缩阀一开启后其节流面 积即为一定值。节流面积为 A A f d A f 1 3 式 中， A r 为复原阀常通孔 系节流面积 ， 对某一 具体减振器为常数 ； d A 为阀片孔 系节流面积 ， 假 设阀片开启后其也为一定值。 4 充气式液压减振器仿真分析 根据上述理论分析在 M A T L A B ／ s i m u l i n k 软件 中建立充气式液压减振器复原行程阻尼力数学模 型。考虑到减振器阻尼力一般是运动速度 u。 的 函数 ， 故选取 1 J 为模型的输入参数。输入速度为 正弦波， 最高速度为 0 ． 5 2 m ／ s ， 周期为 2 s 。 具体模型 如图 3所示。 图 3充气式液压减振器复原行程阻尼力的仿真模型 以类似的原理建立充气式液压减振器压缩行 程阻尼力的仿真模型， 如图 4所示。 图 4 充气式液压减振器压缩行 程阻尼力的仿真模型 模型设置与复原行程基本相同，需注意压缩 行程中气室体积为 V V o S ．A o V o - S 。另外， 由 于减振器处于压缩行程时气室活塞下行，内部气 体压强增加 ，所以一般气室活塞设计有一个限位 行程， 否则行程过大会导致气体过于压缩， 气体压 强急剧升高 ， 减振器压缩阻尼迅速增大 ， 悬架平顺 性能将变差。 为此在模型中加一个 S a t u r a t i o n 饱和 环节 ， 饱和上 限 U p p e r l i m i t 设 置为 O ． O 4 ， 即设 定 拟定活塞最大行程为 4 0 ram。如果上限设置过大 ， 即气室活塞行程过大 ， 将会引起阻尼力畸变 ， 将使 仿真模型严重失真。 现已 Y t Q 3 5 0 充气式液压减振器为例进行仿 真计算， 得到示功图和速度特性曲线， 其具体结构 参数见表 1 。 表 1 Y t Q 3 5 o充气式液压减振器数值仿真计算参数 参数 数值 参数 数值 活塞杆直径 O ． 0 1 5 m 气室初始高度 0 ． 2 m 主活塞直径 0 ． 0 3 5 m 气体压强 8 1 0 P a 复原阀流量系数 O ． 6 2 气体多变系数 1 ． 1 9 压缩阀流量系数 0 ． 6 7 活塞杆径向压强 2 8 6 0 P a 动力粘度 0 ． 1 N s ／ m 油液密度 9 0 0 k g ／ m 3 油膜厚度 2 1 旷 m 复原阀常通孔直径 0 ． O 0 1 m 油膜长度 0 ． 1 m 压缩 阀常通孔直径 0 ． 0 0 3 m 复原阀孔直径 O ． O O l m 复原阀开启压强差 压缩阀孔直径 0 ． O 0 3 m 压缩阀开启压强差 4 O 3 O 2 0 鬓 o O ／ ／， ／ ／ ／ ／ ／ ／ 轻型汽车技术2 0 1 5 8 技术纵横 1 1 收 鍪 ； ； l 一复原 阻尼力 ； l 一 一 臆皤阻尼力 厂； 一 江⋯} ⋯ ⋯■ 一 ＼ - 。 ‘ ’ ⋯” 。 ， i i ⋯⋯一 { ⋯⋯。 。 1 ⋯⋯⋯ ⋯⋯一 ⋯ } ＼ 卜 ＼ ； ； ； ； 位移f m 图 6充气式液压减振器示功 位移 特性 一复原睚尼力 一一 压 缩 阻 尼 力 。 。 ， i 一 一 ．一 一 ’ 一 一- 一 历程曲线如图 5所示 ， 其峰值仅为 3 9 ． 1 N， 充气式 液压减振器示功图和速度特性曲线分别如图 6和 图 7 。显然 ， 摩擦力较减振器阻尼力总体而言所 占 比例较小 ， 最大仅为 3 9 ． 1 N， 所 以在一般 的工程计 算中可以忽略不计。 由图 6 、 7可知，复原行程阻尼力较压缩行程 阻尼力大许多。复原行程阻尼力峰值为 8 7 3 ． 3 6 N， 而压缩行程阻尼力峰值为 2 5 5 ． 9 0 N。 该减振器最大 复原阻尼力与压缩阻尼力 比为 3 ．4 1 ，具有 比较理 想 的阻尼特性 。 压缩行程中， 各速度对应阻尼力较 小， 若与弹簧匹配合理， 可以保证车辆良好的平顺 性能 ； 复原行程 中， 阻尼力随着速度增加而迅速升 高， 可以较快地吸收悬架的振动。 该充气式液压减 振器示功图非常饱满 ， 没有 出现 “ 凹坑”， 表 明减 振器整个运动过程没有发生空程畸变。 5 结论 本文通过 MA T L A B ／ s i m u l i n k软件 ，建立了车 用单筒充气式液压减震器 的数学仿真模 型，并利 用此模型进行仿真分析 ，得到了某型号减震器 内 部摩擦力的峰值 以及最大复原阻尼力与压缩阻尼 力 的比值 。 通过分析可以看出 ， 文 中例举的减震器 性能较好 ， 满足汽车对减震器的要求。 本文也将数 值仿真的方法应用于减震 的设计研究中 ，为以后 进一步的设计优化提供一些依据。 参 考 文献 1 吕振华 ． 李世民． 筒式液阻减振器动态特性 模拟分析技 术的发展卟 清华大学学报 自然科学 版 ， 2 0 0 2 ， 4 2 1 1 1 5 3 2 1 5 3 6 2 张德 庆 ， 曾发 ， 林 宫 镇 ， 陆森 林．车减振 器 的 C A D 系统[ M] ． 镇 江江苏大学汽车与交通学 院振动噪声实验 室， 2 0 0 2 ， “2 1 4 1 8 1 9 3 单春贤， 张冰蔚 ， 陆勇． 摩托 车前减震器阻 尼特性数 学模型的建立U 】 ． 江苏理工大学学报 自 然科 学版 ， 2 0 0 1 9 ， 2 2 5 4 La ng H H．A S t ud y of t he c ha r a c t e r i s t i c s o f Au t omo t i v e Hy d r a u h c D a m p e r s a t Hi g h S t r o ki ng F r e q u e n c i e s [ J ] ． Un i v Mi v h i g a n ． 1 9 9 7 1 2 5 6 3 2 7 5 陈耀钧 ． 轿 车液 压减 振 器 阻力特性 模拟 计 算及分析． 汽车技术 ， 1 9 9 5 6 赵六 奇． 车辆 悬 架与减振 器阻尼 的 匹配研 究． 兵工学报， 1 9 9 4 7 俞得 孚． 车辆 悬 架减振 器 的理论 和 实践 ， 1 9 9 8 8王兴 国． 充 气式 液力减振 器． 1 9 9 4 9 B e s i n g e r F H， Ce b o n D J ． Da mp e r Mo d e l f o r He a W V e h i c l e Ri d e Dy n a mi c s田． V e h i c l e s y s t e m Dy n a mi c s ． 1 9 9 5 2 4 1 0 李士松． 双 筒充气液压减振 器的研究， 1 99 6 咖鲫咖瑚嘲毒 l 咖铷 m 0伽瑚咖