两级阻尼可调式液压减振器的性能仿真与试验.pdf

第 4 6卷第 2 2期 2 0 1 0 年 1 1 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEER1 NG V01 ． 46 NO V ． NO． 22 2 0 1 O DoI 1 0 ． 3 9 01 ／ J M E． 2 01 0 ． 22 ． 1 1 7 两级阻尼可调式液压减振器的性能仿真与试验木 江浩斌 胡隽秀 陈 龙 汪若尘 孙 鹏 f 江苏大学汽车与交通工程学院镇江2 1 2 0 1 3 ‘ 摘要可调阻尼减振器是汽车半主动悬架 的关键部件 。根据某人客车 电控 半主动悬架 的阻尼控 制要求 ，以该车 原被动式液压 减振器为基础，设计出一 种具有两级阻尼特性的町调减振器。采用共轭梁法计算节流阀片的挠曲变形，建立该减振器阻尼特 性的数学模型，仿真分析活塞杆直径，阻尼阀孔径以及调节孔孔径等主要结构参数对减振器阻尼性能的影响，在此基础上确 定 可调减 振器的主婴设计参数。对研制的可调减振器样件进行阻尼性能测试 ，结 果表 明减振 器的两级阻尼状态 变化 明显 ， 阻尼切换控制 准确 ，阻尼力试验 值与仿真值的偏差小于 8 ％，说明所建的减振器数学模型具有较 高的精度 ，采用共轭粱法计 算节流阀片挠 曲变形是 可行有效的，为设计开发可调阻尼液压减振器和研究汽车 半主动悬 架提 供了重要 依据 。 关键 词可调 阻尼 减振 器 阀片变形共轭梁法性能仿真 台架试验 中图分类号T H 7 0 3 ． 0 6 Pe r f o r m a nc e S i m u l a t i o n a n d Te s t i ng o f Two -- l e v e l s -- da mpi ng Ad j u s t a b l e Hy d r a u l i c S h o c k Ab s o r b e r J I ANG Ha o b i n HU J u nx i u CHEN Lo n g WANG Ru o c h e n S UN Pe n g S c h o o l o f T r a ffic a n dA u t o mo b i l e E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y , Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 Ab s t r a c t A d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b e r i s a k e y p a r t o f v e h i c l e s e mi a c t i v e s u s p e n s i o n ． Ac c o r d i n g t o t h e d a mp i n g c o n t r o l d e ma n d o f e l e c t r i c c o n t r o l l e d s e mi a c t i v e s u s p e n s i o n o f a c e r t a i n b u s ， t h e s t r u c t u r e o f a t wo l e v e l s d a mp i n g a d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b e r i s d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f t h e o rig i n a l p a s s i v e h y d r a u l i c s h o c k a b s o r b e r o f t h e b u s ． T h e d e fl e c t i o n s o f s h o c k a b s o r b e r ’ S v a l v e p l a t e s a r e c a l c u l a t e d b y u s i n g c o n j u g a t e b e a m me t h o d ， a n d a ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r t h e d a mp i n g c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e a d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b e r i s e s t a b l i s h e d ． M a i n s t ruc t u r a l a f f e c t i o n f a c t o r s t o s h o c k a b s o r b e r ’ S d a mp i n g p e r f o r ma n c e s u c h a s t h e p i s t o n r o d d i a me t e r , d a mp i n g v a l v e o ri fi c e a n d a d j u s t a b l e o r i fi c e a r e a n a l y z e d b y s i m u l a t i o n ． T h e n t h e d a mp i n g p e r f o r ma n c e b e n c h t e s t o f t h e a d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b e r s p e c i me n i s c a r r i e d o u t f o r v e r i fic a t i o n ． Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t wo s t a g e d a mp i n g s t a t e s o f s h o c k a b s o r b e r c h a n g e o b v i o u s l y , t h e s wi t c h i n g c o n t r o l o f d a mp i n g s t a t e i s p r e c i s e ，d a mp i n g f o r c e d e v i a t i o n s b e tw e e n t h e t e s t r e s u l t s a n d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e l e s s t h a n 8 ％． I t i s v e r i fi e d t h a t t h e e s t a b l i s h e d mo d e l f o r a d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b e r h a s h i g h a c c u r a c y a n d t h e c o n j u g a t e b e a m me t h o d f o r c a l c u l a t i n g t h e d e fl e c t i o n s o f s h o c k a b s o r b e r ’ S v a l v e p l a t e s i s a v a i l a b l e ， t h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e i mp o r t a n t b a s i s for d e s i g n i n g a d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b e r a n d s t u d y i n g v e h i c l e s e mi a c t i v e s u s p e n s i o n ． Ke y wo r d s D a mp i n g - a d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b e r V a l v e p l a t e d e fl e c t i o n C o n j u g a t e b e a m me t h o d P e r f o rm a n c e s i mu l a t i o n Be nc h t e s t 0 前言 为提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，关于 主动和半主动悬架 的研究工作 曰益受到国内外汽车 技术人员的重视。可调阻尼减振器作为汽车半主动 悬架的核心部件，近年来 已成为汽车悬架新技术研 究的一个重要课题f } - 2 】 。可调阻尼减振器的种类 较 } 浙 江 省 重大 科 技 专 项 2 0 0 6 C1 1 0 8 9 和 江 苏 大学 高 级 人 才 启动 f 0 7 J D G 0 3 9 资助项 F t 。2 0 1 0 0 5 2 6收到初稿，2 0 1 0 0 8 0 9收到修改稿 多[ 3 】 ，其中包括磁流变体式、电流变体式、液压节 流 口可调式等。国外还 出现了涡流式、 应变感应式、 频率感应式和压电阻尼式等新型减振器。目前，国 内的研究重点主要集中于液压节流 口可调式和磁流 变体式减振器。 液压减振器在汽车上应用十分广泛，若对被动 式液压减振器的结构和部件进行适当改动 ，使其具 有可调阻尼特性 ，既可沿用原液压减振器的大部分 制造工艺，缩短研发周期，也可降低可调减振器的 成本，因此 ，这是开发可调阻尼减振器较为理想的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 1 8 机械工程学报 第 4 6卷第 2 2期 技术方案。本文根据某大客车 电控半主动悬架的阻 尼控制要求，以该车原被动式液压减振器为基础， 设计了一种采用电磁阀和摆动气缸作为驱动机构、 具有两级阻尼特性的可调式减振器，建立了减振器 阻尼特性的数学模型，通过仿真计算分析减振器的 主要结构参数对其阻尼性能的影响，在此基础上设 计并研制出可调阻尼减振器样件 ，通过台架试验对 减振器的阻尼性能进行了测试，以检验可调减振器 数学模型、设计方法的正确性。 1 可调 阻尼减振器 的结构设计 某大客车 电控半主动悬架要求具有“ 硬 ” 和“ 软” 两级阻尼可调，为缩短周期、降低成本，在原车被 动式减振器结构基础上设计出一种可变节流口式可 调阻尼减振器 ，其结构如 图 l 所示 。底阀和筒体仍 采用原减振器结构，在活塞组件的底部加有调节阀 芯 5和调节 阀体 3 ，将活塞杆 7制成中空，活塞杆 内的转轴 1 0两端分别连接阀芯 5 和驱动装置 1 1 。 图 1 可调 阻尼减振器结构简图 1 ．补偿阀2 ．压缩腔3 ．阀体4 ．调节孔 C 5 ．阀 6 ． 流通阀7 ． 活塞杆8 调节孔 A 9 ． 复原腔1 0 转轴 1 1 ．阻尼调节杆驱动装置 1 2 ．防尘罩 1 3 ． 常通孔1 4 ．复原阀 1 5 ． 调节孔 B 1 6 ． 补偿室1 7 ． 压缩阀 该减振器的阻尼 控制原理如下根据实际行 驶条件 ，如果半主动悬架要求减振器 改变 阻尼状 态时，电控单元发出指令给驱动机构 1 1 ，驱动机构 1 1 通过转轴 1 0带动阀芯 5在阀体 3内转动，以此 来改变阀芯 5 和 阀体 3 上的孔 B l 5和孔 C 4的重合 面积 。当 B孔和 C孔完全不重合时 图 2 b ，油液只 流经活塞上的阀系，此时减振器为 “ 硬”阻尼状态； 当 B和 C完全重合时 图 2 a ，一部分油液进入活塞 杆上的 A孔 ，然后从 B孔和 C孔流出，使活塞上 下腔的流通总面积增加 ，此时减振器为 “ 软 ”阻尼 状态 。 c a 全 开 ，“ 软 ”阻尼 b 全 闭 ，“ 硬 ”阻 尼 图 2 可调节流 口状态变化示意图 2 减振器阻尼特性建模 2 ． 1 假 设 减振器的实际工作过程非常复杂，影响其阻尼 特性的因素也较多， 为便于分析和掌握其性能特点， 在建立阻尼特性数学模型时，作以下简化假设 】 ① 活塞环与工作缸、活塞杆与导向座之间不产生泄 漏； ② 节流过程中产生油液起泡所耗用的油液质量 忽略不计；③ 整个减振器拉伸、压缩工作过程 中油 液温度保持不变； ④ 不计工作油液的重力势能的影 响；⑤ 所研究的闭区域内同一瞬时压力处处相等。 2 ． 2 数学模型 以拉伸行程为例介绍建模过程 ，此时油液的流 向如图 3中箭头所示。根据流体力学理论，拉伸阻 尼力 可表示为 P l P 2 A h P 1 A g P 3 A g △ l2 △ 3 2 1 式中 拉伸阻尼力 P ， 上腔油液压力 P ， 下腔油液压力 P 补偿腔压力 活塞往复运动产生的摩擦力 4 活塞的有效面积 4， 活塞杆的有效面积 △ ， 拉伸行程上腔油液流经活塞产生的 压力损失 ， 拉伸行 程补偿腔油液流经底 阀产生 的压 力差 由拉伸行程上腔流入下腔的油液流量 q q L g L h 一 A g V 2 式中 拉伸行程上腔油液流到下腔的流量 g I 拉伸 行程上腔油液流经活塞到下腔 的流 量 q 拉伸 行程 上腔油液流经调节机构到 下腔的流量 v活塞运动的速度 2 3 4 5 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江浩斌等 两级阻尼可调式液压减振器 的性能仿真与试验 l 1 9 ／ ／‘I I _- 一 一 一一三 『 _ 一 ～0 一 一 一 一 一 I 。 一 一 『_ 一 一 i 一 _ ． 图 3 拉伸 行程时的油液流 向习 蒽 1 1当调节孔 B1 5 、调节孔 C 4完全不重合时 q l Jl 0 3 q lJh A h A 8 V 4 三 p v 2 5 6 p 3 2 V 6 式中 拉伸行 程油液流 入活塞时 的局 部阻 尼系数 拉伸行程 油液流入底 阀时 的局 部阻 尼系数 P油液的密度 油液粘度 阀片变形量 墨 油液作用环形区域的外径 见． 油液作用环形区域的内径 2 当调节孔 B 1 5 、调节孔 C 4完全重合时， 图 3上腔流 向下腔的油液一部分经过调节机构 ，另 一 部分经过活塞 ，则 蕊 q Lt2 赫2 川 l 2 t l 2 8 式中d ． 活塞杆的内径 活塞杆与转轴之间的缝隙宽度 流量系数 ， ． 圆形环形缝隙的长度 4． 活塞杆上的调节孔的面积 4， 阀体 与 阀芯 上 孔 节 流 串联 的有 效 面 积 拉伸行程上腔油液流经调 节机 构到 下腔产生的压力差 压缩行程的阻尼力计算过程与拉伸行程相似， 故不作复述。 2 ． 3 阀片挠 曲变形计算 节流阀片变形量的计算精度对减振器阻尼特性 计算结果有较大影响。液压式减振器的节流阀片通 常为圆环形， 厚度为 0 ． 1 ～0 ． 4 mm。 根据板壳理论【 4 J ， 弹性圆板的挠 曲变形 问题分为小挠度变形 变形量 小于板厚的 1 ／ 5 f l1 大挠度变形 变形量大于板 厚的 1 ／ 5但小于 5倍的板厚1 两类，显然，液压减振器节 流阀片 的挠曲变形属于大挠度变形 问题 ， 8 - 9 ] 。 目 前，对于此类弹性圆环薄板的大挠度问题还无法得 到其变形量的精确解析解【 2 ， 训 ，因此， 研究人员采用 经典板壳理论法[ 、钱 氏摄动法[ 5 】 、有限元法[ ， ] 等 方法求得 阀片变形量的近似值 。研究表 明，运用经 典板壳理论和钱 氏摄动法得到的近似解析解存在较 大的误差[ 5 - 7 , 9 ] ，且计算量较大；用有 限元法得到的 数值解精度较高 】 ， 但 单元网格的形状和数量的选 择对 计算精度有直接 影响，且计算时要调用多种 软件 。 本文采用一种计算量较小的近似解析法一共轭 梁法计算阀片变形 ，应用于减振器的建模和仿真， 最后 通过试验来检验这种新方法 的精度。共轭梁 法I l u J 是利用两个物理现象的微分方程式相似和边 界条件 的对应关系来等效计算梁 的变形，建立在梁 的挠 曲线微分方程式与梁的弯矩 函数和载荷密度函 数间的微分方程式相似这一基础上，将一虚设的梁 即虚梁 与所研究的实际的梁 实梁 相对应， 通常称 这一对梁为共轭梁 ，从而将复杂 的实梁变形计算问 题简化为计算虚梁横截面上虚剪力和虚弯矩问题。 共轭梁法既适用于等直梁，也可用于变截面梁 ；既 能计算指定点的挠度 ，也能确定粱的挠 曲线，且计 算量较小。 液压减振器圆环形节流阀片的受力模型如图 4 所示，厚度为 的圆环形薄板受到大小为 P 的均布 压 强 。 图 4 活塞 组件中节流阀片受力示意图 阀片上一个极小角度 d O所对应 的扇形区域相 当于一厚度为 的变宽度悬臂粱，整个阀片可视为 由 n 2 x／ d O 根等厚变宽悬臂粱组成 ，在均布压 强 P 作用下，各悬臂粱的挠度相同，因此，可将 阀 片挠度计算 问题转化为梁的挠度计算。按照共轭梁 法推导出其挠度计算公式为l 】 0 J 一，一 ‘厂 l- J 9 JR l 8 。 一 1 8 尺 2 ／ 6 4R1 ’ R 2 l n R 2 ／ R 2 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 2 O 机械工程学报 第 4 6卷第 2 2期 式中 阀片厚度 P 阀片上的均布压强 材料的弹性模量 愚 阀片与活塞体或者底阀体夹紧处半径 R 阀片与活塞体或底阀体外凸起处的接 触半径 本文研究的减振器活塞组件 中的节流 阀系 拉 伸阀和流通 阀 的结构组成如图 5所示 。 阀片由一组 圆环形弹性金属片叠加而成，目前尚无法给 出其挠 度的精确解析解 ，因此按式 9 计算挠度的近似解。 图 5 活塞 组件 中阀系的结构组成 1 ． 转轴2 ．活塞杆3 ．阀系挡幽4 ．垫片5 ． 流通阀片6 ．活塞 7 活塞环8 ． 拉伸阀片9 垫片1 0 ． 阀系挡圈 3 减振器性能仿真与影响因素分析 根据 上述 减 振器 阻尼特 性 数学 模 型 ，运用 Ma t l a b软件进行编程并仿真，减振器的部分结构参 数如表 1 所示。活塞的运动方程如下。 位移 f As i nc o t 速度 1 ， f A c o c o s c o t 式中， 为振幅， 为频率。 表 1 减振器的部分结构参数 参数名称 数值 活塞外径 d h ／ m 活塞横截面积 ／ m 活塞杆外径 d ／ m 活塞杆横截面积 A ． ／ m 油液密度 P／ k g m。 油液动力粘度 u／ P a s 活塞杆小孔面积 4． ／ m 环形缝隙长度 ／ m 活塞杆内径 d ． ／ m 环形缝隙宽度 ， m 阀 kd , L 面积 ， ／ m 0 ． 0 4 5 O ． 0 0l 6 0 0 2 3 ． 1 41 0 8 3 5 O ． O 1 5 1 ． 9 6 1 0 一 0 ． 0 5 2 0 ． 0 0 6 0 ． 0 0 l 4 ． 9 1 0 一 3 ． 1 活塞杆直径的影响 图 6是活塞杆直径分别为 1 6 mm、2 0 m i l l 、 2 4 m n l时的速 度 一阻力特性仿真 结果 。可 以看 出，随着活塞杆直径 的增大，减振器的压缩阻力增 大，拉伸阻力减小，且对拉伸阻力的影响大于压缩 阻力 。 藿 塞 速度 v ／ mm S - 。 图 6 活塞柑 直径对速度一阻力特性 的影响 3 ． 2 阻尼阀孔径的影响 阻尼 阀孔径影响孔 口的油液压力，进而影响阀 片的变形均匀性和阀口开度 ，从而影响减振器的阻 力特性。图 7是活塞拉伸阀阻尼孔径分别为 4 mm、 5 mm、6 mm时的速度一阻力特性的仿真结果。显 然 ，拉伸阀阻尼孔径对拉伸阻尼力有一定影响，而 对压缩阻尼力影响较小；阻尼阀孔径越小，阻尼力 越 大 。 垂 ．R 基 速度 v ／ mm- s b 图 7 阻尼 阀孔径对速度 一阻力特性的影响 3 ． 3 可调阻尼阀孔径的影响 减振器活塞杆底端的阀芯上设有节流孔 ，其孔 径对减振器阻尼特性有较大影响 。图 8显示了活塞 速度为 O ． 5 2m S ～，阀芯节流孔径分别为 1 ． 0IT I I Y I 、 2 ． 5 mm、5 ． 0 mm 时的示功图仿真结果。显然 ，可调 阻尼 阀孔径对拉伸阻尼力影响较大而对压缩阻尼力 影响较小，阻尼力随可调阀孔 的减小而增大。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江浩斌等 两级 阻尼可 调式液压减振器 的性 能仿真与试验 l 2 l Z 盟 l 4 位移 s ／ ram 图 8 可调节流 口孔径对 示功 的影响 4 可调减振器性 能测试 与分析 根据上述仿真结果，确定 了可调阻尼减振器 的 主 要 设 计 参 数 ， 研 制 了 减 振 器 样 件 ， 在 I NS T R O N8 8 0 0电液伺服试验台 图 9 上按照汽车液 压减振器 的试验标准对减振器样件 的阻尼性能进行 测试 。减振器 的阻尼调节驱动装置 由电磁阀和摆动 气缸组成 ，以保证精确 、灵敏、可靠地实现阻尼状 态切换。台架试验时，阻尼切换通过手动开关控制 电磁阀而完成 。 上 缓 摆动气缸 手动开关 电磁 阔 储气筒 空压机 作动器 图 9减振器试验台组成 意图 通过计算机控制作动器振动频率，使减振器活 塞速度分别为 0 ． 0 5 m s ～、 0 ． 1 3 m s ～、 0 ． 2 6 m s ～、 0 ． 3 9 m s ～、0 ． 5 2 m s ～，依次测 出其示功图。 图 1 0 反映 出可 调阻尼 减 振器 两级 阻尼 状态 的 速度 一阻力特性仿真和试验结果 比较情况 ，图 1 1 则反映出活塞速度为 0 ． 5 2 m s 一时的两级阻尼状 态的示功图仿真与试验结果 比较情况 。表 2列出了 活塞速度 为 0 ． 5 2 m s 一时的阻尼 力仿真与试验结 果的对比和偏差。 由图 1 0 b试验结果可见 ，可调减振器在 “ 硬 ” 和 “ 软”两种阻尼状态下的速度 一阻力特性曲线变 化明显，说明可调减振器的阻尼状态切换准确 。图 1 0 a仿真结果与图 l O b试验结果基本一致 ，说 明仿 真结果正确有效。 Z R 岛 Z 回 盛 Z ≤ 长 豳 盟 Z R 世 盟 速度 v ／ mm， S - a 仿真结果 速度 v ／ mm． s - 1 b 试验结果 图 l 0 两级阻尼状态 的速度 一阻力特性 比较 a “ 软” 阻尼 位移 s ／ mm b “ 硬” 阻尼 图 l l 两级阻尼状态的示功图比较情况 活塞速度为 0． 5 2 ms - I 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 2 2 机械工程学报 第 4 6 卷第 2 2期 表 2 可调减振器阻尼力仿真结果与试验结果 比较 由图 1 l a 、1 l b可见，试验所得的两种阻尼状态 下的示功图曲线饱满光滑，没有空程和畸变，说明 研制的可调阻尼减振器性能 良好 ； “ 软”、 “ 硬 ” 两种阻尼状态下的示功图仿真结果与试验结果基本 吻合，但仿真值略大于试验值，这与原被动式减振 器以后部分结构参数变化引起了工作腔油液容积和 阻尼阀临界开启压力的变化有关，有待于在减振器 模型中进一步完善。表 2列出了两种阻尼状态下的 阻尼力具体数值 ，显然，阻尼力仿真值与试验值偏 差 e均小于 8 ％，说明所建的减振器数学模型精度 较高，减振器建模时采用共轭粱法计算节流阀片挠 曲变形是可行有效的。 5 结论 1 在被动式液压减振器基础上研制可调阻尼 减振器的技术方案可行有效。 2 基于共轭梁法计算节流阀片变形 的减振器 阻尼特性模型正确，精度较高。 3 研制的具有两级阻尼特性的可调减振器性 能良好，阻尼状态切换准确，减振器速度一阻力特 性和示功图的试验结果与仿真结果基本一致 ，阻尼 力偏差小于 8 ％，具有工程应用价值。 4 仿真结果与试验结果存在一定偏差，这与 在建立减振器数学模型时所做的一些假设有关，采 取共轭梁法虽计算简单方便， 但仍存在一定的偏差。 在今后的研究中应进一步完善减振器的数学模型， 采用更精确的方法计算阀片变形 例如有限元法 ， 为提高减振器的设计水平提供依据。 参考文献 【 l 】P A V E L P ，MI CH A L H．D e s i g n o f c h a r a c t e ri s t i c s o f a i r - p r e s s u r e c o n t r o l l e d h y d r a u l i c s h o c k a b s o r b e r s i n a n i n t e r c i t y b u s [ J 】 ． Mu l t i b o d y S y s t ． D y n ． ， 2 0 0 8 ，1 9 7 3 9 0 ． [ 2 ]HI R O MI C H I N．T e c h n o l o g y f o r me a s u r i n g t h e d a mp i n g f o r c e o f s h o c k a b s o r b e r s a n d t h e c o n s t a n t o f c o i l s p r i n g s mo u n t e d o n a mo t o r c y c l e b y t h e a n s p r u n g ma s s v i b r a t i o n me t h o d [ R ] ．S A E ， 2 0 0 4 0 1 - 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ma i l j i a n g h b u j s ．e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m