姜國華

摘要：以雙筒式減振器作為研究對象，通過分析減振器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并結(jié)合彈性力學(xué)和流體力學(xué)理論，利用Matlab/Simulink軟件建立減振器復(fù)原和壓縮行程的阻尼力輸出模型。以正弦激勵作為輸入，并根據(jù)實際產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行仿真和實驗對比，得到減振器的阻尼特性曲線。通過對比分析結(jié)果可知，仿真和實驗曲線較為吻合，驗證了所建立的減振器模型的有效性，為減振器調(diào)校和匹配提供理論研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙筒式減振器;Simulink仿真;阻尼特性;調(diào)校和匹配

0? 引言

減振器作為車輛懸架系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣影響著行駛車輛的平順性和穩(wěn)定性。而雙筒式液壓減振器作為一種常見的減振器，由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、價格低廉等優(yōu)點[1]，因此應(yīng)用較為廣泛。雙筒式液壓減振器主要是通過油液流過阻尼孔時摩擦產(chǎn)生節(jié)流作用后輸出阻尼力，因此阻尼孔的結(jié)構(gòu)影響減振器阻尼力輸出的大小。目前對于減振器阻尼孔的設(shè)計和調(diào)校大多依靠工程師設(shè)計經(jīng)驗和反復(fù)進(jìn)行調(diào)校方案試驗，對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行修正，周期長且設(shè)計成本高[2]，且參數(shù)最優(yōu)化得不到保證，因此結(jié)合計算機(jī)技術(shù)建立減振器模型并進(jìn)行動態(tài)調(diào)校仿真，對于縮短減振器開發(fā)周期、提高設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)確性和最優(yōu)性具有重要意義，目前也是減振器設(shè)計開發(fā)的主要方式[3]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于減振器模型建立和仿真設(shè)計進(jìn)行了大量研究。Lang[4]針對減振器存在的高頻畸變問題，建立包含83個參數(shù)的雙筒式減振器模型，用于模擬減振器工作特性;Bunthoff等[5]建立單筒減振器仿真模型，利用疊加閥片彈性理論計算阻尼力，并與ANSYS仿真結(jié)果進(jìn)行對比，用于修正模型精度;李仕生[6]對減振器的工作原理和閥系特性進(jìn)行分析，并應(yīng)用AMESim軟件建立油液流動模型：馬天飛[7]根據(jù)閥片式充氣液壓減振器實體結(jié)構(gòu)抽象出在不同工況下的減振器數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

總體來說，對所設(shè)計的減振器進(jìn)行建模仿真，對于提高效率、減少設(shè)計成本具有重要意義。本文針對之前研究存在的未全面考慮油液流動、模型復(fù)雜等問題，使用Matlab/Simulink軟件建立模型仿真，并與實驗結(jié)果對比來驗證模型的準(zhǔn)確性，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高建模精度。

1? 雙筒式減振器模型設(shè)計

1.1 雙筒式減振器結(jié)構(gòu)及工作原理

雙筒式減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，本研究使用的是充氣式雙筒液壓減振器，補償腔的上部充有0.4Mpa的氮氣，下部為一定體積的減振器油，在減振器工作時起到調(diào)節(jié)和補償油液的作用?；钊偝砂ɑ钊⒘魍ㄩy和復(fù)原閥，底閥總成包括底閥、補償閥和壓縮閥。

雙筒式減振器工作過程主要包括復(fù)原行程和壓縮行程。當(dāng)行駛路面存在凸起障礙時，車輪相對于車身向上跳動，此時活塞桿帶動活塞總成向壓縮腔運動，減振器處于壓縮行程，造成壓縮腔體積減小，油壓開始升高，一部分液壓油通過底閥上的壓縮閥進(jìn)入補償腔，一部分經(jīng)由活塞總成上的流通閥進(jìn)入復(fù)原腔。在油液流動過程中產(chǎn)生的摩擦力及通過節(jié)流阻尼孔產(chǎn)生的節(jié)流作用產(chǎn)生阻尼力共同抑制減振器壓縮使車身向下運動。同理，當(dāng)行駛路面存在凹坑時，車輪相對于車身向下拉伸，此時活塞桿帶動活塞向復(fù)原腔運動，減振器處于復(fù)原行程，復(fù)原腔體積減小，復(fù)原腔相較于壓縮腔的壓力較大，油液通過活塞總成上的復(fù)原閥和底閥總成上的補償腔分別流向壓縮腔和補償腔，產(chǎn)生的阻尼力抑制減振器拉伸使車身向上運動。

1.2 雙筒式減振器建模

1.2.1 阻尼孔流體力學(xué)模型

雙筒式減振器主要通過油液在各個腔室間孔隙流動時產(chǎn)生壓差來輸出阻尼力。根據(jù)流體力學(xué)理論，油液在不同阻尼孔口流動時產(chǎn)生的壓差也不同。根據(jù)小孔長徑比的不同可以將阻尼孔流量模型分為以下幾種：

當(dāng)長徑比4

油液在流動過程中，不僅有小孔流動，還存在縫隙流動。

當(dāng)減振器運行速度大于節(jié)流閥片的開閥速度時，閥片受到一定的壓力而變形，與活塞或底閥形成縫隙，一定量的油液沿縫隙流動，該縫隙屬于圓盤縫隙，流量計算公式為：

當(dāng)復(fù)原閥片未開閥時，上腔壓差主要由活塞縫隙壓差、活塞孔和活塞閥片常通孔壓差產(chǎn)生，下腔壓差由底閥孔壓差和補償閥變形開啟的縫隙壓差提供;開閥后，閥片變形產(chǎn)生縫隙壓差組成阻尼力。

當(dāng)壓縮閥片未開閥時，上腔壓差主要由活塞縫隙壓差、活塞孔壓差和流通閥變形開啟的縫隙壓差組成。下腔壓差由底閥孔壓差、壓縮閥片節(jié)流孔壓差提供;開閥后，除去之前所述壓差，底閥閥片變形產(chǎn)生縫隙壓差共同組成阻尼力。

1.2.2 閥片彎曲變形模型

當(dāng)彈性節(jié)流閥片開閥時，以閥片圓心作為極點，建立閥片極坐標(biāo)系，變形曲面微分方程為：

2? 雙筒式減振器仿真與實驗

選取某一型減振器作為研究對象，建立Simulink仿真模型。減振器和閥片的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。所用的減振器油液密度？籽為858kg/m3，動力粘度？滋為9.61×10-3Pa*s。

將參數(shù)輸入到模型中，對減振器模型進(jìn)行仿真。同時對該減振器進(jìn)行臺架實驗，如圖2所示。

以30mm的正弦激勵作為輸入激勵，經(jīng)過模型仿真和實驗得到的減振器示功圖如圖3所示。

圖3中，實線為模型仿真示功圖，虛線為實驗結(jié)果示功圖。由圖3可知，在低速運動時，由于減振器油液存在熱摩擦或氣泡化等現(xiàn)象，會影響阻尼力的輸出，因此實驗結(jié)果輸出的阻尼力較仿真大;減振器在中高速運動情況時，摩擦力相對于輸出的阻尼力要小的多，因此仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相近。仿真與實驗輸出的復(fù)原阻尼力對比如表2所示。

從表2可知，由于摩擦力不可避免，因此低速下仿真與實驗結(jié)果誤差較大，而高速時結(jié)果較為接近，驗證了所建立減振器模型的有效性。

3? 結(jié)論

通過彈性力學(xué)和流體力學(xué)原理，利用Simulink軟件建立雙筒式減振器模型，并選用某型號減振器參數(shù)進(jìn)行仿真。在忽略摩擦力和油液氣泡化等影響因素下，通過仿真與實驗輸出的阻尼力結(jié)果對比，表明了所建減振器模型的準(zhǔn)確性和有效性，為縮短減振器設(shè)計周期和參數(shù)調(diào)校提供了理論基礎(chǔ)。

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