陳乘浪

中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司浙江分公司 浙江省臺(tái)州市 317605

1 引言

在汽車底盤彈簧座設(shè)計(jì)中，為了提高汽車乘坐的安全性與整體舒適性，汽車的減振器性能至關(guān)重要。充氣式充氣液壓減振器的運(yùn)行原理是通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定的油壓差，基于流動(dòng)作用形成壓力油，壓力油的壓縮作用產(chǎn)生阻尼達(dá)到減振的目標(biāo)。與充氣液壓減振器的缺點(diǎn)相同，當(dāng)油液補(bǔ)充不及時(shí)，會(huì)對(duì)汽車造成一定的傷害。作為汽車穩(wěn)定行駛的重要組成部件，對(duì)于減振器的質(zhì)量檢測(cè)與監(jiān)控至關(guān)重要，因此，本文提出了汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法設(shè)計(jì)，為汽車行駛的安全性與可靠性提供幫助。

2 減振器產(chǎn)品特性研究

汽車的減振器能夠有效地降低汽車行駛中受到?jīng)_擊作用產(chǎn)生的振動(dòng)，以并聯(lián)的連接方式，安裝在汽車的懸架系統(tǒng)中，能夠有效提高汽車運(yùn)行的平穩(wěn)性，減少振動(dòng)對(duì)汽車造成的傷害。

通常情況下，汽車采用的減振器為充氣液壓減振器，主要的運(yùn)行原理是汽車在振動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)力，減振器內(nèi)的活塞通過(guò)上下位移運(yùn)動(dòng)，幫助油液的流入與流通，油液分子之間會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力，與孔壁之間的摩擦力相結(jié)合，共同形成阻尼力。充氣液壓減振器的閥門包括兩種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蜗蜷y與卸荷閥，如圖1所示。

圖1 充氣液壓減振器閥門結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，為充氣液壓減振器的閥門結(jié)構(gòu)圖。減振器的阻尼力能夠?qū)⒄駝?dòng)能量進(jìn)行相應(yīng)地轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為有利于汽車行駛的油液熱能，最終減振器吸收后，散發(fā)到大氣中，環(huán)保性較高。一般情況下，當(dāng)油液通道的影響因素穩(wěn)定不變時(shí)，減振器產(chǎn)生的阻尼力會(huì)隨著車輪運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度而減少。汽車減振器的性能與油液的黏度具有很大的關(guān)系，油液的黏度對(duì)阻尼力具有一定的影響。

減振器與汽車的彈性元件存在一定的差異，彈性元件通常能夠起到緩沖汽車作用力的作用，幫助汽車減少振動(dòng)的緩沖力，使汽車行駛中受到的沖擊力得到一定的緩解；減振器的主要作用是減小汽車產(chǎn)生的振動(dòng)，保證行駛過(guò)程中汽車的阻尼力，降低其他部件受到振動(dòng)導(dǎo)致的損壞。減振器的主要結(jié)構(gòu)包括控制器、傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，共同作用形成了適應(yīng)度較強(qiáng)、能夠自動(dòng)調(diào)整的減振器。

減振器具有較高的適應(yīng)性，能夠連續(xù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的阻尼力。根據(jù)阻尼的特性，控制器內(nèi)的節(jié)流閥能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)電控，改變節(jié)流閥的流通面積。在阻尼力較大的情況下，減振器能夠進(jìn)行不間斷地調(diào)節(jié)作用，根據(jù)汽車實(shí)際的行駛情況，進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，最終確保汽車的減振效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

充氣液壓減振器，涵蓋了普通減振器的所有優(yōu)點(diǎn)，另外還能有效提高普通減振器的外特性，大幅度提升減振器的臨界作用速度。減振器的阻力過(guò)大時(shí)，汽車底盤彈簧座的彈簧彈性會(huì)大幅度下降；減振器的阻力過(guò)小時(shí)，汽車底盤彈簧座的彈簧彈性無(wú)法發(fā)揮出效果，對(duì)于減小振動(dòng)的作用力較小。減振器的性能受到多種因素的影響，其中主要因素包括油液的溫度、活塞桿的直徑、活塞內(nèi)圈的孔直徑、活塞外圈的孔直徑。

3 汽車底盤彈簧座減振器檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)控方法設(shè)計(jì)

基于上述對(duì)汽車底盤彈簧座減振器產(chǎn)品特性的研究分析，獲取到不同類型減振器的運(yùn)行原理與特性，根據(jù)減振器的運(yùn)行特征與阻尼力作用情況，進(jìn)行檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)控方法設(shè)計(jì)，具體的監(jiān)控方法設(shè)計(jì)步驟如下。

3.1 減振器特性參數(shù)檢測(cè)

本文設(shè)計(jì)的汽車底盤彈簧座減振器檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)控方法，首先要對(duì)減振器的特性參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的質(zhì)量檢測(cè)。減振器中的閥片，通過(guò)開(kāi)通孔的作用，形成一定的減振作用力，閥片的形狀變化，能夠影響減振器的阻尼力。借助ANSYS軟件耦合分析減振器的內(nèi)部壓力狀況，獲取減振器閥片的油液壓力。減振器的特性參數(shù)包括流固耦合參數(shù)，分為單向與雙向，計(jì)算流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。

構(gòu)建耦合分析模型，利用CFD模塊對(duì)模型中的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，設(shè)置模型中的網(wǎng)格數(shù)量為16524個(gè)，單元的類型設(shè)置為35個(gè)節(jié)點(diǎn)的六面體單元。本文設(shè)計(jì)的耦合分析模型分析流程，如圖2所示。

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的耦合分析模型首先利用線性綁定的方式，結(jié)合MPC算法，連接減振器的活塞與閥片。在減振器的活塞周圍布設(shè)固定支撐設(shè)備，保證減振器元件的自由度。選擇活塞油液的速度入口，設(shè)置入口處的速度為0.625m/s，將出口處的油液壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，基于ANSYS分析模塊，對(duì)流場(chǎng)的壓力進(jìn)行導(dǎo)入選定操作，結(jié)合閥片的靜力結(jié)果，獲取到減振器閥片的變形參數(shù)。

設(shè)定減振器的閥片受力均勻，固定閥片的內(nèi)邊緣，根據(jù)減振器的特性參數(shù)與約束條件，計(jì)算減振器閥片的彎曲變形量。設(shè)置減振器閥片的內(nèi)半徑長(zhǎng)度為r，外半徑長(zhǎng)度為r，閥片承受的最大壓力為，閥片的整體結(jié)構(gòu)厚度為，閥片的彎曲變形量為，采用彈性力學(xué)算法，獲取到減振器工作運(yùn)行狀態(tài)下，閥片的變形微分方程式：

其中，表示減振器閥片的彈性參數(shù)模量；表示閥片的泊松比系數(shù)。在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置減振器閥片疊加在一起，綜合考慮閥片的厚度。根據(jù)減振器內(nèi)部油液流動(dòng)的通道，調(diào)節(jié)活塞桿與底盤彈簧座之間的間隙，其中，忽略油液產(chǎn)生的阻力，根據(jù)減振器底閥的圓形段狀孔的運(yùn)行狀況，判斷減振器的液阻。設(shè)置減振器的活塞運(yùn)動(dòng)速度為，段狀孔的上腔排出流量與油筒的吸入流量保持相同，則減振器的復(fù)原阻尼力性能參數(shù)計(jì)算公式為：

其中，A表示減振器壓縮腔的覆蓋面積；A表示減振器活塞桿的覆蓋面積；表示活塞桿的腔內(nèi)最優(yōu)化壓強(qiáng)；表示活塞桿壓縮腔的最大壓強(qiáng)；F表示減振系統(tǒng)受到作用產(chǎn)生的最優(yōu)化摩擦力；F表示減振器組件產(chǎn)生加速度形成的作用力。減振器的油液經(jīng)過(guò)活塞軸向孔的擠壓作用，導(dǎo)致閥片在一定程度上出現(xiàn)變形情況，形成較多的縫隙，對(duì)活塞的移動(dòng)速度產(chǎn)生較大影響。

3.2 減振器穩(wěn)定性評(píng)估與監(jiān)控

基于上述的減振器特性參數(shù)檢測(cè)完畢后，對(duì)汽車減振器的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果監(jiān)控減振器的質(zhì)量。汽車的減振器在行駛過(guò)程中，缸筒會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通常情況下，不會(huì)產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象。然而，當(dāng)汽車底盤彈簧座減振器的質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，減振器的拉伸行程受到相應(yīng)的影響，導(dǎo)致減振器拉伸行程出現(xiàn)最大化的極限情況，降低質(zhì)量與穩(wěn)定性能，減振器的限位結(jié)構(gòu)受到振動(dòng)撞擊，形成較大的噪聲與嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。

為了監(jiān)控減振器的質(zhì)量與穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)在減振器的內(nèi)部活塞桿中安裝減振緩沖塊，通過(guò)緩沖塊損壞程度，與撞擊產(chǎn)生的噪聲，判斷減振器的質(zhì)量是否處于穩(wěn)定?；钊麠U的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 耦合分析模型分析流程

如圖3所示，為汽車底盤彈簧底座活塞桿的結(jié)構(gòu)圖，將減振緩沖塊安裝在減振器內(nèi)部，設(shè)置限位環(huán)與導(dǎo)向環(huán)，通過(guò)縱向擠壓作用，降低減振器的內(nèi)徑限制，由于不同工況的循環(huán)圈數(shù)較多，通過(guò)一定的算法計(jì)算出黏彈性減振器的儲(chǔ)能模量等性能參數(shù)，通過(guò)對(duì)比性能參數(shù)，獲取減振器的質(zhì)量變化，如表1所示。

如表1所示，為本文設(shè)計(jì)的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法的性能參數(shù)設(shè)置，可知，黏彈性裝配式裝置的耗能能力較低，儲(chǔ)能模量的變化范圍較大，當(dāng)參數(shù)呈現(xiàn)大幅度變化時(shí)，表明減振器質(zhì)量出現(xiàn)了一定的問(wèn)題。汽車減振器的儲(chǔ)能模量通常情況下在2.329MPa～4.418Mpa之間變化，能夠增加減振器阻尼材料的牢固程度?；谟邢拊惴?，計(jì)算汽車底盤彈簧座減振器的損耗因子與儲(chǔ)能模量，將計(jì)算結(jié)果用來(lái)監(jiān)控減振器的質(zhì)量與穩(wěn)定性，以設(shè)置的參數(shù)為判斷指標(biāo)，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與參數(shù)設(shè)置之間的差異，當(dāng)減振器的儲(chǔ)能模量與計(jì)算結(jié)果相差3.255Mpa以上，且損耗因子較小時(shí)，表明汽車底盤彈簧座減振器的質(zhì)量與性能出現(xiàn)了一定的問(wèn)題，不利于汽車的穩(wěn)定行駛，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行汽車減振器質(zhì)量的檢查與維修。

表1 黏彈性減振器性能參數(shù)設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法的有效性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)采用的汽車底盤彈簧座減振器的參數(shù)，如表2所示。

表2 汽車底盤彈簧座減振器實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

如表2所示，為本次實(shí)驗(yàn)采用的汽車底盤彈簧座減振器參數(shù)配置，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照表2的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選取專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備與百分表，將汽車底盤彈簧座的螺旋線進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記為A點(diǎn)，通過(guò)滯回曲線，計(jì)算減振器的阻尼損耗因子，獲取汽車運(yùn)行中的加載頻率與幅值，判斷減振器力學(xué)性能運(yùn)行是否良好。采用150kN的試驗(yàn)機(jī)，對(duì)減振器通過(guò)一定的方式施加側(cè)壓力，控制與監(jiān)測(cè)減振器的力傳感器數(shù)值變化，設(shè)置減振器的側(cè)壓力為0.35kN、1.25kN、2.05kN，加載減振器的運(yùn)行工況，完成汽車底盤彈簧座減振器的質(zhì)量監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。

4.2 結(jié)果分析

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加具有說(shuō)服性，本文采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的形式，設(shè)置本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量監(jiān)控方法為對(duì)照組，對(duì)比兩種檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)控方法對(duì)減振器復(fù)原阻尼力檢測(cè)結(jié)果的誤差率，如表3所示。

表3 兩種減振器質(zhì)量監(jiān)控方法誤差率對(duì)比

如表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法，在速度參數(shù)不同的情況下，檢測(cè)結(jié)果的誤差率均小于傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控方法，檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確率更加具有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，底盤彈簧座減振器作為汽車的重要組成部分，能夠有效地提高汽車行駛過(guò)程中的安全性與可靠性，本文提出的汽車底盤彈簧座減振器質(zhì)量監(jiān)控方法，通過(guò)檢測(cè)減振器的質(zhì)量參數(shù)，評(píng)估與監(jiān)控減振器的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)減振器質(zhì)量的有效監(jiān)控。然而，本文在減振器摩擦力方面的研究仍然存在一定的不足，在未來(lái)的研究中，會(huì)重點(diǎn)改進(jìn)。