摘 要：為了探究電動(dòng)三輪車(chē)前減震器阻尼特性，本文提出電動(dòng)三輪車(chē)前減震器阻尼特性建模和流場(chǎng)模擬研究。構(gòu)建電動(dòng)三輪車(chē)前減震器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其在壓縮與復(fù)原2個(gè)關(guān)鍵階段的阻尼流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬過(guò)程描繪了流體在減震器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是流體速度的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，在邊界條件一致的情況下，減震器復(fù)原過(guò)程中壓縮腔內(nèi)的流體速度小于壓縮過(guò)程中復(fù)原腔內(nèi)的流體速度。同時(shí)，復(fù)原過(guò)程阻尼力小于壓縮過(guò)程阻尼力。為壓縮和復(fù)原過(guò)程分別配置適宜的閥系統(tǒng)，以保證減震器在不同工況下均能提供達(dá)到三輪車(chē)行駛需求的阻尼力，從而提升車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性和舒適性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)三輪車(chē)；阻尼特性；流場(chǎng)模擬；前減震器

中圖分類(lèi)號(hào)：TH 137" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在城市交通、農(nóng)村運(yùn)輸和特殊作業(yè)場(chǎng)合中，電動(dòng)三輪車(chē)應(yīng)用廣泛。前減震器是電動(dòng)三輪車(chē)的重要組成部分，其性能直接關(guān)系車(chē)輛的乘坐舒適性和行駛穩(wěn)定性。減震器利用阻尼特性吸收和緩解路面不平帶來(lái)的沖擊和振動(dòng)，對(duì)提高車(chē)輛的整體性能和用戶(hù)體驗(yàn)至關(guān)重要[1]。減震器的阻尼特性建模和流場(chǎng)模擬研究是減震器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。構(gòu)建精確的阻尼特性模型，并利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)模擬減震器內(nèi)部的流體流動(dòng)情況，可以深入理解減震器在不同工況下的工作機(jī)理和性能表現(xiàn)[2]，不僅有助于縮短減震器的開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本，而且能夠顯著提升減震器的性能穩(wěn)定性和可靠性。本文針對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)前減震器的阻尼特性進(jìn)行建模，并利用流場(chǎng)模擬技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

為分析電動(dòng)三輪車(chē)前減震器阻尼特性，本文將某電動(dòng)三輪車(chē)前減震器作為研究對(duì)象。電動(dòng)三輪車(chē)前減震器中的液壓阻尼生成機(jī)制的核心是利用油液在特定通道（例如縫隙、小孔或精心設(shè)計(jì)的閥門(mén)）中的流動(dòng)來(lái)創(chuàng)造節(jié)流效應(yīng)，進(jìn)而生成阻尼力[3]。該過(guò)程涉及油液被迫從減震器的一個(gè)腔室流向另一個(gè)腔室。當(dāng)通過(guò)這些狹窄的通道時(shí)，油液流速增加，壓力損失也隨之產(chǎn)生，形成了所需的阻尼效果。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，減震器利用精確控制油液流動(dòng)路徑上的阻力，對(duì)車(chē)輛振動(dòng)和沖擊進(jìn)行有效吸收與衰減。阻尼形成基本原理如圖1所示。

在圖1中，當(dāng)A、B油腔內(nèi)部充滿(mǎn)油液后，由小孔連通。在活塞靜止的狀態(tài)下，其內(nèi)部壓力的關(guān)系為PA=PB。當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，油腔A油液被迫經(jīng)小孔流入油腔B，此時(shí)PAgt;PB，在活塞上形成壓縮阻力。當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，油腔A出現(xiàn)部分真空，油腔B內(nèi)的油液被吸入油腔A，此時(shí)PAlt;PB，在活塞上形成復(fù)原阻力。從流體動(dòng)力學(xué)的視角審視，流體在穿越溝槽、管道和孔洞等結(jié)構(gòu)過(guò)程中，其流動(dòng)形態(tài)會(huì)發(fā)生復(fù)雜變化，例如旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)張和收縮，這些變化均伴隨能量耗散與流動(dòng)阻力增加[4]。為了保持流體持續(xù)流動(dòng)，需要在流體遇到這些“流通障礙”的入口與出口間建立相應(yīng)的壓力差。該壓力差直接影響流體經(jīng)過(guò)這些障礙時(shí)的流速，即壓差增大時(shí)，流體的流速也會(huì)相應(yīng)提升，以滿(mǎn)足流動(dòng)連續(xù)性的需求。

1.2 前減震器阻尼特性建模

明確上述試驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部運(yùn)行情況后，在前減震器阻尼特性建模前，本文給出流體在各種狀態(tài)下的阻力公式。在細(xì)長(zhǎng)的管道中，流動(dòng)阻力如公式（1）所示。

（1）

式中：ΔP為管道兩端的壓力差；μ為液體的動(dòng)力黏度；l為細(xì)長(zhǎng)管道的長(zhǎng)度；Q為流過(guò)細(xì)長(zhǎng)管道的流量；d1為細(xì)長(zhǎng)管道內(nèi)部直徑。

在環(huán)形縫隙中，流動(dòng)阻力如公式（2）所示。

（2）

式中：ΔP2為環(huán)形縫隙進(jìn)出口兩端的壓力差；l'為滑動(dòng)閥體的軸向長(zhǎng)度；B'為環(huán)形縫隙的周向長(zhǎng)度；δ為環(huán)形縫隙的平均厚度。

流經(jīng)銳邊短孔的流動(dòng)阻力如公式（3）所示。

（3）

式中：ΔP3為流經(jīng)銳邊短孔時(shí)的壓力差；ρ為液體密度；ε為流量系數(shù)；A'為小孔面積。

結(jié)合上述公式，對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)前減震器建立阻尼特性數(shù)學(xué)模型。深入理解減震器在電動(dòng)三輪車(chē)行駛過(guò)程中的力學(xué)作用，關(guān)鍵是把握其工作循環(huán)，即當(dāng)車(chē)輛遭遇不平路面沖擊并且前輪受力時(shí)，套管受迫上移，壓縮彈簧，同時(shí)帶動(dòng)活塞組件上行[5]。在該過(guò)程中，下腔C體積縮減，油壓驟升，上腔B體積擴(kuò)張并產(chǎn)生負(fù)壓，使C腔減震液由特定通道（包括阻尼孔與活塞桿內(nèi)腔）流入B腔，過(guò)剩部分則排入A腔，壓縮腔內(nèi)空氣，生成壓縮阻尼[6]。沖擊過(guò)后，彈簧恢復(fù)原位，套管下行，C腔擴(kuò)容減壓，B腔油液回流并增壓，減震液從B腔經(jīng)阻尼路徑回補(bǔ)至C腔，A腔儲(chǔ)備的減震液適時(shí)補(bǔ)充，形成復(fù)原阻力[7]。該壓縮與復(fù)原的連續(xù)過(guò)程有效降低了振動(dòng)幅度，減少了能量，顯著提升了電動(dòng)三輪車(chē)的行駛平穩(wěn)性與乘坐舒適度。

針對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)前減震器的獨(dú)特構(gòu)造與減震液的流動(dòng)特性，可以將其內(nèi)部劃分為4個(gè)相互隔絕，并在特定機(jī)制下相互作用的封閉區(qū)域[8]。進(jìn)而假定各區(qū)域間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是平滑且連續(xù)的，不存在狀態(tài)參數(shù)的突變現(xiàn)象，從而全面而準(zhǔn)確地分析減震器工作過(guò)程。將油腔A定義為氣液共存腔，該腔體坐落于活塞桿頂端，為減震液與空氣的共存空間[9]。

在前減震器的構(gòu)造中，只使A腔容納空氣，其余腔室均充盈減震液。關(guān)于A腔內(nèi)的狀態(tài)，假定減震液與空氣間達(dá)到壓力均衡，即減震液所承受的壓力與空氣的壓力是相等的，不存在壓力差。因此，在油腔A中，減震液與空氣共享一個(gè)均衡的壓力狀態(tài)。

將油腔B定義為復(fù)原腔，根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性原理，其減震液體積流量由活塞的有效面積與活塞相對(duì)于工作缸的運(yùn)動(dòng)速度共同決定。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)活塞在工作缸內(nèi)移動(dòng)時(shí)，會(huì)推動(dòng)減震液在油腔B中流動(dòng)，流動(dòng)的速度與活塞的運(yùn)動(dòng)速度成正比，同時(shí)流動(dòng)的體積也受活塞有效面積的影響。因此，減震液的體積流量可以看作活塞有效面積與活塞運(yùn)動(dòng)速度的乘積，所得復(fù)原過(guò)程中油腔B的壓力PB如公式（4）所示。

（4）

式中：Pf表示阻尼孔外側(cè)壓力；k表示慣性沖擊；為油腔在該時(shí)刻的狀態(tài)。

將油腔C定義為壓縮腔，在壓縮過(guò)程中，油腔C的壓力如公式（5）所示。

（5）

式中：PC為油腔C的壓力；Py為導(dǎo)流孔外側(cè)的壓力；r為內(nèi)腔半徑。

定義活塞桿內(nèi)腔為連接油腔A、油腔B和油腔C的通道，結(jié)合流體流動(dòng)連續(xù)性原理，所得如公式（6）所示。

QC=QA+QB （6）

式中：QC為油腔C的體積流量；QA為流出油腔A的體積流量；QB為油腔B減震液體積流量。

分析4個(gè)區(qū)域阻尼，聯(lián)立公式（4）～公式（6）完成對(duì)前減震器阻尼特性數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。

1.3 流場(chǎng)模擬

本文引入FLUENT，模擬電動(dòng)三輪車(chē)前減震器內(nèi)部流場(chǎng)。模擬前的邊界條件設(shè)置如下。1） 速度入口條件。設(shè)置入口速度值為5 m/s，這是一個(gè)中等速度，適用于模擬減震器在一般行駛條件下的流體進(jìn)入速度。流體溫度為293.15 K，湍流強(qiáng)度為5%，湍流長(zhǎng)度為0.01 m。2） 壓力入口條件。設(shè)定總壓力值為1 atm，這是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的壓力值，溫度等其他標(biāo)量參數(shù)保持與速度入口條件一致。3） 質(zhì)量入口條件（針對(duì)可壓縮流）。設(shè)置流體質(zhì)量流量為0.01 kg/s。4） 壓力出口條件。設(shè)置出口靜壓力值為1 atm，與入口總壓力相同，表示減震器出口處與外界大氣相連。

在考慮不可壓流動(dòng)狀態(tài)下，在笛卡爾坐標(biāo)系下，湍流瞬時(shí)速度矢量在x、y和z方向的分量u、v和w的控制方程分別如公式（7）～公式（9）所示。

（7）

（8）

（9）

式中：p 為當(dāng)流體進(jìn)入減震器時(shí)的壓力。

當(dāng)啟動(dòng)FLUENT分析流程時(shí)，利用三維空間下的單精度求解器來(lái)執(zhí)行模擬。加載網(wǎng)格數(shù)據(jù)后，需要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，這是保證計(jì)算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。重點(diǎn)核查網(wǎng)格中是否存在負(fù)體積元素，因?yàn)樨?fù)體積是FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程中無(wú)法容忍的異常情況，會(huì)直接導(dǎo)致計(jì)算失敗。

為了進(jìn)一步鞏固計(jì)算基礎(chǔ)，提升網(wǎng)格的適用性和計(jì)算效率，建議對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行必要的優(yōu)化處理，例如執(zhí)行網(wǎng)格平滑操作。該步驟旨在減少網(wǎng)格中的不規(guī)則性和缺陷，例如尖角、扭曲或高縱橫比單元，從而增強(qiáng)網(wǎng)格的整體質(zhì)量，為后續(xù)分析奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓縮過(guò)程阻尼分析

給定進(jìn)口速度，并且流體經(jīng)過(guò)一個(gè)壓縮周期的運(yùn)動(dòng)后，采用流場(chǎng)模擬得出此時(shí)減震器復(fù)原腔內(nèi)的速度最大值為4.966 6m/s。在一個(gè)壓縮周期內(nèi)，減震器筒內(nèi)各節(jié)點(diǎn)位置的速度分布情況如圖2所示。

圖2描繪了減震器內(nèi)流體速度在特定操作條件下的動(dòng)態(tài)變化特性。在進(jìn)口段，由于本文設(shè)計(jì)保證了過(guò)流截面的穩(wěn)定性，流體流動(dòng)平穩(wěn)，因此速度曲線(xiàn)保持平穩(wěn)。在壓縮周期的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，外部沖擊力減弱或轉(zhuǎn)換，進(jìn)口速度接近于零，因此速度曲線(xiàn)的縱坐標(biāo)在該區(qū)域接近零值，反映了減震器在吸收能量過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

當(dāng)流體繼續(xù)流動(dòng)并遭遇阻尼孔時(shí)，情況發(fā)生了顯著變化。阻尼孔的設(shè)計(jì)旨在通過(guò)急劇縮小過(guò)流截面來(lái)增加流體流動(dòng)的阻力，從而取得能量耗散和減震效果。因此，當(dāng)油液通過(guò)阻尼孔時(shí)速度顯著加快，體現(xiàn)了阻尼孔對(duì)流體流動(dòng)的約束作用。當(dāng)油液流出阻尼孔，進(jìn)入過(guò)流截面迅速擴(kuò)大的區(qū)域時(shí)，流速迅速減緩，原因是流體能量在阻尼孔處釋放和轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致流速自然下降。

旋渦的形成和油液運(yùn)動(dòng)的慣性效應(yīng)使流體在空間中繼續(xù)以一定速度旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，豐富了減震器的動(dòng)態(tài)特性，因此在流速變慢后，復(fù)原腔內(nèi)的油液速度并未立即降至0。

隨著流體遠(yuǎn)離阻尼孔，其速度在復(fù)原腔內(nèi)呈波動(dòng)性衰減趨勢(shì)。這種衰減不僅受流體動(dòng)力學(xué)特性的影響，而且受減震器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是減震桿占據(jù)空間的制約。由于減震桿的存在，因此復(fù)原腔內(nèi)的液體流動(dòng)路徑受到限制，流速比在壓縮腔中更快，體現(xiàn)了減震器在不同工作階段和區(qū)域內(nèi)對(duì)流體流動(dòng)特性的精細(xì)調(diào)控。

2.2 復(fù)原過(guò)程阻尼分析

給定進(jìn)口速度，流體經(jīng)過(guò)復(fù)原周期的運(yùn)動(dòng)后，計(jì)算此時(shí)前減震器壓縮腔內(nèi)的速度。復(fù)原過(guò)程總壓分布如圖3所示。

由圖3可知，復(fù)原過(guò)程中壓縮腔內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)速度比壓縮過(guò)程中復(fù)原腔內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)速度整體更緩慢，速度變化更平穩(wěn)。該現(xiàn)象反映了前減震器在不同工作階段展現(xiàn)出的阻尼特性差異。

在減震器的壓縮過(guò)程中，由于外部沖擊力的作用，流體被迅速壓入復(fù)原腔，因此該區(qū)域內(nèi)的流體速度顯著增加，并伴隨較大的速度波動(dòng)。這種快速而劇烈的速度變化是減震器吸收并緩解沖擊能量的重要表現(xiàn)。

而在復(fù)原過(guò)程中，即減震器從被壓縮狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)的過(guò)程中，壓縮腔內(nèi)的流體需要逐漸回流至復(fù)原腔。此時(shí)，減震器的阻尼元件（例如阻尼孔、閥片等）會(huì)發(fā)揮作用，限制流體的流動(dòng)速度，使速度變化相對(duì)平緩。這種設(shè)計(jì)有助于控制減震器的回彈速度，防止車(chē)輛或機(jī)械結(jié)構(gòu)在回彈過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大振動(dòng)或沖擊。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)前減震器阻尼特性進(jìn)行了建模和流場(chǎng)模擬研究，深入探討了減震器工作機(jī)理和性能表現(xiàn)。研究成果不僅為電動(dòng)三輪車(chē)前減震器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了重要的理論支持和技術(shù)參考，而且為其他類(lèi)型減震器的性能優(yōu)化和流場(chǎng)分析提供了可借鑒的方法和思路。未來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)不斷發(fā)展，減震器的阻尼特性建模和流場(chǎng)模擬研究將更深入和精準(zhǔn)，為提升車(chē)輛的整體性能和用戶(hù)體驗(yàn)做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐忠義，張倫維，石楊斌.通過(guò)算法減少可變阻尼減震器中傳感器的使用數(shù)量[J].時(shí)代汽車(chē)，2024（2）：10-12.

[2]雷光成，王浩科，姜術(shù)，等.多高層建筑減震策略在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果研究[J].四川建筑，2023，43（增刊1）：22-30，35.

[3]屈軍.隔震減震技術(shù)在九度地震烈度區(qū)變電工程中的分析和應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，2023，51（5）：10-12，16.

[4]曾廣勁，鐘錦鋒，王亞娟，等.減震器阻尼特性對(duì)汽車(chē)懸架性能和噪聲衰減的影響分析[J].汽車(chē)維修技師，2023（10）：116-117.

[5]曲長(zhǎng)文，劉杰，鄭國(guó)龍.基于減震器性能整車(chē)振動(dòng)、路噪與通過(guò)性研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2023（14）：22-26.

[6]張德軍，陳銳，吳宇通，等.CDC減震器SH-ADD阻尼控制方法研究及應(yīng)用[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2023，48（11）：72-77.

[7]宋俊伯，王東升，陳磊，等.設(shè)置不銹鋼U型阻尼器連續(xù)梁橋減震性能研究[J].工程抗震與加固改造，2023，45（2）：107-117.

[8]尹鋼，顏忠營(yíng)，雷傳茅，等.工業(yè)瓣膜式單向閥頻響特性及其懸架減震器的應(yīng)用研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2022（23）：35-38.

[9]劉璐.聯(lián)合消能減震器在高層鋼框架結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與分析[J].福建建筑，2022（12）：54-59.

基金項(xiàng)目：甘肅省科技計(jì)劃中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目“電動(dòng)三輪車(chē)減震技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：22CX3GH010）。