重型牽引車空氣懸架系統減振器最佳阻尼特性匹配

豆 力，雍文亮，居 剛，李海波

（1．合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥230009；

2．安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

汽車減振器是懸架系統的重要部件，汽車車身和車輪振動時，減振器內的液體在流經阻尼孔時的摩擦和液體粘性摩擦形成了振動阻力，將振動能量轉變為熱能散發到空氣中，達到迅速衰減振動的目的，提高車輛行駛平順性和操縱穩定性。隨著汽車產業的迅速發展，各大汽車廠商都推出了自主品牌汽車，在整車設計過程中，對零部件的選配尤其是減振器的選配非常重要，減振器的選配直接影響了駕乘者的乘坐舒適性和貨物的完好程度。文中對某重型牽引車后空氣懸架系統最佳阻尼匹配減振器速度特性進行了研究，建立了車輛懸架最佳阻尼匹配減振器速度特性數學模型，利用ADAMS / Car模塊建立了整車剛柔耦合多體動力學模型，進行了整車平順性仿真分析和懸架系統動力學仿真。匹配結果表明，對該懸架系統，減振器所做的匹配設計是正確有效的，改善了懸架系統的運動特性和整車平順性，為重型牽引車設計和選配減振器提供了參考價值。

1 雙向筒式減振器

如圖 1所示，雙向筒式減振器是目前大多數汽車采用的減振器，主要由活塞桿、工作缸、活塞、伸張閥、壓縮閥、補償閥、流通閥、儲油缸、導向座、防塵罩和油封等組成。

當汽車懸架處于壓縮行程時，車輪移近車架，減振器受到壓縮力，活塞向下移動。活塞下面的腔室容積減小，油壓升高，油液經過流通閥流到活塞上面的腔室。由于上腔被活塞桿占去一定的空間，上腔內容積的增加小于下腔容積的減小，因此還有部分油液推開壓縮閥，流回儲油缸。這些閥對油液的節流造成對懸架壓縮運動的阻尼力。

當汽車懸架處于伸張行程時，車輪相對車身移開，減振器受到拉伸力，此時減振器活塞向上推動，活塞上腔油壓升高，流通閥關閉，上腔中的油液便推開伸張閥流向下腔。由于自上腔流來的油液還不足以充滿下腔中增加的容積，下腔內產生一定的真空度，儲油缸內的油液便推開補償閥流向下腔進行補償，此時這些閥的節流作用便造成對懸架伸張運動的阻尼力。

2 最佳阻尼匹配減振器阻尼系數

2.1 懸架系統最佳阻尼系數

按照 1/4單自由度振動模型，由振動理論可知，懸架系統的最佳阻尼比

式中，K為懸架剛度；m為簧上質量。因此，懸架系統的最佳阻尼系數

式中，ξ為懸架最佳阻尼比；f0為懸架系統固有頻率。

2.2 減震器最佳阻尼線性分段特性

減振器阻尼特性通常都是非線性的，大都利用線性分段阻尼特性來表示。為了確保減振器壽命，減振器設有初次開閥的速度點Vk1，即當汽車行駛在平坦的路面時，減振器不開閥，只是利用減振器的常通節流孔所產生的節流阻尼力進行工作。為了確保減振器在相對速度比較大時不撞擊車身，減振器設有最大開閥速度點Vk2，即當汽車行駛在較壞路面時，減振器節流閥達到最大，阻尼力比較大，避免減振器撞擊車身。當減振器速度V處于初次開閥速度和最大開閥速度之間時，即Vk1

2.2.1 伸張行程最佳阻尼系數

減振器通常都不是安裝在車輪正上方，而且有一定的安裝角度α。由于減振器安裝位置和角度對懸架系統阻尼有影響，所以，根據懸架系統杠桿比i=a/b和安裝角α就可求出減振器首次開閥時的阻尼系數為

由式（4）可知，減振器在初次開閥速度點的阻尼力

減振器阻尼是非線性的，一般將減振器速度特性分段線性化，并將減振器首次開閥前的速度特性直線斜率k1與二次開閥前的速度特性直線斜率 k2的比值定義為減振器平安比η。其中，減振器首次開閥前的速度特性曲線斜率k1為減振器開閥前的阻尼系數Cd1，因此，減振器平安比η可表示為

因此，可得減振器二次開閥前的速度特性曲線斜率為

根據阻尼力、阻尼系數和速度之間的關系，可得減振器最大開閥阻尼系數Cd2為

式中， Fd2為減振器在最大開閥速度點所對應的阻尼力。

將式（5）和式（7）帶入式（8），則減振器最大開閥阻尼系數Cd2可表示為

因此，減振器在最大開閥速度點所對應的阻尼力Fd2為

2.2.2 壓縮行程分段線性阻尼特性

為了增加車輛的乘坐舒適性，一般情況下，壓縮行程的首次開閥速度小于伸張行程的首次開閥速度。根據減振器在伸張行程的分段線性阻尼特性，以及減振器伸張和壓縮行程的雙向阻尼比β，可確定減振器在壓縮行程的分段線性阻尼特性，其中初次開閥的阻尼系數為

因此，減振器壓縮行程在初次開閥速度點的阻尼力為

最大開閥的阻尼系數為

因此，減振器壓縮行程最大開閥速度點的阻尼力

3 減振器最佳阻尼特性匹配

3.1 重型牽引車整車多體動力學模型

通過優化懸架系統減振器參數來改善車輛的振動性能，必須先建立整車模型進行仿真分析。首先在 ADAMS/Car 中建立整車各子系統的模板，建模時考慮了懸架重要承載部件的彈性變形對振動的影響，然后根據模板分別建立各子系統，通過通信器將各個子系統連接成整車。建模的過程如圖2所示。

重型牽引車整車裝配包括輔助設備（油箱等）、前鋼板彈簧懸架、駕駛室空氣懸置、后空氣懸架、車輪（驅動輪、轉向輪）、發動機、駕駛室、車架、轉向系和制動器等，如圖3所示。

后空氣彈簧懸架如圖 4所示，主要由空氣彈簧、橋、導向臂、橫向穩定器和車身高度傳感器等組成。該空氣懸架主要承載部件（導向臂、橫向穩定桿）經有限元軟件 Hypermesh前處理后，將生成的構件模態中性文件MNF（Modal Neutral File）導入ADAMS中建立柔性體，這樣的仿真結果更接近實際情況。

牽引車滿載時后空氣懸架簧上質量m為11527 kg，空氣彈簧承重為簧載質量的 60%，簧下質量 md為1473 kg，雙輪胎質量mt為220 kg，空氣彈簧靜平衡剛度為125 kN/m，雙輪胎剛度為2000 kN/m，懸架系統最佳阻尼比ξ為

伸張行程首次開閥和二次開閥速度分別為0.2 m/s和1 m/s，平安比為2.5；壓縮行程首次開閥和二次開閥速度分別為0.2 m/s和1 m/s；減振器伸張行程二次開閥阻尼力是壓縮行程的2.4倍，懸架系統杠桿比i=0.6，安裝角度α=6.2°。

3.2 減振器最佳阻尼特性匹配

根據減振器伸張行程的初次開閥速度點和最大開閥速度點的阻尼特性，便可得到減振器整個行程下的分段線性速度特性，即利用伸張行程的初次開閥速度點（Vk1，Fd1）和最大開閥速度點（Vk2，Fd2），以及壓縮行程的初次開閥速度點（Vk1y，Fd1y）和最大開閥速度點（Vk2y，Fd2y），便可得到減振器速度特性曲線。

1）滿載時，由式（15）得懸架最佳阻尼系數ξ=0.19；由前面的分析可知，伸張行程時減振器首次開閥時的阻尼系數為

減振器在初次開閥速度點的阻尼力

最大開閥阻尼系數Cd2為

減振器在最大開閥速度點所對應的阻尼力Fd2為

2）壓縮行程時，減振器首次開閥時的阻尼系數為

減振器壓縮行程在初次開閥速度點的阻尼力為

最大開閥的阻尼系數為

減振器壓縮行程的最大開閥速度點的阻尼力

4 最佳阻尼減振器特性驗證

通過以上的分析，對減振器分段線性速度特性曲線進行擬合，如圖5所示。

對所擬合的減振器速度特性曲線進行仿真，將牽引車滿載以60 km/h的速度行駛在 B級路面上，查看牽引車鞍座在垂直方向的加速度變化曲線，并與之前的減振器特性曲線仿真結果進行比較，圖 6、圖 7為減振器速度特性曲線初始值的仿真結果，圖 8、圖 9為最優匹配之后的減振器速度特性曲線仿真結果。

從圖6、圖8可以看出，減振器速度特性曲線匹配后的加速度幅值比匹配前的加速度幅值小，由圖 7計算結果可知，減振器速度特性匹配之前的鞍座處垂直方向加權加速度均方根值為0.274m/s2，由圖9計算結果可知，減振器速度特性匹配之后的鞍座處垂直方向加權加速度均方根值為0.187 m/s2，明顯改善了牽引車鞍座處的振動特性，貨物的完好性有了很好的保證，從而驗證了所匹配的減振器速度特性曲線的正確性。

5 結束語

文中主要對牽引車空氣懸架系統的減振器阻尼進行了匹配，首先對基于舒適性的懸架系統最佳阻尼比進行了分析，然后根據懸架系統最佳阻尼系數確定減振器最佳阻尼分段線性特性，最后通過ADAMS整車道路仿真驗證了匹配的正確性，對減振器選型和調整具有實際的參考價值。

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