汽車可調(diào)阻尼減振器設(shè)計(jì)研究

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 由旭華 于士軍

汽車可調(diào)阻尼減振器設(shè)計(jì)研究

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 由旭華 于士軍

為了提高汽車可調(diào)阻尼減振器的減振效果，考慮到整體車輛系統(tǒng)振動(dòng)、汽車減振器的阻尼特性，通過(guò)分析減振器最佳阻尼系數(shù)、車輛懸架系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行力-速度特性計(jì)算，研究?jī)?yōu)化方法，以原車減振器的參數(shù)為設(shè)計(jì)的依據(jù)，通過(guò)計(jì)算所得出的結(jié)論，說(shuō)明優(yōu)化設(shè)計(jì)的汽車可調(diào)阻尼減振器的振動(dòng)傳遞幅度等參數(shù)均較理想，滿足設(shè)計(jì)要求。

汽車；可調(diào)阻尼；減振器；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

1 引言

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)汽車可調(diào)阻尼機(jī)械減振器的性能進(jìn)行測(cè)試和分析,發(fā)現(xiàn)存在一些關(guān)鍵問(wèn)題，例如高溫時(shí)性能下降，反應(yīng)遲緩等。另外，對(duì)于減振器阻尼閥的參數(shù)設(shè)計(jì)，也是非常重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié),但還沒(méi)有準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法，參數(shù)的設(shè)計(jì)多基于國(guó)內(nèi)外已有的設(shè)計(jì)參數(shù)。所以，目前的參數(shù)的設(shè)計(jì)值不能很好地保證可靠性和合理性，所以阻尼閥的設(shè)計(jì)方法需要優(yōu)化以滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要。

2 減振器工作流程

在筒式減振器上設(shè)置幾個(gè)小孔，通過(guò)控制閥的節(jié)流效應(yīng)可以產(chǎn)生有效阻尼力。懸掛系統(tǒng)中機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)熱能，從而減弱懸架系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)。一般減振器由四個(gè)閥門(mén)組成：復(fù)位閥、補(bǔ)償閥、壓縮閥和流通閥。壓縮閥和復(fù)位閥是阻尼器的機(jī)能核心。

減振器兩個(gè)主要行程為壓縮行程和復(fù)位行程，運(yùn)行于壓縮行程時(shí)，設(shè)其運(yùn)動(dòng)速度為Vy，此時(shí)流通閥和壓縮閥共同工作，有一部分油液流經(jīng)活塞缸筒下腔，進(jìn)而產(chǎn)生壓縮行程節(jié)流壓力。當(dāng)運(yùn)行于復(fù)位行程時(shí)，設(shè)其復(fù)位運(yùn)動(dòng)速度為Vf，有一部分油液流經(jīng)活塞缸筒上腔，然后經(jīng)過(guò)復(fù)位閥和補(bǔ)償閥，從而可以產(chǎn)生復(fù)位行程節(jié)流壓力。所以，減振器的阻尼力可以表示為節(jié)流壓力與相應(yīng)面積的乘積。

圖1 筒式減振器

3 可調(diào)阻尼減振器設(shè)計(jì)

3.1 汽車懸架系統(tǒng)阻尼系數(shù)

若單個(gè)車輪的質(zhì)量為M，車輪簧上質(zhì)量m1，所以車輪簧下質(zhì)量為：

m2=M-m1

按以下公式可得懸架系統(tǒng)的最佳阻尼系數(shù)為：

Cs=4πξf0mu

其中，M—車輪簧總質(zhì)量

m—車輪簧載上質(zhì)量

f0—懸架固有頻率

ξ—懸架最佳阻尼比

3.2 減振器最佳阻尼系數(shù)

3.2.1 首次開(kāi)閥最佳阻尼系數(shù)

首次打開(kāi)閥門(mén)時(shí)，阻尼器阻尼系數(shù)是：

C1=4πξf0mu/i2

其中，C1—第一次開(kāi)閥阻尼系數(shù)；

i—懸架系統(tǒng)杠桿比；

3.2.2 二次開(kāi)閥最佳阻尼系數(shù)

設(shè)k1、k2為在閥門(mén)的首次和二次開(kāi)閥時(shí)，阻尼器速度特性曲線的斜率；f1、f2為減振器在首次和二次開(kāi)閥時(shí)的阻尼力；V1、V2為減振器第一次開(kāi)閥前與二次開(kāi)閥前的速度；η為減振器平安比。則有：

η=k1/k2=C1/k2

∴k2=C1/η

由下式可以確定二次開(kāi)閥阻尼系數(shù):

C2=f2V2

3.2.3 減振器可調(diào)阻尼的設(shè)計(jì)方案

把原實(shí)心活塞桿改為空心活塞桿，放置活塞桿閥心和連接軸步進(jìn)電機(jī)；其次，為了控制活塞通流區(qū)域，增加原活塞可調(diào)孔；然后，確定最優(yōu)阻尼器阻尼系數(shù)密封，然后進(jìn)行下一步調(diào)整。

3.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)上，阻尼閥和氣缸體阻尼結(jié)構(gòu)保持不變，根據(jù)初始設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合成本和其他因素，將活塞桿變成空心桿結(jié)構(gòu)，空心活塞桿下端為旋轉(zhuǎn)的軸，軸和閥芯上端的轉(zhuǎn)軸以及擺動(dòng)缸連接在一起，驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸和驅(qū)動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)，額外的旋轉(zhuǎn)閥式阻尼調(diào)節(jié)機(jī)制是由閥芯和閥體、閥芯和閥體孔變化的重合度、液體通過(guò)節(jié)流面積的變化，從而實(shí)現(xiàn)阻尼的監(jiān)管功能。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

3.3.1 節(jié)流孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于筒式減振器來(lái)說(shuō)，其復(fù)原閥的閥門(mén)系統(tǒng)參數(shù)以及壓縮閥對(duì)于減振器的速度特性有重要影響，根據(jù)車輛懸架阻尼器最優(yōu)阻尼的速度特性，對(duì)節(jié)流孔區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，建立節(jié)流孔面積優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中，F(xiàn)（V）是懸架阻尼器最優(yōu)阻尼的速度特性；

FA（V）是利用速度設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)計(jì)的常通節(jié)流孔速度特性；

A是減振器在開(kāi)閥之前阻尼力特性。

依據(jù)最佳阻尼匹配的減振器速度特性，當(dāng)節(jié)流孔面積優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)WA（V）達(dá)到極值時(shí),此速度設(shè)計(jì)點(diǎn)即為最優(yōu)速度設(shè)計(jì)點(diǎn),因此，復(fù)原閥常通節(jié)流孔A的值得到優(yōu)化。

3.3.2 節(jié)流閥片厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)下式確定節(jié)流閥片厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù):

其中，F(xiàn)h（V）是利用速度設(shè)計(jì)點(diǎn)V所設(shè)計(jì)的節(jié)流閥片厚度h所對(duì)應(yīng)一次開(kāi)閥之后阻尼力特性。

當(dāng)節(jié)流片厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)Wh(V)達(dá)到極值時(shí),節(jié)流閥片厚度h的值得到優(yōu)化。

3.3.3 最大限位間隙設(shè)計(jì)

根據(jù)第一個(gè)開(kāi)閥的減壓閥的節(jié)流壓力特性，兩個(gè)開(kāi)啟閥的節(jié)流壓力特性，可以設(shè)計(jì)出最大間隙，可以使用節(jié)流閥片的變形系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)最大間隙。由下式可以確定節(jié)流閥片的預(yù)變形量設(shè)計(jì)值：

fκο=Gκp1/h3

其中，Gκ是節(jié)流閥片在閥口半徑位置所對(duì)應(yīng)的變系數(shù)；

fκο是節(jié)流閥片在閥口半徑位置處所對(duì)應(yīng)的初始變形量；

p1是一次開(kāi)閥時(shí)節(jié)流閥片受到的壓力。

由下式確定節(jié)流閥片最大限位間隙的設(shè)計(jì)值:

δmax=Gκp2f3-fκο

其中，p2是節(jié)流閥二次開(kāi)閥時(shí)閥片所受的壓力；

fκο是減振器速度達(dá)到二次開(kāi)閥速度時(shí),閥片在閥口半徑位置處所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度。

4 減振器性能試驗(yàn)與驗(yàn)證

多功能液壓振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可以檢測(cè)試驗(yàn)樣品性能，并通過(guò)改變減振器試驗(yàn)條件來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，通過(guò)改變壓力和位移傳感器對(duì)阻尼力、位移以及活塞速度進(jìn)行測(cè)量。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)可以看出，減振器特性值的最大偏差和車輛懸架系統(tǒng)的最優(yōu)匹配小于7%，說(shuō)明減振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了可調(diào)阻尼減震器的設(shè)計(jì)，最后通過(guò)減震器設(shè)計(jì)的特性測(cè)試，根據(jù)車輛懸架阻尼比的最佳利用，確定了阻尼速度特性的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)節(jié)流壓力之間的關(guān)系,閥門(mén)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)建立了通過(guò)最優(yōu)匹配阻尼減振器的速度特性和閥門(mén)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，減振器的閥系統(tǒng)參數(shù)合理，減振器特性值的最大偏差和車輛懸架系統(tǒng)的最優(yōu)匹配合理，達(dá)到初始可調(diào)阻尼所設(shè)計(jì)的控制要求。

[1]劉韶慶.用于車輛懸架減振器研究動(dòng)態(tài)[D].江蘇大學(xué),2008.

[2]周長(zhǎng)城,孟婕.車輛懸架最佳阻尼匹配減振器設(shè)計(jì)[D].山東理工大學(xué),2008.