位移相關(guān)減振器動(dòng)力學(xué)模型的建立

陳小燕 馬良燦 錢宇 黃元毅 武偉

摘 要：根據(jù)某普通液壓雙筒減振器的工作原理和閥系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。考慮位移相關(guān)減振器實(shí)際結(jié)構(gòu)中旁通槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及與活塞閥系的并聯(lián)關(guān)系建立位移相關(guān)減振器。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，建立的數(shù)學(xué)模型可以用來反映位移相關(guān)減振器外特性和旁通槽的影響。

關(guān)鍵詞：減振器 位移相關(guān)減振器 旁通槽 數(shù)學(xué)模型 Matlab/Simulink

1 引言

車輛懸架是車輛系統(tǒng)的重要部件，主要由減振器、彈簧和穩(wěn)定桿組成，起到緩和路面?zhèn)鞯杰嚿淼臎_擊和衰減車輛振動(dòng)的作用[1]。減振器的動(dòng)態(tài)阻尼特性對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能具有很大的影響[2]。其基本工作原理是依靠減振器活塞桿與缸體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促使其內(nèi)腔液體不斷流經(jīng)控制閥，從而使內(nèi)腔孔壁與液體之間產(chǎn)生的摩擦力及流體分子之間的內(nèi)摩擦力做功并轉(zhuǎn)化為熱能。

位移相關(guān)減振器是在傳統(tǒng)被動(dòng)減振器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的[3]，它們的基本工作原理是完全相同的。位移相關(guān)減振器是根據(jù)懸架的機(jī)械行程長(zhǎng)度，車輛空載、半載以及滿載時(shí)的減振器的長(zhǎng)度，并考慮空、半載時(shí)的乘坐舒適性，在工作缸內(nèi)壁加工旁通槽，以實(shí)現(xiàn)阻尼力特性隨行程變化而變化的特點(diǎn)。車輛在空、半載工況下的正常行駛時(shí)，活塞在旁通槽范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減振器阻尼較小，舒適性提高;在滿載工況或緊急工況（如急轉(zhuǎn)彎）下行駛，活塞運(yùn)動(dòng)超過旁通槽范圍，減振器阻尼較大，安全性可以保證。

2 原減振器的結(jié)構(gòu)和工作原理

某車型原減振器是傳統(tǒng)被動(dòng)式雙筒減振器，含有有桿腔、無桿腔和儲(chǔ)油腔三個(gè)腔室;在活塞上有復(fù)原閥和流通閥，在底閥上有壓縮閥和補(bǔ)償閥，共四個(gè)閥系。減振器的部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

在復(fù)原行程中，減振器活塞相對(duì)于工作缸向外運(yùn)動(dòng)，有桿腔內(nèi)的體積減少，油液壓力升高;無桿腔內(nèi)的體積增大，油液壓力降低。由此有桿腔和無桿腔形成的壓差使有桿腔中部分油液通過復(fù)原閥流入到無桿腔中。但是由于活塞桿的影響，使得這部分油液不足以充滿活塞移動(dòng)形成的空間，所以儲(chǔ)油缸中的部分油液會(huì)經(jīng)過底閥補(bǔ)償閥流入到無桿腔，并且伴隨著儲(chǔ)油腔中壓力氣體的膨脹。同理地，在壓縮行程中，減振器活塞相對(duì)于工作缸向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，有桿腔內(nèi)的體積增大，油液壓力減小;無桿腔內(nèi)的體積減小，油液壓力增大。無桿腔被排出的油液一部分經(jīng)過活塞流通閥進(jìn)入到有桿腔，另一部分通過底閥壓縮閥流入到儲(chǔ)油腔，伴隨著儲(chǔ)油腔中壓力氣體的壓縮。

總之，在復(fù)原和壓縮運(yùn)動(dòng)中，油液被“擠”過各個(gè)閥系，產(chǎn)生的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑸l(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。

3 減振器建模理論基礎(chǔ)

4 原減振器的建模

減振器是一個(gè)復(fù)雜的非線性、時(shí)變系統(tǒng)，其阻尼特性不僅與懸架相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還與工作環(huán)境溫度、油液粘度、油液的可壓縮性及油液在減振器內(nèi)的流動(dòng)特性有關(guān)[6]。為簡(jiǎn)化問題，在對(duì)普通雙筒減振器建模時(shí)，做了以下幾個(gè)假設(shè)[7][8]：

1）在減振器一個(gè)工作周期內(nèi)，減振器內(nèi)的油液溫度保持不變;

2）活塞環(huán)與工作缸之間無泄漏;

3）不計(jì)減振器內(nèi)部油液重力勢(shì)能的影響;

4）不計(jì)減振器在節(jié)流過程中，汽化的油蒸汽所消耗的油液質(zhì)量;

5）忽略積累于工作缸中的油汽泡體積變化;

6）忽略壓力和溫度所引起的油液粘度變化和系統(tǒng)構(gòu)建彈性變形;

7）減振器各元件間的摩擦簡(jiǎn)化為固定值;

8）除了復(fù)原閥、壓縮閥、常通閥、補(bǔ)償閥和旁通槽處的壓力降之外，別處的流體能量損失均忽略不計(jì)。

根據(jù)上面對(duì)原普通雙筒減振器的結(jié)構(gòu)、工作原理、理論基礎(chǔ)以及假設(shè)的闡述，利用Matlab/Simulink軟件對(duì)原減振器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

將旁通槽模型帶入到原減振器模型中，取旁通槽等效面積為5mm2，有效作用長(zhǎng)度為48mm（旁通槽兩端過渡段長(zhǎng)度為5mm），在行程為50mm，最大速度為0.52m/s的正弦位移激勵(lì)下的示功圖與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，如圖5（圖中曲線Experiment1是原減振器的試驗(yàn)結(jié)果;曲線Simulation是位移相關(guān)減振器的仿真結(jié)果;曲線Experiment2是位移相關(guān)減振器試驗(yàn)結(jié)果）：

對(duì)比圖中，仿真曲線旁通槽（對(duì)應(yīng)示功圖中的“凹坑”）兩邊的曲線斜率和最大值相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異可能是由于試驗(yàn)中的安裝的工作缸外徑比原減振器的小了0.4mm，沒有向儲(chǔ)油缸中充入壓力氣體，充入減振器中的油液體積的偏差以及活塞閥系預(yù)緊力的改變所致。

綜合來看，位移相關(guān)減振器模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)大致相同，數(shù)值偏差也在較小的范圍內(nèi)，在工程允許范圍內(nèi)。在某一旁通槽截面積下，仿真結(jié)果可以量化地反映旁通槽對(duì)減振器示功曲線的影響。因此，該Simulink模型可以用來反映位移相關(guān)減振器的外特性，以及指導(dǎo)旁通槽槽型的設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

本文根據(jù)某車型減振器的具體結(jié)構(gòu)，使用能描述減振器內(nèi)部閥系特性的基本參數(shù)，建立普通雙筒減振器的數(shù)學(xué)模型。仿真計(jì)算得到的示功曲線與試驗(yàn)得到的示功曲線符合較好。在此基礎(chǔ)上，在模型中加入旁通槽模型，對(duì)比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)符合的比較好，可以用來反映旁通槽對(duì)減振器外特性的影響以及反過來指導(dǎo)旁通槽槽型的設(shè)計(jì)。

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