董明明， 邊 楠

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

位移相關(guān)減振器對車輛懸架特性的仿真研究

董明明， 邊 楠

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

針對減振器在高頻激勵(lì)下存在的發(fā)熱問題，提出了一種阻尼特性與位移相關(guān)的葉片式減振器，即在減振器靜平衡位置設(shè)計(jì)附加通道，改變減振器的阻尼特性，以降低發(fā)熱功率. 利用MATLAB/Simulink建立了二自由度懸架振動(dòng)模型，在特定頻率的路面激勵(lì)下針對不同的附加通道尺寸對車身加速度、懸架動(dòng)撓度及減振器發(fā)熱功率進(jìn)行了仿真分析. 結(jié)果表明：在車輛懸架上用阻尼特性與位移相關(guān)的減振器，可以有效地降低發(fā)熱量.

減振器；阻尼特性；發(fā)熱功率；MATLAB/Simulink

車輛減振器是懸架系統(tǒng)的主要組成部件之一，在車輛行駛過程中起著重要作用，其中，液壓減振器應(yīng)用廣泛. 液壓減振器的阻尼力是通過工作液體流經(jīng)節(jié)流小孔、縫隙時(shí)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)而產(chǎn)生的，它能有效地衰減簧上、簧下質(zhì)量的相對運(yùn)動(dòng)，提高車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性[1]. 車輛行駛時(shí)，路面不平度的激勵(lì)引起減振器兩端的相對運(yùn)動(dòng)，減振器衰減振動(dòng)能量并將其轉(zhuǎn)化為熱能，由此導(dǎo)致減振器工作溫度上升，使工作液體粘度發(fā)生改變，進(jìn)而影響減振器的阻尼力，并最終影響車輛懸架系統(tǒng)的綜合性能. 此外，減振器溫度的升高還會(huì)加速其密封元件的老化，引起過早失效，也容易引起減振器工作液的空化效應(yīng)，導(dǎo)致減振器特性畸變. 因此，在減振器的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,重視其熱力學(xué)設(shè)計(jì)是十分重要的[2].

目前，國內(nèi)外對液壓減振器的研究主要集中在減振器阻尼作用的建模方法與仿真分析研究，并且在建模與仿真分析時(shí)，往往忽略溫度對阻尼力的影響，對于熱力學(xué)的研究還不夠完善[3-5]. 張立軍等人[6]建立了減振器熱機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，利用減振器發(fā)熱特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)了減振器熱動(dòng)力學(xué)模型參數(shù). 顧亮等人[7]對葉片式減振器的熱穩(wěn)定性做了詳細(xì)的分析. 但以上的研究僅對減振器的發(fā)熱做了理論分析，并沒有提供一種有效的解決方案. 所以，有必要研制一種新型液壓減振器，在不影響平順性的前提下，有效降低發(fā)熱量.

提出了一種新型液壓減振器的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式物理可實(shí)現(xiàn)，在筒式液壓減振器和葉片式液壓減振器上均可以運(yùn)用. 路面不平度的激勵(lì)存在高頻信號(hào)幅值小，低頻信號(hào)幅值大的現(xiàn)象；液壓減振器在受到高頻信號(hào)時(shí)發(fā)熱量大，受到低頻信號(hào)時(shí)發(fā)熱量小. 由此可見，在路面激勵(lì)幅值小的時(shí)候降低減振器的阻尼可以有效降低其發(fā)熱量. 結(jié)構(gòu)方面，對于筒式減振器和葉片式減振器，在其靜平衡位置一定長度范圍內(nèi)對其工作壁向外部進(jìn)行沖壓，增大其工作直徑，使工作液從活塞或葉片與工作壁的縫隙流過，有效降低減振器的阻尼，從而降低發(fā)熱量.

文中旨在分析這種新型結(jié)構(gòu)的減振器發(fā)熱量變化以及其對車輛平順性的影響，對葉片式減振器進(jìn)行理論研究和仿真分析. 首先，建立車輛懸架振動(dòng)模型及其微分方程，構(gòu)造減振器分段阻尼，對減振器的發(fā)熱量及平順性進(jìn)行理論分析；然后，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，得出車身加速度、懸架動(dòng)撓度以及發(fā)熱功率的仿真結(jié)果；最后，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合理論分析，得出結(jié)論.

1 葉片式減振器的結(jié)構(gòu)和工作原理

葉片式減振器的工作原理如圖 1所示. 葉片式減振器由殼體、隔板總成、葉片總成、拉臂(圖中未畫出)等組成，其中隔板總成與固定在車體上的殼體連接，為固定件；葉片總成與拉臂連接，拉臂通過連桿機(jī)構(gòu)與車輪連接，為活動(dòng)件. 隔板總成與葉片總成呈“十”字交叉裝配在殼體內(nèi)，殼體內(nèi)充滿工作液，車輪相對于車體運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉臂帶動(dòng)葉片總成在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使葉片運(yùn)動(dòng)前方的工作液產(chǎn)生高壓，通過葉片上的常通孔及葉片與殼體、隔板與殼體之間的縫隙等各個(gè)通道流向葉片背面. 減振器工作時(shí)葉片在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，工作腔內(nèi)液體的總流量等于單位時(shí)間內(nèi)葉片掃過的體積.

靜平衡位置附加通道即在殼體內(nèi)側(cè)加工一個(gè)特定尺寸的凹槽，使得減振器在靜平衡位置附近工作時(shí)產(chǎn)生較小的阻尼，以實(shí)現(xiàn)位移相關(guān)的阻尼特性.

圖1 葉片式減振器結(jié)構(gòu)簡圖

2 理論分析

2.1 二自由度懸架振動(dòng)模型的建立

討論阻尼對車身振動(dòng)的影響，考慮到計(jì)算精度將懸架簡化成如圖 2所示的二自由度振動(dòng)系統(tǒng).

圖2 二自由度振動(dòng)模型

圖中,m2為簧上質(zhì)量，kg；m1為簧下質(zhì)量，kg；k為懸架剛度，N/m；kt為輪胎剛度，N/m；c為減振器阻尼系數(shù)，Ns/m；z2為車身位移，m；z1為車輪位移，m；q為路面不平度位移，m.

建立該系統(tǒng)的微分方程如下

(1)

將式(1)化為如下形式

(2)

2.2 減振器的發(fā)熱功率

減振器的發(fā)熱是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，為了便于分析，文中僅對減振器的工作液流經(jīng)通孔時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行分析，忽略工作液的流體特性.

減振器的發(fā)熱功率可以衡量其發(fā)熱量大小，表達(dá)式如下

(3)

故式(3)可以寫成

(4)

由式(4)可知，控制減振器阻尼系數(shù)c可以有效控制其發(fā)熱功率. 文中研究的新型結(jié)構(gòu)減振器，在其平衡位置附近阻尼系數(shù)很小，可視為零，并且我們假設(shè)減振器在其余位置的阻尼系數(shù)為一常數(shù)，則該減振器的阻尼系數(shù)表達(dá)式如下

(5)

式中：c0為阻尼系數(shù)常數(shù)；φ為減振器旋轉(zhuǎn)角度，φ=0時(shí)為靜平衡位置，φ0為變阻尼角度，該位置減振器的阻尼系數(shù)發(fā)生改變，對應(yīng)減振器旋轉(zhuǎn)角速度為ω0，對應(yīng)的簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量之間的相對位移稱為變阻尼位移，記為s.

阻尼特性曲線如圖 3所示.

圖 3 位移相關(guān)葉片式減振器阻尼特性曲線

2.3 懸架系統(tǒng)的平順性

我們不僅分析了葉片式減振器的變阻尼角度對發(fā)熱功率的影響，還分析了其對該系統(tǒng)的平順性的影響.

懸架動(dòng)撓度(Δzd)的表達(dá)式如下

(6)

3 仿真分析

3.1 仿真模型的建立

根據(jù)式(2)在MATLAB/Simulink中建立二自由度仿真模型，如圖 4所示. 其中Subsystem模塊為阻尼系數(shù)取值模塊，Subsystem1模塊為路面輸入模塊.

圖 4 二自由度車輛振動(dòng)Simulink模型

路面激勵(lì)采用正弦波激勵(lì)，表達(dá)式為

q=Asin(2πft).

(7)

仿真參數(shù)如表 1所示.

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

二自由度振動(dòng)模型參數(shù)如表2所示.

表2 二自由度振動(dòng)模型參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

圖5 0.6 Hz激勵(lì)下變阻尼位移對車身加速度、懸架動(dòng)撓度、減振器發(fā)熱功率的影響

圖6 1.4 Hz激勵(lì)下變阻尼位移對車身加速度、懸架動(dòng)撓度、減振器發(fā)熱功率的影響

4 結(jié) 論

1) 建立的仿真模型正確，能體現(xiàn)該新型葉片式減振器的動(dòng)力學(xué)特性，該模型在低、高頻激勵(lì)輸入下具有相似的仿真特性，適用于各種頻率段的激勵(lì)輸入；

2) 該新型減振器的變阻尼角度對懸架系統(tǒng)的車身加速度影響較小，滿足設(shè)計(jì)要求；

3) 該新型減振器會(huì)增大懸架系統(tǒng)的動(dòng)撓度，在確定結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)應(yīng)保證懸架動(dòng)撓度小于懸架設(shè)計(jì)動(dòng)行程；

4) 該新型減振器可以有效降低發(fā)熱功率，減少發(fā)熱量，但在不同激勵(lì)輸入下的最佳變阻尼角度不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)路面輸入來確定最優(yōu)值.

[1] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 5版. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[2] 張立軍, 余卓平, 陽 鵬. 汽車液壓減振器熱機(jī)耦合特性試驗(yàn)研究[J]. 汽車技術(shù), 2005(4): 1836.

[3] 董明明, 孟紅芹. 油氣彈簧剛度和阻尼特性及其影響因素仿真分析[J]. 車輛與動(dòng)力技術(shù), 2013(2): 47-50.

[4] 董明明, 顧 亮, 王國麗. 坦克葉片式減振器阻尼力的概率分析[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2004, 25(01): 1-4.

[5] 董明明, 黃 華, 顧 亮. 葉片式減振器的特性分析和液壓參數(shù)識(shí)別[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24(3): 206-209.

[6] 張立軍, 余卓平. 汽車懸架液壓減振器熱機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)模型[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008,36(12): 1691-1696.

[7] Gu Liang, Qu Jinlin, Ding Faqian.Thermostability of Vane Absorber[J]. Journal of Beijing Institute of Technology (English Edition), 1998,7(02): 120-128.

Simulation on Suspension Characteristics of Absorber with Displacement-dependent Damping Property

DONG Ming-ming, BIAN Nan

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

In view of the heating problem in the absorbers under high-frequency vibration, a vane type absorber was proposed with a displacement-dependent damping property. At its static balance place of the absorber, an additional channel was designed for both changing its damping property and lowering the heating power. By means of MATLAB/Simulink, a 2 DOFs suspension model was built. Through changing the dimensions of the additional channel, the different values in the car-body acceleration, suspension dynamic deflection and the absorber’s heating power were obtained in the road excitation with specific frequencies. The results indicated that the absorber could effectively lower the heating power.

Absorber; Damping property; Heating power; MATLAB/Simulink

1009-4687(2014)04-0020-05

2013-11-22.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-07-02 09:49

邊 楠(1987-)，男，碩士.

U463.33+4.4

A

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20140702.0949.001.html