第22卷第6期2000年12月武汉汽车工业大学学报JOURNA L OF W UH AN AUT OM OTI VE PO LY TECH NIC UNI VERSITYV ol.22N o.6Dec.2000文章编号:10072144X(20000620022204汽车减振器阻尼系数与悬架系统阻尼比的匹配韦勇1,阳杰2,容一鸣2(1.柳州五菱汽车有限责任公司技术中心,广西柳州545007;2.武汉汽车工业大学机电工程学院,湖北武汉430070摘要:阐述了双轴汽车减振器阻尼系数与悬架系统阻尼比匹配设计的原则,论述了悬架减振器外特性的匹配设计要求和设计方法,并对某实际车型进行了减振器阻尼系数与悬架系统阻尼比匹配分析及改进设计。
通过道路试验验证了改进设计的结果是可行的。
关键词:减振器;汽车悬架;阻尼比匹配中图法分类号:U463.33文献标识码:A汽车悬架动力学表明,地面对悬架系统的激振力等于悬架质量的惯性力和非悬架质量的惯性力之和。
车轮动载(激振力又决定了车轮的接地性能,它是汽车行驶安全性的重要尺度。
显然,在悬架系统中配置恰当的减振器,才能有效地抑制车身振动,保证良好的平顺性及安全性。
1阻尼匹配的原则根据振动理论和工程经验,悬架阻尼的匹配关系由式(1确定:ξ=C2Km=0.2~0.45(1式中,ξ为悬架系统阻尼比;C为悬架减振器的等效阻尼系数(NsΠm;K为悬架刚度(NΠm; m为悬架质量(kg。
当减振器不是垂直安装时,要考虑安装角的影响。
悬架中的弹性元件在支承车身质量的同时,还可缓和路面产生的振动,而减振器起抑制振动的作用。
缓冲和抑振是矛盾着的两个方面,它们是在保证车辆和乘员安全的正常运行条件下统一起来的,这就是悬架阻尼必须匹配设计的依据。
ξ值较大时,能迅速减振,但不适当地增大ξ值会传递较大的路面冲击,甚至使车轮不能迅速向地面回弹而失去附着力和对激励的缓冲能力;ξ值较小时,振动持续时间变长,又不利于改善舒适性。
一般说来,压缩行程时的悬架阻尼比要小于复原行程,因为在压缩行程,应尽量减小减振器对地面冲击的传递能力,以便充分利用弹性元件的缓冲作用,如果不适当地选择了高系数值,就相当于过分增大了悬架刚度,使车辆的平顺性变坏。
在确定了ξ值之后,可由式(1确定减振器的阻尼系数。
因此,确定ξ值是减振器设计的原始技术条件。
收稿日期:2000209218.作者简介:韦勇(19672,男,广西柳州人,柳州五菱汽车有限责任公司工程师.2悬架减振器非线性外特性的规律化和量化问题众所周知,被动悬架可行性设计区理论规定了悬架弹性元件和阻尼元件的线性制约关系或匹配关系[1]。
在解决悬架阻尼系数的匹配问题时,必须解决减振器非线性外特性的规律化和量化问题。
为此,工程上通常将减振器的外特性用近似的分段线性特性来描述,并按振动速度,分为低速段、中速段和高速段,如图1所示。
不言而喻,复原行程和压缩行程的外特性稍有差异。
分段线性化解决了用工程近似方法设计非线性减振器的外特性问题[2]。
根据图1可以定义几个用于表征分段线性规律并便于量化的特征参数。
①双向阻尼比b s :减振器在规范速度下的压缩阻力与复原阻力的比值。
规范速度在有关标准中规定为0.3m Πs 、0.52m Πs 和1.0m Πs 。
双向阻尼比反映悬架减振器复原阻力与压缩阻力的配置要求。
②开阀阻尼系数C k :决定于外特性的OK 段,K 称为开阀点。
C k 可视为减振器常通孔节流以及直到开阀点K 的阻尼系数。
开阀点通常是在0.2~0.3m Πs 的规范速度下选择的,因此在0.3m Πs 定义的减振器阻力值大体接近外特性第一个线性段的阻尼系数,它反映车辆在较好路面运行,路面低频激励工况,确保平顺性要求的减振器阻尼的匹配要求。
③开阀后阻尼系数C kh :决定于外特性的KK ′段。
它反映车辆在中间行驶频区工况下所需要的减振器匹配阻尼。
由于兼顾改善平顺性和安全性的需要,一般实施软阻尼,因此,C kh 变得较小。
这个工况下的激振频区的高限已接近车轮共振区,但尚未达到车轮共振区。
④阀最大开度下的阻尼系数C mk :减振器中的阀开度达到最大,再次形成固定通道节流。
它在外特性上指的是K ′K ″段。
这个线性段提供硬阻尼,抑制车辆在8~20H z 共振区的振动,以适应车辆行驶安全性的阻尼匹配需要。
通常车辆发生悬架击穿的极限速度在1.0m Πs 左右,也可能高于这个极限。
因此,这个线性段的阻尼系数,要足以实施保证安全需要的阻尼。
⑤平(顺性安(全性比η:定义为减振器开阀阻尼系数和最大开度下的阻尼系数的比值,即η=C k ΠC mk 。
平安比可以定性和定量地对悬架外特性作出评价。
趋于轿车设计结构的,其外特性的平安比应相对高一些;而趋于赛车设计结构的,平安比则应当相对低一些。
在给定的行程和频率条件下,与一个非线性减振器相比,吸收同样能量的线性减振器的线性阻尼系数,称为等效线性阻尼系数。
用它可以解决非线性减振器如何用等效方法引入线性阻尼系数的计算即量化问题。
3悬架减振器的外特性设计由反求验算可知道,减振器在0.3m Πs 和1.0m Πs 下的等效线性阻尼系数的平均值与0.52m Πs (或0.68m Πs 下的等效线性阻尼系数相等;且0.52m Πs (或0.68m Πs 反映车辆平顺性与安全性的折中考虑,故可认为减振器阻尼系数是0.52m Πs (或0.68m Πs 下的等效线性阻尼32第22卷第6期韦勇等:汽车减振器阻尼系数与悬架系统阻尼比的匹配系数。
如前所述,实际减振器的外特性是分段线性和渐增的,因此在进行外特性设计时,必须同时提出外特性定义在0.3m Πs 速度下的阻力值(接近开阀参数和1.0m Πs 的双向阻尼比(接近最大开阀参数的明确指标(实际确定了平安比η指标。
汽车常用的减振器,在0.3m Πs 和1.0m Πs 下,压缩行程和复原行程阻力值之比分别为b s 0.3=P y 0.3ΠP f 0.3, b s 1.0=P y 1.0ΠP f 1.0(2由工程实践经验可知,一般地,b s 0.3取0.25~0.35,而b s 1.0取0.50~1.0。
根据减振器外特性的三段线性特性,即开阀前、开阀后和开阀到最大的三段阻尼系数分别设定为复原行程C fk 、C fkh 、C fmk ,压缩行程C yk 、C ykh 、C ymk ,则有C fk =P f 0.3v 0.3, C yk =P y 0.3v 0.3, C fkh =P f 0.52-P f 0.3v 0.52-v 0.3, C ykh =P y 0.52-P y 0.3v 0.52-v 0.3(3根据能量等效,可知12Cv 20.52=12C fk v 20.3+12C yk v 20.3+12C fkh (v 20.52-v 20.3+12C ykh (v 20.52-v 20.3(4由上述各式可计算出与等效线性阻尼系数匹配的0.52m Πs 的阻尼值。
由开阀到最大时的阻力值为P f 1.0=P f 0.3+C fkh (v 1.0-v 0.3,P y 1.0=P y 0.3+C ykh (v 1.0-v 0.3(5同理可导出复原行程与压缩行程时速度最大时的最大阻力值、最小阻力值及平均阻力值的计算式。
4某车型原样车的阻尼比匹配分析和改进设计某车型原样车的减振器参数及悬架阻尼比匹配如表1所示。
显然,前后减振器的双向阻尼比b s 0.3值偏大,已达到b s 1.0的要求。
因此,原样车是硬悬架,平顺性较差。
前悬架系统的平均阻尼比在0.4~0.5之间,后悬架系统的平均阻尼比在0.3~0.46之间,悬架系统阻尼比偏大。
仅当满载且悬架刚度取41kN Πm 时为0.25。
道路随机输入行驶试验的结果表明,该车型的平顺性评价指标低于国家标准的限值。
为了改善平顺性,对该车型悬架参数进行了改进设计,前后减振器改进参数如表2所示。
表1原减振器参数及悬架阻尼比匹配参数前悬架后悬架空载时簧上质量(满载时簧上质量Πkg 354.14Π2(584.14Π2270Π2(690Π2簧下质量Π满载质量65.85Π0.11275110Π0.1594悬架刚度ΠkN ・m -131~4131~410.3m Πs 下的复原阻力Π阻尼系数980Π3266.67803Π2676.670.3m Πs 下的压缩阻力Π阻尼系数490Π1633.33333Π11100.3m Πs 下的平均阻力Π平均阻尼系数735Π2450568Π1893.3压缩阻力与复原阻力的比值b s0.30.5000.417复原行程阻尼比:空载Π满载0.6973(0.6063Π0.5429(0.4720.654(0.569Π0.409(0.356压缩行程阻尼比:空载Π满载0.3486(0.3032Π0.2714(0.2360.2713(0.236Π0.170(0.148阻尼比等效平均值:空载Π满载0.523(0.4548Π0.407(0.3540.4625(0.403Π0.33(0.252注:表中括号内的值是悬架刚度为41kN Πm 时的情况。
42武汉汽车工业大学学报2000年12月表2前后减振器改进参数参数0.3m Πs 时0.52m Πs 时1.0m Πs 时前悬架系统阻尼比0.250.20—满载下平均阻尼系数155********复原行程阻尼系数Π阻尼系数2384.6Π7151851.5Π962.51142Π1142压缩行程阻尼系数Π阻尼系数715.3Π215555.5Π289571Π571后悬架系统阻尼比0.250.185—满载下平均阻尼系数16201210.0800复原行程阻尼系数Π阻尼系数2492.3Π7481861.6Π9681067Π1067压缩行程阻尼系数Π阻尼系数747.7Π224.3558.5Π290.5534Π5345结束语按比较理想的前后悬架阻尼比,对前后减振器阻尼系数进行了改进设计,同时将悬架刚度控制在31kN Πm 左右,达到了将原车型的硬悬架改进为比较理想的软悬架的目的。
在同等实验条件下,按G B 4970标准进行的平顺性随机输入行驶试验的结果表明,改进后的车型其平顺性评价指标超过了国家标准规定的限值,提高了该车型的平顺性。
采用被动悬架的车型,改善行驶平顺性是有限的,也比较困难,需要进行参数优化。
通过悬架结构的改进设计,如采用半独立悬架、半主动控制悬架,才有可能大幅度提高平顺性性能。
参考文献:[1]俞德孚.车辆悬架减振器的理论与实践[J ].兵工学报———坦克装甲车与发动机分册,1988(3:25227[2]叶勇全.车辆悬架减振器外特性非线性的等效线性计算[J ].兵工学报———坦克装甲车与发动机分册,1994(1:22224A Design to Make the Damp Coefficient of a V ehicle sAbsorber Suit the Damp R atio of a Suspension SystemWei Yong ,Yang Jie ,Rong YimingAbstract :A design for matching the damp coefficient of a vehicle ’s shock abs orber with the damp ratio of a suspension ,and the requirements and methods to design the shock abs orber of a suspension are presented.The matching of the damp co 2efficient with the damp ratio is analyzed in a practical example and the design for its improvement is given.Through a test ,it has been proved that the improved design is applicable.K ey w ords :shock abs orbers ;suspension system ;damp ratioWei Yong :Engineer ;Liuzhou Wuling Autom otive C o.LT D ,Liuzhou545007,China.[责任编辑:刘美玲]52第22卷第6期韦勇等:汽车减振器阻尼系数与悬架系统阻尼比的匹配。