第18卷增刊2 系统仿真学报© V ol. 18 Suppl.22006年8月 Journal of System Simulation Aug., 2006汽车减振器阻尼特性的仿真分析任卫群1, 赵峰1, 张杰1,2(1.华中科技大学CAD 中心, 湖北武汉 430074; 2.万向集团技术中心, 浙江杭州311215摘要:采用系统仿真方法及MATLAB 软件,建立汽车减振器的详细模型,并进行仿真研究。

模型能反映减振器的详细物理结构,如考虑油液特性影响、阀片刚度影响、摩擦力影响等。

模型经试验校验/阻尼特性计算精度达90%,模型精度能满足实际工程问题的需要。

经二次开发形成一套能进行参数化自动建模和仿真分析的软件系统,最终在汽车减振器设计过程中形成一套阻尼特性研究的系统完整的方法。

关键词:系统仿真;汽车减振器;阻尼特性中图分类号:TP 391.77 文献标志码:A 文章编号:1004-731X (2006 S2-0957-04Simulation on Damping Behavior of Vehicle Shock AbsorberREN Wei-qun 1, ZHAO Feng 1, ZHANG Jie 1,2(1. CAD Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Wanxiang Group Technical Center, Hangzhou 311215, ChinaAbstract: The system simulation method and the MATLAB software were used to build a detailed model of a vehicle shock absorber. The detailed structure includes in the model , such as the hydraulic properties, the valve stiffness and the friction force. The absorber model was validated using test data and the precision is above 90%, which can fulfill the engineering requirement . An automated modeling and simulation software package based on MATLAB was developed, which could support a systematic research of vehicle shock absorbers in its design.Key words: system simulation; vehicle shock absorbers; damping behavior引言目前汽车悬架中广泛采用双向筒式液压减振器提供悬架阻尼,其动力学特性对汽车操纵稳定性、平顺性等都有重大影响,因此减振器性能预测与设计方法改善已成为重要研究课题。

传统设计方法主要根据经验确定设计参数然后进行试验修正,采用结构参数不同的样机装备于要匹配的汽车,由试车员进行实车试验评价,这个过程须对减振器内部参数进行多次反复调整,并经多次试制与试验,这种完全依赖于样机实验的设计方法不但周期长、成本高,而且较难获得最优的减振器特性。

为克服上述方法缺点、减少减振器样机试制及实车试验费用、缩短开发周期,利用系统仿真技术进行减振器性能预测和设计优化已成必然趋势,其基本过程是基于减振器结构建立数学模型,经模拟分析得到阻尼特性,将此特性用于汽车系统动力学和振动分析,评价汽车的操纵稳定性、平顺性等性能,在此基础上对减振器特性和结构进行优化设计。

因此,采用系统仿真方法进行减振器研究的核心问题是建立准确反映减振器特性的模型,以便在设计阶段能准确预测减振器的阻尼特性。

收稿日期:2006-04-29 修回日期:2006-06-01基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2003AA001031; 国家自然科学基金(60574053作者简介:任卫群(1971-, 男, 湖北人, 博士, 副教授,研究方向为系统仿真、机械系统CAE, 汽车动力学与控制; 赵锋(1980-, 男, 湖北人, 硕士生, 研究方向为汽车动力学仿真; 张杰(1978-, 男, 湖北人, 博士生, 工程师, 研究方向为汽车动力学仿真。

汽车双向筒式液压减振器的仿真模型分为两类,一类是反映减振器外部特性的黑箱模型[1-2],包括恢复力映射方法、神经网络方法等,黑箱模型不能细致地反映减振器具体结构(如阀片具体参数调整对性能的直接影响,不能完全满足减振器模型作为性能预测工具的需要。

另一类是基于内部结构机理建模的详细物理模型[3-4],包含压力模型和阀片压力-流速特性,其中压力模型用一阶非线性微分方程表达流体可压缩性模型、确定不同的内部腔体压力,阀片的压力-流速特性可采用测力计试验辨识阀片参数后解析地确定、或由试验直接测定得到压力-流速数据、或采用计算流体动力学(CFD方法计算不同阀体元器件压力-流速特性。

国内有北京理工大学、清华大学等对减振器的阻尼特性进行了研究[5-6]。

因此,针对汽车双向筒式液压减振器的仿真研究,需要开发一套系统完整的减振器仿真模型,能详细反映减振器内部结构及参数,反映减振器内部结构(如阀片调整对减振器阻尼特性乃至整车性能的影响。

论文针对万向集团实际生产的减振器,采用系统仿真方法并基于MATLAB 软件,建立其阻尼特性仿真分析的模型;模型能反映减振器详细的内部结构及参数,如考虑流体密度随压强的变化,集成阀片刚度的有限元分析结果等;模型经过试验验证,其阻尼特性计算精度达90%,能满足解决实际工程问题的需要;最后在MATLAB 软件基础上开发参数化自动建模软件系统,形成汽车双向筒式减振器阻尼特性研究的系统完整方法,方便设计人员使用。

2006年8月系统仿真学报 Aug., 20061 减振器基本结构及工作过程万向集团实际生产的一种汽车双向筒式液压减振器,其实际结构如图1所示。

图1 汽车双向筒式液压减振器的实际结构上述基本结构中包含的减振器基本液力系统,主要有减振器油液、承载减振器油液的基本液力腔以及连通三个液力腔的基本阀系。

减振器油液,具有液体基本特性参数。

基本液力腔包括上腔(第I 腔,下腔(第II 腔和补偿腔(第III 腔。

基本阀系主要包括复原阀分总成和压缩阀分总成,复原阀分总成包括复原阀和流通阀,其主要开口部位包括复原阀片开口(A5_15、流通阀片开口(A19、阀座上两列常开的通孔(A20、A21,以及复原阀和流通阀在液力作用下变形造成的开口res A ,flow A ;压缩阀分总成包括压缩阀和补偿阀,其主要开口部位包括压缩阀片开口(A1_4、补偿阀片开口(A16、阀座上两列常开的通孔(A17、A18,以及压缩阀和补偿阀在液力作用下变形造成的开口comp A ,equ A 。

在减振器实际运动过程中,当减振器活塞向下运动时,油液从下腔(第II 腔流向上腔(第I 腔以及补偿腔(第III 腔,这时由于流体压力的作用使得压缩阀(A1_4打开、流通阀(A19打开;而当减振器活塞向上运动时,油液从上腔(第I 腔以及补偿腔(第III 腔流向下腔(第II 腔,这时由于流体压力的作用使得复原阀(A5_15打开、补偿阀(A16打开。

由于活塞向上和向下运动时流体运动的通路不同,造成所形成的阻尼力有所不同。

2 减振器阻尼特性的建模和仿真方法根据这种双向筒式减振器的结构和应用条件,在减振器模型建立过程中有以下基本假设:流经多孔口的流动是湍流流动,流动是准稳态的;忽略孔口处的液体容积;在液体集中的腔室容积内,压力瞬时均匀化,不考虑容积内的压力分布;忽略缸壁的柔性;忽略节流中的热量生成,不使用能量方程;忽略导向杆的泄漏面积。

根据这样的基本假设,着眼于基本液力系统及主要阀系的特性,进行适当抽象及简化,建立减振器的模型,如图2所示。

图2 汽车双向筒式液压减振器的模型上述模型中以一些基本物理量表征减振器油液、基本液力腔及基本阀系的特性,根据流体的基本物理规律进行压力、流量等的计算,最终得到减振器阻尼特性的变化规律。

仿真过程中,首先按时间流程计算每步长下的运动速度x&,继而进行各液压腔压强p 的预估(包括1p ,2p ,3p 预估。

然后计算各腔的流量(21−Q&,23−Q &或12−Q &,32−Q &,进而用质量守恒方程校核。

假设12−Q &,32−Q &,01−Q &,分别为下腔至上腔、下腔至补偿室、上腔至补偿室的油液瞬时容积流量,(21−Q&,23−Q &则反之,根据上腔和下腔的质量守恒,有: 11221112110(d V Q Q Q dtρρρρ−−−=−−&&& ((3212223321122−−−−+−+=Q Q Q Q dtV d &&&&ρρρρ (1 上述式中,若21p p >,则012=−Q &,021>−Q & 若12p p >,则021=−Q &,012>−Q & 若32p p >,则023=−Q &,032>−Q & 若23p p >,则032=−Q &,023>−Q & 粘性液体通过节流孔的流量与压差的关系一般可用下式描述:n dp A C Q /12(ρ∆=& (2 式中d C 是流量系数,A 是通流面积,p ∆是节流孔前后压差,ρ是流体上游密度,Q&是容积流量,n 是经验指数,一般取为1.75。

根据以上公式和计算过程,通过压强p 的修正和流量与压强计算的迭代,达到精确确定各腔压强的目的。

最后根据上面计算得到的各腔压强1p ,2p ,3p 的精确数值,计算得到总的阻尼力: ((12v sign F p A A p A F f r p p ⋅−⋅−−⋅= (3其中A p 为活塞面积,A r 为连杆面积,F f 为摩擦力。

根据以上公式得到运动速度与阻尼力间的对应关系。

完成所有步长下对应关系的计算,最后得到阻尼特性曲线。

2006年8月任卫群, 等:汽车减振器阻尼特性的仿真分析Aug., 2006以上的减振器详细模型,为能更准确地反映实际结构的特性,针对一些特殊问题进行了特殊处理。