（车辆工程专业论文）汽车减振器的结构分析与性能仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 减振器是悬架系统中的重要部件之一，它影响着整车的舒适性、操作稳定性、 安全性等重要性能。双筒液压减振器作为减振器中主流产品，改善其设计方法及 预测其性能一直是汽车减振器技术发展的主要课题。 传统的设计方法主要是根据经验确定设计参数，然后进行实验修正。这种完 全依赖于样机实验的设计开发方法不但周期长、消耗大，而且较难获得最优的减 振器特性。为克服上述方法的缺点，并缩短开发周期，利用c a d c a e 技术进行减 振器的设计开发己经成为必然的趋势。其基本过程是：基于减振器的结构建立数 学模型，并经模拟分析得到其阻尼力特性，将此特性用于汽车系统的动力学和振 动分析，以评价汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性、平顺性等性能，在此基础上对 减振器的特性和结构进行优化设计。该过程的核心问题是在设计阶段能够准确地 预测减振器的特性，也就是建立能够准确反映减振器特性的数学模型，并在此基 础上进行c a d 设计。 本论文对国内外减振器的研究现状、仿真水平等进行了分析，确定了仿真方 案。以汽车双筒式液力减振器为例，分析了各阀的内部结构和受力情况，利用流 体力学理论分别建立了其计算分析模型，分析了建模中需要考虑得一些因素，最 后建立了液压减振器的集总参数模型。介绍了m a t l a b 程序语言，并应用m a t l a b 语言对减振器的计算模型编制了计算程序，通过该程序可以绘制出减振器各种情 况下的阻尼特性曲线( 包括改变减振器的运动频率和各个阀片参数) ，并通过实验 验证了模型的正确性。对影响减振器性能的各种结构参数进行了分析讨论，为减 振器的设计提供指导。该模型可有效预测减振器的性能，缩短减振器的开发时间， 降低开发成本，提高减振器的自主开发能力。此外，本文运用实体建模软件u g 建立了减振器的参数化模型库，可以通过和m a t l a b 的数据交换，很方便的修改参 数库中的模型参数，快速生成减振器的工程图，大大缩短减振器的开发时间。 关键词：减振器仿真m a t l a b 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 而es h o c ka b s o r b e ri sa l li m p o r t a n tp a r to ft h es u s p e n s i o ns y s t e m i th a sg r e a t i n f l u e n c eo nt h ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c e ，s u c ha st h ee n t i r ev e h i c l ec o m f o r t a b l e n e s s ， t h eo p e r a t i o ns t a b i l i t y , s e c u r ea n ds oo n n ed o u b l eb a r r e l e dh y d r a u l i cs h o c k a b s o r b e ri st h em a i n s t r e a mp r o d u c to ft h es h o c ka b s o r b e r , i m p r o v e si t sd e s i g nm e t h o d a n df o r e c a s ti t sp e r f o r m a n c ea l w a y si st h ea u t o m o b i l es h o c ka b s o r b e rt e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n tm a i nt o p i c 1 1 l et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dd e t e r m i n e dt h ed e s i g nv a r i a b l em a i n l ya c c o r d i n g t oe x p e r i e n c e s ，t h e nr e l i e so nt h ee x p e r i m e n tt or e v i s et h e m t h i sk i n do fd e s i g n m e t h o dw h i c ht o t a ld e p e n do nt h et e s t si nt h ep r o t o t y p en o to n l yt h ec y c l el o n g ， c o n s u m e si nab i gw a y ，m o r e o v e ri sd i f f i c u l tt oo b t a i nt h em o s ts u p e r i o rs h o c k a b s o r b e rc h a r a c t e r i s t i c i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go ft h ea b o v em e t h o d ， a n dr e d u c e st h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，t a k eu s eo fc a d c a et e c h n o l o g yi nt h es h o c k a b s o r b e rd e s i g ni sb e c o m i n gt h ei n e v i t a b l et e n d e n c y i t su n i tp r o c e s si sm a t h e m a t i c a l m o d e l s e t t i n gw h i c hb a s e do nt h es h o c ka b s o r b e rs t r u c t u r e ，a n do b t a i n si t sd a m p i n g f o r c ec h a r a c t e r i s t i ca f t e rt h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，u s e st h i sc h a r a c t e r i s t i ci nt h e d y n a m i c so fa u t o m o b i l es y s t e ma n dt h ev i b r a t i o na n a l y s i s ，b ya p p r a i s e st h e a u t o m o b i l e o p e r a t i o ns t a b i f i t ya n dr i d e sc o m f o r t a b l e n e s s s m o o t h n e s sp e r f o r m a n c e a n ds oo n , t h e nc a r r i e so nt h eo p t i m i z e dd e s i g ni nt h es h o c ka b s o r b e rc h a r a c t e r i s t i c a n dt h es t r u c t u r eb a s eo nt h i sf o u n d a t i o n t h i sp r o c e s s sc o r eq u e s t i o ni sa c c u r a t e l y f o r e c a s tt h es h o c ka b s o r b e r sc h a r a c t e r i s t i ci nt h ed e s i g ns t a g e ，a l s oi st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lc a l l a c c u r a t e l yr e f l e c tt h es h o c ka b s o r b e rc h a r a c t e r i s t i c , a n d c a n j e so nt h ec a d d e s i g no nt h i sf o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r ，t o o kak i n do fa u t o m o b i l ed a m p e ra sa l le x a m p l e ，d i s c u s s e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cd a m p e rt h r o u g ha n a l y s i s i n ge a c hv a l v es l i c e s i n s i d ec o n s t r u c t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dl o a ds i t u a t i o n t h e nt o o ku s eo fm a t l a b l a n g u a g et op r o g r a ma n dc o m p u t eo nt h i sm o d e l ，d r a wt h ef e a t u r ec u l v c so ft h e d a m p e r ( i n c l u d i n gc h a n g et h el i q u i dd a m p e r sm o v e m e n tf r e q u e n c ya n de a c hv a l v e s l i c e sp a r a m e t e r ) i th a sb e e nv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t i no r d e rt of o r e c a s tt h e d a m p e r sc a p a b i l i t y ，s h o r t e nt h et i m eo ft h ee x p l o i t a t i o np e r i o d ，r e d u c et h ec o s to ft h e e x p l o i t a t i o n ，a n di m p r o v et h es e l f - a b i l i t yo ft h ee x p l o i t a t i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r h a se s t a b l i s h e dap a r a m e t e r i z e dm o d e ld a t a b a s ef o rd a m p e rd e s i g nw i t hu g ，w h i c hi s g o o da te s t a b l i s h i n g3 - dm o d e l ，a n dc o n v e n i e n tf o rc u s t o m e rt oc h a n g ea n da d j u s t e a c hv a l v es l i c e sg e o m e t r i c a ls i z eb a s e do nt h e m s e l v e sd e m a n db yt h ed a t ae x c h a n g e b e t w e e nm a t l a ba n du g k e yw o r d s ：d a m p e r s i m u l a t i o nm a t l b i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车减振器的作用 研究减振器在汽车中的作用必须先从悬架说起。悬架是汽车的重要总成之 一，它把车身与车轮弹性地连接起来，其主要任务是传递作用在车身和车轮之间 的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承 载系统的振动，以保证汽车平顺地行驶。 一般汽车的悬架主要由弹性组件、导向机构和减振器组成。弹性组件主要起 缓和路面冲击的作用。当汽车悬架中只有弹性组件而没有减振器时，汽车车身的 振动将会延长很长时间，使汽车的行驶平顺性和操纵稳定性恶化。为衰减车身和 车轮的振动，悬架总成中的减振器是必不可少的。 1 2 国内外汽车减振器的研究现状 减振器的发展经历了将近1 0 0 年的历史。最早的汽车减振器是采用悬架弹簧 来消除路面带来的冲击的，弹簧虽具有性能可靠的优点，但它不能吸收振动能量， 还易出现共振现象。后来，人们采用橡胶块和弹簧一起来吸收车辆产生的振动能 量，抑制车身振动，但它只能单向作用。 直n 1 9 0 8 年，法国的娩h a n d a l l l e 研制出了第一个实用的液压减振器。早期 的液压减振器是在传统的橡胶减振器的基础上改进而成的。它利用了液体通过节 流孔产生的阻尼力随流动速度的增减而增减的特性。即将橡胶制作成带有节流通 道的中空结构，用隔板将内腔分为上下两部分，其中充满部分或全部油液，通过 油液的流动所产生的阻尼达到衰减振动的目的。 2 0 世纪3 0 年代，摇臂式减振器被普遍采用。虽然摇臂式减振器具有工作稳定， 可靠性好；能够在比较大的工作压力( 1 0 2 0 m p a ) 条件下工作，但由于它的工作 特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大，且结构复杂，体积较大等原因而逐步 被淘汰。 6 0 年代，筒式减振器逐渐取代了摇臂式减振器。它具有工艺性好、成本低、 寿命长、质量轻等优点，主要零件采用了冲压、粉末冶金及精密拉管等高效工艺， 适于大批量生产。我国在2 0 世纪6 0 年代生产的b j 2 1 2 、b j 2 3 0 汽车上开始采用筒式 液压减振器，7 0 年代解放牌汽车也改用了筒式液压减振器。筒式液压减振器最初 采用双筒式结构，这种结构目前仍是悬架减振器中最常见的形式。其优点是工艺 简单、成本低廉，缺点是散热困难，且安装角度受到限制。双筒式减振器发展初 期没有在补偿室内设胃背压，而是依靠油液自身的重力和压缩负压在复原行程由 武汉理工大学硕士学位论文 补偿室流入压缩室。这类减振器的显著缺点是在高速工况下会出现补偿室向压缩 室充油不及时的问题，从而导致减振器工作特性发生畸变不但影响减振效果，还 会导致冲击和噪声。为了克服上述缺点，7 0 年代后期出现了充气式减振器。如在 双筒式充气减振器的补偿室内充入低压气体( 0 4 m p a - o 6 m p a ) ，以提高补偿室的 补偿能力，减振器的临界工作速度也相应提高了。与双筒式减振器相比，单筒充 气式减振器的质量显著减轻，安装角度不受限制，但其制造精度要求和成本较高。 2 0 世纪8 0 年代以来，计算机技术在汽车工程领域得到了广泛应用，特别是高 级轿车的智能化发展，光电传感器及超声波传感器在汽车技术发展方面发挥了巨 大作用，随激振高频和振幅调节阻尼的减振器出现，实现了减振器特性智能化可 调和实时可调，有力地解决了汽车乘坐舒适性与操纵安全性的矛盾。采用这种减 振器可有效防止汽车加速换挡和制动时车身的纵倾以及转弯时的侧倾，改善汽车 低速行驶时的乘坐舒适性，并保证汽车高速行驶时具有良好的车轮与地面的附着 性能。 9 0 年代，逐渐开始研究和出现了外特性可变的电流变液体减振器( e r f ) 和磁 流变液体减振器( m r f ) ，将整车舒适性提高到了最重要的地位。9 0 年代中期美国 人k p n i c h o l a s 等人以e r f 悬架样机进行的实车试验研究表明，采用这种新型阻 尼可调减振器能够降低车身加速度、车轮动载荷等指标，从而提高汽车的行使平 顺性和行驶安全性。目前这些技术尚不完全成熟，有关研究正深入开展。 目前，国内、外广泛使用的，制造工艺比较成熟完善的减振器仍是液压减振 器。我国已有几十年生产被动式简式液压减振器的历史，目前已有较大的生产规 模。但在减振器设计方面，我国还大都采用传统的反设计方法。即主要是根据经 验确定设计参数，然后进行实验修正。通常采用结构参数不同的样机装备欲匹配 的汽车，由试车员进行实车试验评价，往往须对减振器内部结构参数进行多次反 复调整和许多次的开发、实验，才能获得较满意的减振器特性。这种完全依赖于 样机实验的设计开发方法不但周期长、消耗大，而且较难获得最优的减振器特性。 为了克服传统设计方法的缺点。减少减振器样机试制及实车试验的费用，并 缩短开发周期，利用c a d 技术进行减振器的设计开发己经成为必然的趋势，其基 本过程是：基于减振器的结构建立模型并经模拟分析得到其动态特性，此特性用 于评价汽车操纵稳定性和乘坐舒适性平顺性等性能，再在此基础上对减振器的 特性和结构进行优化设计。该过程的核心问题是：在设计阶段准确预测减振器特 性，关键是建立基于减振器实际结构、流体性质参数的分析模型，并进行减振器 内部工作特性的数值模拟和优化设计。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外筒式液力减振器的性能仿真水平 减振器通常由活塞及活塞杆、流通阀、压缩室、复原室、补偿室、底阀等组 成。建立参数化模型时应针对各腔室和节流阀建立表述流体压力一流量等参数关 系的方程，然后根据流体质量守恒关系将各方程式联系起来。节流阀的特性对于 减振器的特性有决定性的影响。减振器内部的节流阀有弹性阀片组合型、弹性阀 片与螺旋弹簧组合型、板阀与螺旋弹簧组合型等。其弹性元件的变形与节流区域 流场之间存在着较强的动力学耦合关系，正确描述此耦合关系是建立减振器参数 化模型的关键。减振器的参数化模型可分为集总参数模型和等效参数化模型，目 前所建立的物理参数模型多属于集总参数模型。 l a n g 于二十世纪七十年代后期建立的某双筒式悬架减振器的集总参数模型 共包含8 3 个参数“。，用于研究减振器高频特性畸变问题。他采用简化的汽化和液 化模型描述工作腔室内混入气体发生的物理变化，利用模拟电路实现减振器特性 的仿真。 在集总参数模型中需要将阀的特性表达为阀的流量与阀两端压力差的函数 关系。通过各节流孔隙的流量与其两侧压力差的关系通常采用工程流体力学中的 半经验公式建立。压缩室和复原室的模型中须表达出腔室内油液压力与活塞运动 学参数之间的关系，通常要考虑油液的可压缩性，它是导致减振器速度特性出现 迟滞现象的重要原因。补偿室的模型则须表达出其内部油液压力与体积之间的关 系。如果考虑气体混入油液导致减振器特性发生畸变的问题，则需要建立各腔室 油气混合物发生物理变化引起压力一体积特性发生变化的模型。根据流体质量守 恒方程，将各腔室和节流阀的流量模型联系起来，构成完整的减振器模型。 8 0 年代末期，k a r a d a y i 和m a s a d a 认为l a n g 的模型虽然能够较好地表达减振器 的非线性特性，但过于复杂，不宜用于汽车系统动力学和振动仿真分析。为了建 立一种既能够表达减振器迟滞特性又较为简明的模型他们采用了将减振器等效 化为由弹性元件、阻尼元件、间隙及摩擦元件等组合成的力学模型。模型中不考 虑减振器的实际结构和内部工作过程。元件的力学特性既可以是线性的也可以是 非线性的，其组合系统能够表达出减振器的非线性动态特性。k a r a d a y i 的建模方 法为建立减振器的少参数非线性模型探索了一条有效的途径，但其模型仿真结果 仅在减振器的低频运动工况下能够与实验结果较好地吻合。 b e s i n g e r 和c o l e 等在9 0 年代中后期将这种建模方法应用于重型车辆悬架减 振器的建模，采用了非线性的弹性和阻尼元件，其模型仿真结果在活塞运动频 率小于1 0h z 、速度小于l m s 的范围内与实验测试结果吻合得较好。 图卜1 是采用具有不同力学特性的物理元件组合而成的几种等效参数化模 型： 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( e l c 十k c l o ) c 十k 十掣 ( c ) c + k t + e 图卜l 减振器的几种等效参数化模型 ( a ) 仅由线性弹性元件和线性阻尼元件串联而成；( b ) 则增加了一个摩擦元 件；( c ) 在( b ) 的基础上增加了一个问隙元件。等效参数化模型中的物理元件与影 响减振器特性的实际因素之间具有一定的对应关系：弹性元件对应于节流阀系弹 性元件、油液或油气混合物的可压缩性、缸筒的弹性以及减振器两端连接铰链的 橡胶衬套的弹性等综合作用的效果；阻尼元件对应于油液流经节流孔隙产生的阻 尼作用；摩擦元件对应于运动副之间的摩擦；间隙元件对应于节流阀和油液的运 动滞后以及减振器运动方向改变时可能出现的空程。模型中各物理元件的参数值 可由实验测量数据拟合。 针对不同的减振器可采用不同的元件组合，取不同的元件力学特性参数建立 模型。当摩擦力影响较为显著时，如对于承受侧向力的减振器，应采用( b ) 和( c ) 所示的组合。对于商用车辆悬架减振器，摩擦和间隙影响不显著，采用( a ) 所示 的模型也能达到较高的精度。需要指出的是，减振器的阻尼特性在不同工作速度 和不同激振频率下的非线性特征是有较大区别的，通常随节流阀的开启状态呈现 明显的二个阶段，随激振频率的增加迟滞现象增强。因此低频低速工况下元件力 学特性参数的取值往往不适于高频高速工况。可根据减振器的实际阻尼特性选取 力学元件，根据具体工况进行参数拟合，这也是等效参数化建模中的难点问题。 在建立等效参数模型时，弹性元件的弹性系数、阻尼元件的阻力系数等须由 实验测试得到。由此建立的模型大多利用实验测试结果来获得部分或全部模型参 数，因此不便于在设计阶段预测减振器特性。 在减振器建模和仿真分析领域，国内有些学者建立了一些简化的参数化模型 和等效参数化模型。但建立的物理参数模型中对减振器的实际结构做了较 大简化，也未深入考虑介质工作温度、摩擦力等因素的影响。文献 5 采用固一 液耦合有限元方法对底阀压缩阀的节流特性进行了模拟计算。复原阀、压缩阀采 用了滑阀结构，易于采用液一固耦合有限元方法直接求解其压力差一流量特性。求 解结果总体与测试结果吻合较好，但由于复原阀、压缩阀节流孔隙的形状复杂， 建立固一液耦合模型时进行了适当的结构简化，导致产生了一定的误差。而且同 4 武汉理工大学硕士学位论文 时计算多个串联的耦合模型对计算机的要求很高，目前的计算机性能尚不能充分 满足，因而此种建模方法还依赖于计算机性能的进一步提高。对于有关减振器等 效参数化模型的研究主要是将国外的建模方法应用于国产汽车悬架减振器的建 模。 本文对减振器建立了集总参数的参数化模型。 1 4 本课题的主要内容及意义 本论文首先对减振器的结构进行分析，建立了减振器性能仿真的数学模型， 并通过仿真绘制出了减振器的外特性曲线，在此模型基础上分析了各参数对减振 器性能的影响，最后建立了减振器的参数化模型库。在工作中主要是根据流体力 学理论对减振器各阀的节流特性进行了分析，并使用m a t l a b 语言进行编程，以计 算减振器在不同活塞速度下的阻尼力，以及在给定活塞行程和减振器频率条件下 的示功图以及速度一阻力特性图。然后将仿真曲线与实验获得的曲线进行了比较。 再改变减振器的各参数，得到不同参数下的示功图和减振器的速度一阻力图，从 而分析各参数对减振器性能的影响。此外，本文运用实体建模软件u g 建立了减振 器的参数化模型库，可以通过和m a t l a b 的数据交换，很方便的修改参数库中的模 型参数，快速生成减振器的工程图，大大缩短设计时间。 本论文模拟了减振器的实际运动过程，做出了阻力特性曲线，能有效的预测 减振器的性能。设计者根据需要调整各零件的几何尺寸，并通过模拟出的示功图 和速度特性曲线图来达到改进减振器性能的目的。这便于设计人员对原有产品进 行优化和改良。同时本文建立了减振器的参数化模型库，可以大大缩短减振器的 开发时间，降低减振器的开发成本，这对减振器的自主研制，主动开发具有十分 重要的现实意义。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章减振器概述 2 1 减振器的分类 就所有减振器而言，按附加阻尼的不同性质可以分为：固体减振器、液体减 振器，磁阻尼减振器以及冲击减振器等。而汽车所用的减振器，随着时代的发展， 大体经历了干摩擦式减振器、鼓式减振器、臂式减振器、双筒液压减振器和单筒 充气式减振器的发展阶段。由于种种明显的缺陷，前几种减振器己经被淘汰。目 前，国内多采用双筒液压减振器，国外已用充气式减振器。 本文以s a n t a n a 2 0 0 0 前减振器为例，主要研究双筒液压减振器。 2 2 筒式液力减振器的工作原理 f 7 1 液力减振器的作用原理是，当车架与车桥做往复相对运动时，减振器中的 活塞在缸筒内也作往复运动，于是减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过 一些窄小的孔隙流入另一内腔。此时，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便 形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，被油液和减振器壳 体所吸收，然后散到大气中。 双向作用筒式减振器一般具有四个阀( 如图2 - 1 ) ，即压缩阀、伸张阀( 又 称复原阀) 、流通阀和补偿阀。流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很弱。 但弹簧上的油压作用力与弹簧力同向时，只要有很小的油压，阀便能开启；压缩 阀和伸张阀是卸载阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压升高到一定程度时， 阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀即自行关闭。 筒式液力减振器的工作原理可按图2 - 1 ，分为压缩和伸张两个行程加以说明。 压缩行程当汽车车轮滚上凸起和滚出凹坑时，车轮移近车架( 车身) ，减 振器受压缩，减振器活塞3 下移。活塞下面的腔室( 下腔) 容积减小，油压升高， 油液经流通阀8 流到活塞上面的腔室( 上腔) 。由于上腔被活塞杆l 占去一部分空 间，上腔内增加的容积小于下腔减少的容积，故还有一部分油液推开压缩阀6 ， 流回储油缸筒5 。这些阀对油液的节流便形成对悬架压缩运动的阻尼力。 伸张行程当车轮滚进凹坑或滚离凸起时，车轮相对车身移开，减振器被拉 伸。此时减振器活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀8 关闭。上腔内的油 液便推开伸张阀4 流入下腔。同样，由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液还不 足以充满下腔所增加容积，下腔内产生一定的真空度，这时储油缸筒中的油液便 推开补偿阀7 流入下腔进行补充。此时，这些阀的节流作用即形成对悬架伸张运 动的阻尼力。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 筒式液力减振器的示意图 1 、活塞杆2 、工作缸筒3 、活塞4 、伸张阀5 、储油缸筒6 、压缩阀 7 、补偿阀8 、流通阀9 、导向座1 0 、防尘罩1 1 、油封 压缩阀的节流阻力应设计成随活塞运动速度而变化。例如，当车架或车身振 动缓慢时，油压不足以克服压缩弹簧的预紧力而推开阀门。此时，多余部分的油 液便经一些常通的孔隙( 图上未画出) 流回储油腔。当车身振动剧烈，即活塞向 下运动的速度高时，则活塞下腔油压骤增，达到能克服压缩弹簧的预紧力时，便 推开压缩阀，使油液在很短的时间内通过较大的通道流回储油缸筒。这样，油压 和阻尼力都不至超过一定限度，以保证压缩行程中弹性元件的缓冲作用得到充分 发挥。 同样，伸张行程中减振器的阻尼力也应设计成随活塞运动速度而变化。当车 轮向下运动速度不大时，油液经伸张阀的常通孔隙流入下腔，由于通道截面积很 小，便产生较大的阻尼力，从而消耗了振动能量，使振动迅速衰减。当车身振动 剧烈时，活塞上移速度增大到使油压足以克服伸张阀弹簧的预紧力时，伸张阀开 启，通道截面积增大，使油压和阻尼力保持在一定限度以内。这样可使减振器及 悬架系统的某些零件不会因超载而损坏。由于伸张阀的刚度和弹簧预紧力都比压 缩阀大，在同样的油压力作用下，伸张阀及相应的常通缝隙的通道截面积总和小 于压缩阀及相应的常通缝隙的通道截面积总和，这就保证了减振器在伸张行程内 产生的阻尼力比压缩行程内产生的阻尼力大的多。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 筒式液力减振器的基本结构 根据上述工作原理所设计的各种双向作用筒式液力减振器的结构都大同小 异。 图2 2 桑塔纳2 0 0 0 前减振器的结构图 1 一活塞杆2 一密封装置3 一导向座4 一缓冲垫5 一限位套6 一储油缸7 一工作缸 8 一补偿阀限位座9 一补偿阀弹簧1 0 一补偿阀阀片1 l 一压缩阀座1 2 一压缩阀片 1 3 一压缩阀限位片1 4 一压缩阀杆1 5 一流通阀挡板1 6 一流通阀弹簧1 7 一流通阀片 1 8 一活塞1 9 一活塞环2 0 一复原阀缺口垫片2 1 一复原阀片2 2 一复原阀垫片 2 3 一复原阀2 4 一复原阀轴套2 5 一复原阀弹簧2 6 一复原阀螺母 图2 2 为桑塔纳2 0 0 0 的前减振器的总装图。它有两个同心钢筒：储油缸筒6 和工作缸筒7 。工作缸筒置于储油缸筒内，并用螺母通过密封装置2 和导向座3 压 紧。储油缸筒与工作缸筒之间形成储油腔，内装减振液，但不充满，工作缸筒内 部充满减振液，在减振器工作过程中，这两个缸筒作为一个整体一起运动。活塞 杆穿过工作缸筒和储油缸筒的密封装置及导向座伸入工作缸内，活塞杆的下端用 复原阀螺母2 6 固定着活塞1 8 。活塞的头部有内外两圈沿圆周均部的轴向通孔，外 圈9 个孔的直径大于内圈3 个孔的直径。在活塞头部的上端面上，有仅能盖住外圈 通孔的流通阀片1 7 ，用流通阀弹簧1 6 压紧，并由流通阀挡板1 5 限位。在活塞头部 的下端面上有圈凸台，复原缺口垫片外圈均部7 个径向的矩形缺口，当它被复原 阀片压在活塞的凸台上时便形成了7 个矩形槽，该槽即为常通的缝隙，在压缩和 伸张行程中减振液均可通过此槽流动。在复原阀2 3 和复原阀螺母2 6 之间装有复原 阀垫片2 2 ，用来调整复原阀弹簧的预紧力。在工作缸筒下端装有压缩阀座1 1 ，阀 座的上端面上有两个凸台，内圈凸台比外圈凸台低，当补偿阀片1 0 被补偿阀弹簧 9 压在凸台上时，便和内圈凸台有一个间隙，这便是底阀的常通通道。压缩阀片 1 2 被压缩阀杆1 4 通过压缩阀限位座1 3 压在底阀下端面上。 工作缸筒的上部装有密封装置和导向座。密封装置由橡胶体、骨架和弹簧组 8 武汉理工大学硕士学位论文 成，导向装置由导向器和导向器轴套组成，为活塞导向。当活塞杆往复运动时， 杆上的油液被密封件刮下，经导向座上的径向小孔流回储油缸。 2 4 减振器的内外特性 减振器的阻尼力主要靠活塞阀系统和底阀系统上的各个阀门相互配合、协调 动作以及结构上必要的工艺保证产生的。 减振器的内特性是用工作液作用于阀系形成的压力差( | p ) 和通过阀系的流 量( q ) 的关系来表征的，即： p - ，( q ) 在双筒液力减振器中，阻尼力主要由以下几部分组成： ( 1 ) 常通孔节流阻力 在各阀打开之前，油液流过横截面积不变的小孔产生的阻力。小孔在结构上 有多种实现形式，如复原阀片上的缺口，底阀上的内圈凸台和压缩阀片之间的间 隙等。 ( 2 ) 油液泄漏产生的阻力 活塞和缸筒之间、连杆与导向器之间的缝隙中有工作液泄漏，也产生一定的 节流阻力。这部分受工作液温度影响很大，设计时应避免这种泄漏。 ( 3 ) 各阀对油液的阻力 即各阀开阀后对油液产生的阻力作用。 减振器的外特性是指减振器伴随( 相对) 运动的位移或者相对运动的速度，与 相应产生的工作阻力之间的关系，通常指的是示功图和速度特性。作为减振器的 性能，示功图和速度特性的品质决定了它与悬架系统的匹配质量。 减振器的内特性是以外特性的技术要求为依据的，并有一定的结构措施来保 证，而外特性是内特性的直观表现。减振器的内外特性是相辅相成的，外特性是 由内特性来实现和保证的。不同的减振器具有不同的内特性，也就使减振器表现 出各种各样的外特性，以满足不同的需要。减振器的结构设计是否合理，都是先 取得外特性曲线，再根据外特性，反映内特性的关系、工作特性的品质，识别判 断出结构设计或工艺上的问题：结构措施是内特性的保证，结构设计或工艺上的 某种缺陷，往往导致这样或那样的内特性和外特性畸变。 减振器的性能常用阻力一位移( f s ) 特性和阻力一速度( f v ) 特性来表示。阻力 一位移特性是用来表示减振器在压缩和复原行程中的阻力和位移关系的曲线图。 该特征曲线如图2 3 ( a ) 所示是一封闭曲线，基线以上为伸张行程，基线以下是压 缩行程，从这个图中可以直接得到减振器复原时或压缩时的最大阻力值，以及减 振器一个全行程所做的功( 即封闭曲线以内的面积) 。因此，又称之为减振器的示 功图。但是用这一图形还不能充分反映振动速度( 常用减振器中活塞的速度来代 9 武汉理工大学硕士学位论文 表) 变化时减振器阻力的变化规律，因此尚需要用阻力一速度特性才能清楚地描 述这一变化规律。图2 3 ( b ) 为图2 3 ( a ) 相应的阻力一速度特性，在此图上可 清楚地看到压缩和伸张两行程中，阻力随速度变化的规律，并可从此图上确定减 振器的阻力系数。 f 压碧行程 一万一 ：伸新程一i v ( m a )b ) 图3 - 2 阻力一位移特性及其对应的阻力一速度特性 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章减振器的建模及仿真 3 1 模拟计算中的一些假设 以下是减振器建模、仿真的假设条件： ( 1 ) 假设活塞环与工作缸、活塞杆与导向套之间不产生油液的泄漏。如果活 塞杆与导向套之间配合适当，则按流体动力润滑理论建立的油膜压力可足以实现 密封。而活塞杆存在阶梯形开口，工作油可绕过环背产生泄漏；若活塞环缺乏初 始弹性，则在环背压力不足时，因其适圆性不够，故在环的外周上会产生多处泄 漏点。这些由于环的密封性能不佳而造成的泄漏会影响计算结果的精度。 ( 2 ) 在减振器一个工作循环内，即一个复原、压缩工作过程中，减振器内的 油液温度保持不变。即在每个工作循环之间温度呈非线性上升，而在每一个特定 的工作循环内，温度作为一恒量，这样可以简化计算模型的复杂程度，尽量减少 温度带来的误差。 ( 3 ) 不计压力变化而引起系统刚性构件弹性变形；不计温度变化而引起系统 构件的变形。由于减振器的工作腔内压力很大，且在不断变化，因而系统刚性构 件弹性变形情况极为复杂，在本文中忽略这些变形情况；从车身和车架的振动能 量转化而来的热能使油液和减振器壳体升温，本文也忽略这些因温度引起的变 形，把整个系统看成保持理想状态。 ( 4 ) 忽略不计节流过程中产生油气泡所耗用油液的质量。按减振器正常工作 所处的温度，油蒸汽密度与油液密度相比是极小的，故可忽略不计。 ( 5 ) 积累于工作腔中的油气泡体积变化可忽略不计。气体的可压缩性远远大 于油液。但因测量减振器阻力特性曲线大多用正弦波激振，最大阻力值在行程中 点处测得，此时速度变化率为零。不计滞后影响，此时通过活塞、底阀的流量变 化率以及各腔压力变化率都为零。而压力无变化时，油气泡体积变化率也应该为 零。如果测试阻力特性的激振波形不为正弦波，则另当别论。 ( 6 ) 因减振器内工作油的重力势能远小于其动能及压力势能，故不计工作油 的重力势能的影响。 ( 7 ) 某一瞬时，被研究的封闭区域内压强为恒量，但随着减振器工作行程的 不断改变，压强也在不断改变。 ( 8 ) 除了阀体上的小缺口、节流片上的小圆孔、螺旋弹簧所支撑的平板阀及 圆环簧片构成的板簧阀所产生的压力降之外，别处的流体能量损失忽略不计。 上述假设所产生的误差较小，为计算方便，减少变量数，这些误差忽略不计。 若以上假设所产生的误差与实验结果相差较大，应将误差以及计算公式应用成现 武汉理工大学硕士学位论文 成流体力学实验结果所产生的误差，一并汇合成误差盐线，供反推、预测零件结 构参数改变所引起减振器阻力特性曲线变化时作校正之用。 3 2 在模拟计算中应用到的流体力学知识 根据流体力学理论知识8 | ，当小孔的流通长度z 与孔径d 之比s 0 5 时，称 为薄壁小孔流。通过薄壁小孔的流量可以由下式求得： 污一 q i c q 叫j 亏p ( 3 - 1 ) 其中：q 一为流经薄壁小孔的流量； c 日一为流量系数；一般取c g = o 6 2 0 6 3 ； 4 一为孔口截面积； p 一为油液密度； p 一为薄壁小孔两端的压力差； 当小孔的流通长度z 与孔径d 之比，4 时，称为细长小孔流。通过细长小 孔的流量可以由下式求得： q = 旦生p (32)128 f d 。 其中：q 一为流经细长小孔的流量； d 一为细长小孔的直径； 一为液体的动力粘度； f 一为细长小孔的通流长度； p 一为细长小孔两端的压力差： 当小孔的流通长度z 与孔径口之比o 5 c s 4 时，称为管嘴流动。管嘴流动 可以由下式表示： 厂 q = c ，爿，- p ( 3 3 ) vp 其中：q 一为流经管嘴的流量； c ，一为流量系数；一般取为e = 0 8 2 ； 4 一为孔口截面积； p 一为油液密度； p 一为流经管嘴两端的压力差； 当液流空间的高度比长度( 流动方向) 和宽度小的多时，就称为缝隙流动。缝 隙流动可以由下式表示： q 。堡p( 3 4 ) 1 2 1 、 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 其中：q 一为流经缝隙的流量； 占一为缝隙的宽度； 6 一为缝隙的高度； 口一为液体的动力粘度； z 一为流通长度； p 一为流经缝隙的压力差； 3 3 建立减振器的物理模型 减振器阻尼力，是由在减振器振动时间历程之内的压力降所决定的。在对减 振器建立计算模型时，通常将各阀看成为常通道的流动和卸荷阀的组合。活塞的 流通阀和底阀的补偿阀是单向阀，阻力主要由弹簧阀片和螺旋弹簧提供，通常这 个力值都很小。在活塞和底阀上还开有若干个常通的小孔，它们的作用是在减振 器受到小负荷、高频率振动时提供压力降。活塞上的复原阀和底阀上的压缩阀， 是由压力弹簧和阀片控制的压力阀，只有在压力达到一定值时才会开启和上浮， 复原阀和压缩阀主要是在紊流状态下产生很大的压力降。 当活塞杆及活塞总成向上运动时( 复原行程) ，油液通过活塞总成的常通孔或 复原阀( 当油压足够高时) 从工作缸活塞杆腔流向工作腔，由于活塞杆体积的存 在，从活塞杆腔流向工作腔的油液不足以补充工作腔的体积变化，一部分油液便 会通过底阀上的补偿阀和常通孔从贮油筒流向工作腔。在油液流过所有这些阀和 孔时，都会产生压力降，从而消耗大量能量，迅速衰减振动。 当活塞杆及活塞总成向下运动时( 压缩行程) ，油液通过活塞总成的常通孔和 流通阀，从工作腔流向活塞杆腔，由于活塞杆体积的存在，从工作腔流向活塞杆 腔的油液量大于活塞杆腔的体积变化，一部分油液便会通过底阀上的常通孔或压 缩阀( 当油液压力足够高时) 工作腔流向贮油筒。在油液流过所有这些阀和孔时都 会产生压力降，从而消耗掉能量。由于活塞杆和工作缸之间的相对速度的变化， 使得作用在活塞上的力也是变化的。 图3 1