（车辆工程专业论文）车用可调阻尼减振器的研制.pdf

西华大学硕士学位论文 车用可调阻尼减振器的研制 车辆工程专业 研究生郭洋指导教师陈狲 汽车振动是影响汽车性能的重要因素，这种振动会严重地影响汽车的平顺 性和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命。车辆的减振一般有三个环节：即 轮胎、悬架和座椅。其中起主要作用的是悬架系统。 目前在国内汽车广泛应用的是传统的被动悬架，被动减振器。传统的被动 悬架减振器的阻尼系数和弹簧刚度是固定的，不能起到良好的减振作用。随着 现代电子技术的发展，出现了主动和半主动悬架。虽然主动悬架理论上能够获 得一个优质的隔振系统，实现理想悬架的控制目标。但是其能耗大，成本高， 结构复杂。半主动悬架解决了传统被动悬架存在的舒适性与稳定性的矛盾，其 在控制品质上接近主动悬架，但结构简单，价格相对便宜，除驱动电机或电磁 阀需要消耗能量外，不需要提供额外的附加电源。可调阻尼减振器是半主动悬 架的核心部件。它的好坏将直接影响汽车的平顺性，本课题的主要目的是开发 一种效果良好，价格适宜的半主动悬架可调阻尼减振器，使其能够产生多种阻 尼力，适合多种工况下应用。 本课题首先对阻尼系数的分析入手，建立七自由度的整车模型，对其输入 典型信号及路面谱，分析阻尼系数对整车平顺性的影响，找出其变化趋势。然 后根据四分之一车体的动力学模型及悬架阻尼比选取的原则，计算出减振器阻 尼系数的变化区同。确定可调减振器的初步结构，应用液压力学公式，确定不 同档位阻尼孔的直径，然后应用m a t i _ a bs 小舢( 软件对其进行建模和仿 真，绘制仿真的速度特性和示功特性曲线。 本课题研制的可调阻尼减振器采用步进电机作为动力输入源，减振器设计 为可拆卸结构，便于更换调节阻尼的各部分达到不同阻尼的试验目的。减振器 西华大学硕士学位论文 基体为双筒式结构，采用转阀方式调节减振器内部的液体流通孔径，从而达到 调节阻尼系数的目的。应用u g 软件设计并绘制可调阻尼减振器各部件的三维 数字模型，确定各部件的尺寸后对其进行虚拟装配，验证减振器各部件值及装 配的可行性。查找机械手册确定各处的装配尺寸，应用c a d 绘制二维加工图 纸，进行加工并装配。 应用试验台对可调阻尼减振器进行试验，按照减振器的试验标准采用正弦 波的激励方式，取多组试验结果的平均值作为试验结果，与仿真结果进行对比， 表明方案可行，并为以后的研究提供了理论数据。 关键词：悬架，平顺性，可调阻尼，减振器，模型，试验 西华大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o fy e h i c l ea d j u s t a b l ed a m ps h o c k a b s o r b e r v e h i c l ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g u oy a n gs u p e r v i s o r c h e nc h o n g a ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi m p a c ta u t o m o b i l ep e r f o r m a n c ei sv i b m t i o n , a n d v e h i c l er i d i n ga n dh a n d l i n gs t a b i h t yp e r f o r m a n c ea n dt h ef a t i g u el i f eo fa u t o m o t i v e c o m p o n e n t si si m p a c t e db a d l yb yt h ev 如r a t i o n t h e r ea r et h r e ep a r t sw h i c hd a m p v i b r a t i o n ：t h ew e , s u s p e n s i o na n dt h es e a l1 1 圮s u s p e n s i o ns y s t e me x e r tm o s t l y e f f e c t a tp r e s e n t , t h ec o n v e n t i o n a lp a s s i v e n e s ss u s p e n s i o na n dp a s s i v e n e s ss h o d a b s o r b e ri sa p p l i e de x t e n s i v ea th o m e d a m pm o d u l u sa n ds p r i n gi i g i o i t yo f c o n v e n t i o n a lp a s s i v e n e s ss u s p e n s i o ns h o c ka b s o r b e ri sf i x e d w h i c hc m te x e r t b e n i g nd a m pa c t i o n 。a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o nt e c h n i q u e , i t a p p e a r si n i t i a t i v ea n dh a l fi n i t i a t i v es u s p e n s i o ma l t h o u g hi n i t i a t i v es u s p e n s i o n n o b t a i na l lw o o la n day a r dw i d es e p a r a t ef l a ps y s t e mt h e o r e t i c a l l y , i tr e a l i z e st h e c o n t r o la i mo fp e r f e c ts u s p e n s i o n b u tt h ee n e r g yc o s tg r e a t , t h ec o s th i g ha n dt h e s l r u c t u r ec o m p l e x 1 l a l fi n i t i a t i v es u s p e n s i o ns c u l e st h ec o u l t i ao fc o n v e n t i o n a l p a s s i v e n e s ss u s p e n s i o ne x i s t e n tc o m f o r ta n ds t a b i l i t y ，w h i c hi sc l o s e dt oi n i t i a t i v e s u s p e n s i o ni nt h ec o n t r o lq u a l i t y ，b u tt h es l m c t u mi ss i m p l e , t h ep d i sc h e a p e r , e x c e p td r i v ee l e c t r i c a la n de l e c t r o m a g u e f i s mc l i q u en e e dc o u s u m ee n e r g y , w h i c h h a v en ou s ef o rp r o v i d ea d d i t i o n a la n n e x p o w e rs u p p l y , a d j u s t a b l es h o c ka b s o r b e ri s t h ec o r eo fh a l fi n i t i a t i v es u s p e p s i o n ，w h i c hs t a n do rf a l lw i l ls t r a i g h ta f f e c tt h er i d e c o m f o r t 1 色em o s t l ya i mo ft h i st h e s i ss t u d yah a l fi n i t i a t i v es u s p e n s i o ns t l o c k a b s o r b e ro fe f f e c tb e t t e ra n dt h ep r i c ef e a s i b l e , 噼i t 锄b r i n gm a n i f o l dd a m p f o r c e , w h i c hf i tm a n i f o l ds t a t u st oa p p l y m 西华大学硕士学位论文 f i r s t ，t h et h e s i sa n a l y z et h ed a m pm o d u l u s ，e s t a b l i s ht h ee n t i r ev e h i c l e sm o d e l w i t hs e v e nd e g r e e so ff r e e d o m ，a i ma tt h ei m p o r ts i g n a la n dr o a dc h a r t ，a n a l y z et h e i n f l u e n c eo fd a m pm o d u l u st oe n t i r ev e h i c l e sf i d ec o m f o r t ，a n df i n dt h ec h a n g e c u r r e n t 。t h e nb a s et h ed y n a m i c sm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo fs u s p e n s i o nd a m pt a t i o c h o o s eo fq u a r t e ro fb o d y w o r k , a n dw o r ko u tt h ec h a n g es p a c eo fs h o c ka b s o r b e r d a m pm o d u l u s e n s u r et h ef i - i n g es t r u c t u r eo fa d j u s t a b l es h o c ka b s o r b e r , a p p l yt h e h y d r a u l i cp r e s s u r ef o r m u l a e ，e r l s u r cd i f f e r e n tl o c a t i o nd i a m e t e r o fd a m p i n gb o r e ，a n d a p p l ym a t l a bs i m u l i n ks o f t w a r et om o d e l i n ga n de m u l a t e , p r o t r a c te m u l a t o r s p e e dc h a r a c t e r i s t i ca n dc h a r a c t e r i s t i cc n r v e t h et h e s i sd e v e l o pt h ea d j u s t a b l es h o c ka b s o r b e rw h i c ha d o p ts t e pe n t e r e l e c t r i c a lt ob yw a yo fd r i v ei m p o r tf o u m a i n , s h o c ka b s o r b e rd e s i g nf o rt h es t r u c t u r e o fm a ys t r i p ，c o n v e n i e n tf o ri n s t e a de a c hp a r to fa d i u s td a m pt oa c h i e v ed i f f e r e n t d a m pt e s ta i m t h es h o c ka b s o r b e rr a d i xs t y l ei sd o u b l ec a n i s t e rs t y l es t r u c t u r e ，a d o p t t o mv a l v em o d et oa d j u s tt h ei n n e rl i q u i dc i r c u l a t ea p e r t u r eo fs h o c ka b s o r b c r , t h e r e b ya c h i e v et h ea i mo fa d j u s td a m pm o d u l u sa p p l yu g s o f t w a r et od e s i g na n d p r o t r a c t t h et h r e ed i m e n s i o nf i g u r em o d e lo fe a c hp a r t so fa d j u s t a b l es h o c k a b s o r b e r , a f t e r ，e u s u r et h ed i m e n s i o no fe a c hp a r t st oc a r r yt h r o u g hd u m m y a s s e m b l e ，v a l i d a t ee a c hp a r i sv a l u eo fs h o c ka b s o r b e ra n dt h ec o n s t r u c t i o n a l f e a s i b i l i t y l o o k u pt h em a c h i n eh a n d b o o ka n de u s u r ee a c ha s s e m b l es i z e , a p p l y c a dt op r o t r a c tt w od i m e n s i o nm a c h i n i n gd r a w i n g ，p r o c e s sa n da s s e m b l e , a p p l yt e s t - b e dt ot e s tt h ea d j u s t a b l es h o c ka b s o r b e r , a c c o r d i n gt ot h et e s t s t a n d a r dt oa d o p ts i n ew a v eb e s t i rf a s h i o n , g e tt h ea v e r a g ev a l u eo fm a n y g r o u pt e s t r e s u l t a n tb yw a yo ft e s tr e s u l t a n t , a n dc o n t r a s tt h ee m u l a t er e s u l t ，i n d i c a t et h eb l u e p r i n tf e a s i b i l i t y ，a n dp r o v i d et h et h e o r yd a t af o rl a t t e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：s u s p e n s i o n , r i d ec o m f o a d j u s t a b l ed a m p , s h o c ka b s o r b e r , m o d e t e s t 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学 位论文或证书所使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明l 学位论文作者签名：郭酒- 弦莎月尹日 新躲州7 “月f 日 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 研究意义 汽车振动是影响汽车性能的重要因素，这种振动会严重地影响汽车的平顺 性和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命。另外，严重的汽车振动还会影响 汽车的行驶车速和还会产生噪声。所以研究汽车振动，并将它控制到最低水平， 将是一项有重大意义的工作。减少汽车振动有两个途径：一方面要改善路面， 减少振动来源，另一方面要求车辆对路面不平度有良好的隔振性能。汽车的减 振一般有三个环节：即轮胎、悬架和座椅。其中起主要作用的是悬架系统。【1 】 汽车悬架性能的好坏，对汽车的使用性能影响很大。研究结果表明，汽车在不 平的道路行驶时，所产生的振动不仅严重影响了汽车行驶平顺性，而且还影响 汽车的其它使用性能。例如，在不平的道路上使用的载重汽车，其平均行驶速 度降低4 0 铷，修理间隔里程缩短3 5 枷，燃料消耗增加5 0 0 o - 7 0 ， 汽车的运输生产率降低3 2 0 o - 3 6 ，而运输成本则增加5 0 - - 7 0 。1 2 觋代汽车 不管是矿用车还是高级轿车，其发动机功率及汽车的比功率( 即单位汽车总质 量具有的发动机功率) 都有比较大的提高，而要提高汽车的平均行驶速度，赠 常常受到悬架性能的限制。汽车在高速行驶时，也常因悬架装置性能较差，颠 簸太大而不得不降低车速，即使汽车装备了大功率的发动机，也不能充分利用 发动机的功率。汽车悬架系统对于汽车行驶过程中的舒适性和操纵稳定性都起 着关键作用。而在悬架系统中，主要起减振作用的就是减振器，因此，改进和 提高减振器的性能对提高汽车的行驶性能和提高汽车产品质量具有非常重要 的意义。 3 1 目前在国内汽车广泛应用的是传统的被动悬架，被动减振器。由于传统被 动悬架减振器的阻尼系数和弹簧刚度是固定的，作为一个时不变系统，它仅能 在悬架的一个循环周期内储存和耗散能量，所以不能起到良好的减振作用。随 着现代电子技术的发展，出现了主动和半主动悬架。理论上，主动悬架能够获 得一个优质的隔振系统，实现理想悬架的控制目标。但是其能耗大，成本高， 结构复杂。半主动悬架解决了传统被动悬架存在的舒适性与稳定性的矛盾，能 够在任意道路工况下更好的兼顾乘坐舒适性和操纵稳定性，其在控制品质上接 近主动悬架，但结构简单，价格相对便宜，除驱动电机或电磁阀需要消耗能量 西华大学硕士学位论文 外，不需要提供额外的附加电源。可调阻尼减振器是半主动悬架的核心部件， 它的好坏将直接影响汽车的平顺性，所以开发一种效果良好，价格适宜的半主 动悬架可调阻尼减振器具有重要的现实意义。 1 2 悬架功用及分类 汽车的悬架装置是连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称。【4 】 1 2 1 悬架的功用 汽车行驶在不同路面上丽使车轮受到随机激励时，悬架装置实现了车体和 车轮之间的弹性支承，有效地抑制、降低了车体与车轮的动载和振动，从而保 证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，达到提高平均行驶速度的目的。 悬架的功用归纳起来主要有四点：1 支撑车身，悬架必须能支撑车身的质 量并通过车轮将车重传递到路面。2 传递路面对车辆的各种作用力，包括牵引 力、制动力、侧向力及这些反力所产生的力矩，同时将前、后车轮联系于车身。 规定前、后车轮相对于车身滚动的轨迹，不使各机构发生机械干涉，这一任务 主要由悬架的导向机构来完成的。3 缓和车身冲击，减轻车身振动，车辆的悬 架系统应极大地缓和并抑制不平地面对车身及乘员所造成的振动与冲击，减小 车身与乘员的振动加速度，从而减小惯性力，降低车辆各零部件的动载荷并使 乘员乘坐舒适，确保车辆具有良好的行驶平顺性。4 抑制车辆振动，改善轮胎 对地面的接地性，保证车辆行驶的安全性。轮胎胎体是一个弹性体，沿道路表 面滚动时，必然会发生振动，胎体的变形量时而增大，时而减小。若轮胎振动 幅度较大且持续时间较长，则轮胎对地面压力将出现降至很小，甚至减小至零 的现象。此时轮胎的接地性显著恶化，它与地面的附着性便也严重丧失，由此 引发车轮的牵引性、制动性、转向操纵性及安全性都将下降，并且轮胎的磨损 将加剧。因此，抑制振动、维持车轮对地面压力是车辆悬架的又一重要任务， 特别对于改善高速度车辆的安全性来说，更为重要。这一任务主要是由悬架系 统的减振器及弹性元件来完成。纠 西华大学硕士学位论文 1 2 2 悬架的分类 由悬架系统的工作原理不同，当前汽车悬架可分为被动悬架( p a s s i v e s u s p e n s i o n ) 、半主动悬架( s c m i - a , 蝣v cs u s p e n s i o n ) 及主动悬架( a c t i v e s u s p e n s i o n ) 三种，嘲如图1 - 1 所示。 ( a ) 被动悬架 半主动悬架( c ) 主动悬架 f i g 1 - 1a u t o m o t i v e 鲫唧a 画0 n 蛐咖觚 图1 - 1 汽车悬架工作原理图 1 被动悬架 传统的被动悬架由弹性元件、减振器及导向机构组成，被动悬架当结构确 定后，弹性元件的刚度与减振器的阻尼系数为定值是恒定不变的，汽车行驶过 程中都不能人为地加以控制改变，即具有固定的悬架刚度和阻尼系数，因而也 称之为被动悬架，原理如图1 1c a ) 它只能对操纵稳定性、行驶平顺性、车 身的姿态控制等这些相互冲突的设计要求作综合考虑，求得某种折衷的最优， 但是无法达到悬架控制的理想目标。 7 1 这种悬架所产生的弹性力和阻尼力由道 路和车速等条件决定，虽然不能适应广泛的道路状况，但因其加工容易、成本 低，目前仍然广泛应用于汽车中。图1 - 2 所示为一种典型的被动悬架结构图， 图中弹簧为螺旋弹簧，减振器为普通减振器，刚度与阻尼系数都为定值。其他 部分为导向元件及与车轮连接处。 西华大学硕士学位论文 f i g 1 - 2o n e k i n do f p a s s i v es u s p e v s i o ns t r u c t u r e 图1 - 2 一种被动悬架结构图 2 主动悬架 相比被动悬架。主动悬架的控制环节中安装了能够产生力的装置，采用一 种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。由于这种悬架 能够自行产生作用力，因此称为主动悬架。l 哪主动悬架系统通常有两种形式， 即由电机驱动的空气式悬架和由电磁阀驱动的油气式悬架。主动悬架是近十几 年发展起来的，由电脑控制的一种新型悬架，它由弹性元件和一个力发生器组 成，原理如图1 - 1 ( c ) 所示。例如1 9 9 1 年m e r c e d e s - - - b e n z 公司在赛车上采用 了一套a b c ( a c t i v eb o d yc o n t r 0 1 ) 系统。该系统应用传感器检测车身运动的有 关信号，通过微数字处理器控制液压机构，为悬架系统提供可变阻尼力和弹性 力。主动悬架必须具备三个条件：( 1 ) 具有能够产生作用力的动力源；( 2 ) 执 行元件能够传递这种作用力并能连续工作；( 3 ) 具有多种传感器并将有关数据 集中到微电脑进行运算并决定控制方式。1 9 】主动悬架有作为直接力发生器的动 作器，可以根据输入与输出进行最优的反馈控制。使悬架有最好的减振特性， 以提高汽车的平顺性和操纵稳定性。理论上主动悬架最接近悬架的最优控制， 西华大学硕士学位论文 但是因为其结构复杂，需要额外的动力源，所以其价格比较昂贵，只装备在少 数高档车中，图1 - 3 所示为一种油气式主动悬架系统 f i g u r e1 - 3 a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mw i t ho f f - g a ss t r u c t u r e 图1 - 3 油气式主动悬架系统 1 油泵；2 油阀；3 控制阀：4 针阀；5 线圈； 6 加速度传感器；7 油压缸；8 气体弹簧室 3 半主动悬架 在1 9 7 4 年，k a m o p 提出了天棚阻尼( s k y h o o k ) 悬架模型，后来基于天棚 阻尼的概念发明了半主动阻尼器，其结构简单、造价低。1 1 0 】其生产应用始于舳 年代，但它对悬架性能的改善是极有限的。1 9 7 5 年，m a r g o l i s 等人提出了“开 关”控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力。1 u 1 1 9 8 3 年，丰田公司将减振 阻尼器可两级切换的半主动悬架应用于t o y o t as o a r e r2 8 0 g t 型轿车上。p 2 1 1 9 8 6 年，k i m b r o u g h 在半主动悬架控制方法中引入了l y a p u n o v 方法，改进了控制算 法的稳定性。0 3 1 1 9 8 8 年，日产公司研制了一种“声纳”式半主动悬架，它可 通过声纳装置预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3 种选 择状态。1 1 4 1 1 9 9 4 年，p r i l l k o s 等人使用了电流交和磁流交流体作为工作介质， 研究了新型半主动悬架系统。半主动悬架系统除了少量的开启电液阀或旋转电 西华大学硕士学位论文 机的能量以外，几乎不需要外加能源。研究表明：只要合适选择控制逻辑，半 主动阻尼器可以达到像主动减振一样的减振效果。【划在军用车辆方面，由于越 野和高速行驶的需要。使用半主动悬架的愿望更为迫切。美国军方以b r a d l e y 战车为试验平台迸行了半主动悬架外避液压悬架系统的性能试验。结果表明这 套系统在降低车辆振动、提高车辆机动性方而较被动悬架有极大的提高，同时 可靠性及实用性方面也有许多改进。根据调节系数的不同，半主动悬架分为变 阻尼半主动悬架和变刚度半主动悬架。调节悬架的弹性元件刚度系数，涉及能 量的释放，而且必需由外部提供能量，所以结构复杂、造价高。1 1 6 i 调节悬架的 阻尼系数，仅是消耗系统的能量，不涉及能量的释放，故调节悬架的阻尼系数 不需要系统提供能量，因而结构简单，造价低，是目前较最广泛采用的半主动 悬架的调节方式，其控制原理是通过传感器检测到的汽车行驶状况和道路条件 的变化以及车身的加速度，由e c u 根据控制策略发出脉冲控制信号，实现对减 振器阻尼系数的有级可调或无级可调，即将阻尼可调减振器作为执行机构，典型 的半主动悬架系统控制原理如图1 _ 4 所示。 嘶1 4 t h e s e m - a c t i v es u s p e n s i o n c o n t r o l p r i n c i p l e 图l - 4 半主动悬架控制原理 1 3 可调阻尼减振器的研究现状及发展趋势 1 3 1 可调阻尼减振器国内外现状 自半主动悬架问世以来，给汽车的舒适性、平顺性和行驶安全性带来的很 大的变化，可调阻尼减振器作为半主动悬架的核心部件，一直是各大汽车公司 的主要研究方向。通过调节流通孔的节流面积或调节工作介质的粘度系数，得 到不同的阻尼系数。从而达到不同的减振效果。 1 9 8 3 年日本丰田汽车公司开发了具有3 种减振工况的“开关”式半主动悬 西华大学硕士学位论文 架，并应用于t o y o t as o a r e r2 8 0 g t 型轿车上。1 9 8 8 年日本日产公司首次将“声 纳”式半主动悬架系统应用于m a x i m a s 轿车上，它可预测路面信息，悬架配用 的减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3 种选择状态。 英国的k a k i z a k is h i n o b u 等人于1 9 9 5 年研制出一种具有可调节阻尼和诊断 系统的液压减振器。当出现故障时，诊断系统可将减振器自动转至最小的阻尼 工况。该减振器的结构特点为：活塞杆内装转动滑阀，减振器上下腔经活塞内 的两组沟槽和活塞杆内滑阀控制的两组沟槽连通。用步进电机控制转动的滑阀 可在3 个区域内工作。减振器的控制系统由两个子系统组成：第一个子系统接 收车身垂直加速度、车速和方向盘转角信息，确定最佳阻尼。并有诊断装置。 第二个子系统根据第一个子系统的数据，步迸电机给滑阀发出控制信号。而且 也安装诊断装置，当诊断系统发现故障时发出信号，滑阀转动到中间位置，为 车辆提供固定阻尼。 德国的f o m t e r a n d r e , a s 于1 9 9 5 年研制了可调减振器，其结构特点为：减振 器带有线圈架和芯子的电磁控制阀，同时采用空心活塞杆来减小结构尺寸。空 心杆局部起导磁体的作用，使装置的磁通量反向闭合。 1 9 9 4 年，p r i l 山0 8 等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半 主动悬架系统。 m e r c e d e a - - - b e n z 公司的h u a n gz h e n 等人研制的一种可调的液压减振器， 在筒式减振器的两腔安装可控液压阊和蓄能器。通过电气控制和与主阀配合。 可以提供4 种不同的减振工作性能。并于1 9 9 9 年在b e n za 系列中采用a b c 系统。 2 0 0 2 年，采用美国德尔福( d d p h l 3 公司磁流变减振器的m a g n e r i d e 半主动 悬架系统应用在c a d i l l a cs e v i l l es t s 高档车上并进入市场，此悬架系统能根据 行驶情况自动改变减振阻尼。该项技术也应用于雪佛兰科尔维特( 被称为“磁 性选择性驾驶控制技术”) 以及凯迪拉克x i r 和s r x 上，而上海通用的高档 s u v 卡迪拉克s r x 更成为国内装车的第一款车型。德国奥迪新推出的t t 跑 车，也使用了磁流变减振器。 目前国内有吉林大学、北京理工大学、江苏大学等几所高校对阻尼可调减 振器及半主动悬架傲了研究。并且研究取得了一定的进展，但是由于我国汽车 西华太学硕士学位论文 工业相对于其他发达国家起步晚，可调阻尼减振器研究所需要的其它学科技术 也要落后很多，所以距可调阻尼减振器的批量生产还有很长的距离。 1 3 2 可调阻尼减振器分类 按照调节阻尼级别方式的不同分为有级可调阻尼减振器和无级可调阻尼减 振器。 1 3 2 1 有级可调减振器 有级可调减振器阻尼可在固定的几个不同档位之间快速切换f 切换时间通 常为l o 2 0 m s ) 旧，即有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单 的控制阀，使通流面积在大至小之间进行有级调节。有级可调减振器有很多种 实现方式，例如可以通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器 的阻尼在不同档位之间变化。也可以利用电磁阀的开关来产生不同的流通孔面 积，使其拥有不同的阻尼档位。有级可调减振器在适应汽车行驶工况和道路条 件的变化方面有一定的局限性，但是有级可调减振器的结构及其控制系统相对 简单，易于实现，便于在汽车的悬架系统中应用，有级可调减振器的设计关键 是发展先进的阀技术，增加阻尼变化的档数，缩短切换时间，从而使复杂的控 制策略应用成为可能，以进一步提高悬架的控制品质。 1 3 2 2 无级可调减振器 无级可调减振器的阻尼调节在一定的阻尼范围之内，通过控制策略可以达 到范围内的任意阻尼。其实现方式之一是可以通过调节节流孔径实现，其调节 通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻 尼。但这类减振器的主要问题是：节流f 囝结构复杂，制造成本高。第二种方法是 通过调节减振液粘性使其粘度系数在一定范围内变化，连续可控的新型的功能 材料电流变或磁流变液体可以作为此种减振液使用，从而实现阻尼在一定范围 内实现无级变化。【玷】电流变液体在外加电场作用下，其流变材料性能，如剪切 强度、表观粘度等会发生显著的变化，将这种电流变液体装入减振器，并在内 外筒之间加上电场，通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，从而改变 8 西华大学硕士学位论文 减振器的阻尼力。【1 7 】由于电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变 化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本不高，且无液压阀的振动、冲 击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是个非常好的 选择。但电流变液体存在较多问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽， 零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、 沉降，稳定性差，对杂质敏感，难以适应电流变减振器长期稳定工作的需要。 目前在个别商档车试用磁流变液减振器，电流变液减振器的工作温度范围 窄2 5 1 2 5 ，其强度和化学稳定性较差，影响其工作的可靠性。磁流变减振 器相对电流变液减振器而言，不需要特殊的高压供电装置，成本低，使用安全， 化学稳定性好，强度高，可以较少减振器体积，工作温度范围( - 4 0 1 5 0 ) 宽。磁流变减振器是一个革命性的新技术，可同时提高车辆的舒适程度、驾驶 性能和安全保障。例由于车轮控制得到改善，车辆的安全性和可靠性得到提升； 通过控制车身运动，提高驾驶平顺性，并使操作更精确、反应更迅速；在刹车 和加速过程中减少乘员“前冲”和“后仰”；改善负荷转移特性，在车辆高速 行驶中突然变向时，可提供更好的防侧翻控制；由于减小了路面反冲力，使驾 驶更为安静、精确。但由于其多用铁基为弥散质，质量较电流变重，目前推出 的响应时间约1 0 m s ，需进一步提高。1 2 1 】此外。磁流变液减振器对减振液性能 要求很高，需要先进的材料技术做支持，所以其研发需要很大的时间及资金投 入，目前只有少数大的国际汽车公司具有其研发和生产技术，而且也仅限于装备 少数的高档车上。 1 3 3 可调阻尼减振器的驱动方式 减振器驱动方式有转阀方式、旁路阀方式、压电驱动方式、电磁场控制电 磁流变方式和永磁直流直线伺服电机驱动方式等。阎 转阀方式是由控制器单元发出的信号经处理驱动步进电机，从而驱动转阀 转动，改变减振器阻尼孔的大小，产生符合系统要求变化的阻尼力。 旁路f 困方式是由电磁阀根据控制器单元发出的信号开关，打开磁阀，相当 于在油路中增加一个节流孔，从而改变总的阻尼孔面积，产生符合系统要求的 有级变化的阻尼力。 西华大学硕士学位论文 压电驱动方式是在减振器的活塞杆内，安装压电执行器和压电传感器。压 电执行器由8 8 个压电元件叠加而成，在5 0 0 v 直流电压作用下，压电元件会 伸长5 吮m ，该位移经位移放大室放大到2 m m 可打开转换阀，形成分流油路， 从而获得小阻尼。利用压电传感器可将前轮减振器检测到的路面情况传给 e c u ，控制后轮减振器的阻尼。 磁场控制的磁流变方式是利用e c u 发出的电压或电流信号控制磁流变减 振器内变压线圈，产生高压实现对阻尼的连续无级调节。 永磁直流直线伺服电机驱动方式是由直线伺服电机直接实现直线运动控 制。电机驱动效率高，响应速度快，灵敏度高，随机性好，控制稳定。目前， 永磁直流直线伺服电机在航天飞行器中广泛应用，其驱动性能优于液压执行机 构。阎 1 4 本课题研究的内容 通过以上分析，可调阻尼减振器作为半主动悬架的重要组成部分，在汽车 半主动悬架减振器发展中会成为一个主要的方向。电机驱动转阀式减振器具有 效率高，响应速度快，灵敏度高，控制稳定等优点，成为可调阻尼减振器一种 理想的驱动方式。 本课题来源于四川省汽车工程重点学科建设项目，项目编号为：s z d 0 4 1 0 。 本文研究的内容为设计一种步进电机带动的转阀式可调阻尼减振器，使其具有 多种档位阻尼力，并对其进行试验分析本课题的研究内容如下： ( 1 ) 对悬架的分类及特点做了介绍，分析了可调阻尼减振器的几种驱动 方式。 ( 2 ) 介绍汽车普通减振器的作用和工作原理，及减振器的试验方法 ( 3 ) 建立七自由度汽车运动微分方程，通过对七自由度的汽车模型进行 仿真，分析减振器阻尼特性对整车平顺性的影响。建立1 4 车体模型，选取阻 尼系数。 ( 4 ) 根据选定的阻尼系数，确定阻尼孔尺寸。利用m a t l a bs i m u l i n k 软件 对可调阻尼减振器在不同频率及不同阻尼孔下进行仿真，得到速度特性及示工 特性仿真结果。 西华大学硕士学位论文 ( 5 ) 根据减振器的减振机理，设计可调阻尼减振器结构，利用u g 软件 进行虚拟装配，优化结构后，按计算尺寸及精度加工减振器，加工后进行装配。 ( 6 ) 对可调阻尼减振器进行试验分析，绘制减振器的示功曲线及速度特 性曲线，与仿真结果进行比较，为以后的研究提供理论依据。 西华大学硕士学位论文 2 减振器及其试验方法 2 1 减振器 减振器按其结构可分为摇臂式和筒式，按其作用原理可分为单向作用式和 双向作用式。摇臂式减振器作为汽车上早期产品目前已基本被淘汰。单向作用 减振器主要应用于轻型摩托车中。由于筒式减振器具有质量小、性能稳定、工 作可靠、适合于大批量生产等优点，现在已经成为汽车减振器的主流。简式减 振器分为双筒式、单筒式，现今汽车上基本全部采用双筒式结构减振器。吲 2 1 1 减振器的功用 减振器是悬架的三个主要组成部分之一，其主要作用是衰减、降低车身和 车轮的振动，以改善汽车的行驶平顺性和操作稳定性。减振器和弹性元件是并 联安装的。汽车悬架系统中广泛采用双向作用筒式减振器( 液力减振器) 。它 的基本工作原理是：当车架和车桥作往复相对运动时，活塞在缸简内往复移动， 减振器壳体内的油液便反复地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，从而被油液和减振器壳体所吸收并散发到大气 中。减振器的阻尼力的大小随车架与车桥( 或车轮) 的相对速度的增减而增减， 并且与油液粘度有关。 在汽车行驶过程中，车轮会受到地面冲击向上跳动，悬架的弹性元件受力 压缩并且吸收很大的能量，得以对车辆振动缓冲，但冲击过后悬架的弹性元件 会通过伸张释放存储的能量，从而使车身发生上下振动，减振器的功用就是通 过对车身运动产生一定阻尼力，使车身振动的能量消散，从而减小车身的振动。 此外，在汽车转弯行驶、紧急制动和紧急加速等行驶状态下，汽车行驶姿势发 生变化，给汽车的行驶安全性和操纵稳定性带来不利影响，此时也可以通过改 变减振器的阻尼力，使汽车保持稳定的行驶姿势。 减振器阻尼力控制功能有如下几种： 乱防车尾下蹲控制：当汽车急速起步或急加速时，由于惯性力和驱动力的作用， 使车尾下蹲。防车尾下蹲控制是要把车尾下沉量控制到最小程度，以保持车身 稳定。 西华大学硕士学位论文 b 防止换档冲击控制：汽车在换档过程中，使驱动轮上的驱动力在较短时间内 发生较大的变化，使汽车车身产生纵向摇动。防止换档冲击控制，就是要使汽 车在自动换档时把车身纵向摇动幅度控制到最小，并减小换档时对汽车的冲击 力。 c 防止车头下沉控制：汽车在高速行驶中进行紧急制动时，由于惯性力和车轮 与地面之间附着力的作用，使汽车车头下沉。防止车头下沉就是要使这种车头 下沉量尽可能小。 也防横摇控制：汽车急转弯时，由于离心力的作用，使汽车车身向侧倾斜， 转弯结束后会使汽车车身产生横向摇动。防横摇控制能减小由于离心力引起的 车身向转弯半径外侧倾斜的程度，并防止车身横向摇动的产生。 e 汽车高速行驶时车身下降控制：汽车高速行驶时，该控制功能使汽车车身高 度降低，减少空气阻力，提高轮胎与地面之间的附着力，确保汽车高速行驶时 的稳定性。例 2 1 2 双筒减振器的结构及工作原理 其结构如图2 - 1 所示，流通阀8 和补偿阀7 是一般的单向阀，其弹簧刚度 较小，当阀上的油压作用力与弹簧弹力同向时，阀就处于关闭状态，完全不通 油液；而油压作用力与弹簧力反向时，只要有很小的油压，便能使阀开启。压 缩阀6 和伸张阀4 是卸荷阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压增加至h 一 定程度时，才能使其开启；而当油压降低到一定程度时。阀就会自动关闭。 双向作用筒式减振器工作原理可分为压缩、伸张两个行程加以说明。 1 压缩行程当汽车车轮滚上凸起或滚出凹坑时，车轮移近车身，减振器受压 缩，活塞向下移动。活塞下腔容积减小，油压升高，油液经流通阀8 流到活 塞上腔。由于上腔内增加的容积小于下腔减小的容积，故还有一部分油液流回 贮油缸5 。这些阀对油液的节流便造成对减振器压缩行程的阻尼力。 2 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。减振器受拉 伸。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，自上腔流来的油液还不足以充满下腔所增加的容积，贮油缸中的油 液便推开补偿阀7 流入下腔进行补充。此时，这些阀的节流作用便造成对减振 西华大学硕士学位论文 器伸张行程的阻尼力。 压缩阀的节流阻力是随活塞运动速度而变化的。例如：当车架或车身振动 缓慢时，油压不足以克服压缩阀弹簧的预紧力而推开阀门，此时多余的油液便 经过一些常通的缝隙流回贮油缸。当车身振动剧烈，则活塞下腔油压增加很快， 达到能克服压缩阀弹簧的预紧力时，便推开压缩阀，使油液在很短的时问内， 通过较大的通道流回贮油缸。这样，油压和阻尼力都不致于超过一定限度，以 保证压缩行程中弹性元件的缓冲作用得到充分发挥。嘲 2345 6 f i g 2 - 1v e h i c l eb i d i r e c t i o n a ld a m p e rs c h e m a t i cd r a w 咄 图2 - 1 双向作用筒式减振器示意图 1 精塞杆；厶工作缸筒；纠舌塞；奉伸张阀；5 贮油缸俺；6 - 压缩阀：” 偿阀；8 - 流通阀； 9 - 导向座；1 0 防尘罩；1 1 油封 同样，伸张行程中减振器的阻尼力也是随活塞运动速度而变化的。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，使振动迅速衰减。当车身振动剧烈时，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，减振器及悬架 系统的某些零件不会因超载而损坏。 由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力比压缩阀的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