基于虚拟仪器的摩托车前叉减震器的数学建模与仿真.pdf

液压气动与密封 2009 年第 1 期 降压节流带来的可用能损失 4结论 本文仅考虑了从压缩空气制备到压缩空气膨胀的 全过程能效 而没有考虑电力的生产耗能 得到如下结 论 1 普通膨胀机的膨胀比不能变化 只能使进口 压力稳定在一个低压力 经过简单寻优 发现按照绝热 过程三级膨胀 中间换热 落压比为3 7 膨胀比为 2 546时可以使绝热膨胀加上中间冷却做功最大 2 如果按照在这种前提下的理想过程 压缩和 膨胀 压缩空气携带能量驱动汽车的全周期效率是 46 而且不用石油 没有排气污染 是一个不错的选 择 3 考虑到过程不是理想循环 而且有机械效率 利用压缩空气驱动汽车 在当前定膨胀比的普通膨胀 发动机的情况下 能效只有26 能效似乎还不能令人 满意 4 固定膨胀比导致了气瓶中有残余压力为 3 34MPa 能量占到全部气瓶能量的13 的高压气体没 有被利用 当然这些气体也可以被看作是 储能器 下 次充气就可以少充一些 这样 整个全周期的效率就成 为30 5 如果实现了膨胀比可变 膨胀机的进口压力 将不受制约 理论上可以使进口压力在任何时候都等 于气瓶压力 这样就将气瓶压缩空气能量的利用最大 化 实际能量利用率可以达到37 参考文献 1 丁卫华 等 气动汽车动力系统能效分析 J 机床与液压 2005 8 2 徐文灿 压缩空气能量的度量基准探讨 J 液压气动与密封 2006 1 3 沈维道 等 工程热力学 M 北京 高等教育出版社 1983 10 4 严家 王永青 工程热力学 M 北京 高等教育出版社 2001 5 俞小丽 等 气动汽车工作原理的理论分析 J 机械工程学报 2002 9 基于虚拟仪器的摩托车前叉减震器 的数学建模与仿真 王笛张冰蔚 江苏科技大学机械与动力工程学院 江苏镇江212003 摘要 本以摩托车前叉减震器为研究对象 建立了其阻尼力的模型 用LabVIEW软件仿真其外特性曲线 并与通过液压系统测试出 的实测数据比较 分析影响减振器特性的主要因素 比较仿真结果和实测结果 发现能较好的吻合 为减振器结构参数优化设计提供了 依据 关键词 前叉式液压减振器 阻尼 参数化 模型 中图分类号 TH138 5 文献标识码 A 文章编号 1008 0813 2009 01 0039 04 Mathematical Modeling and Simulation for Motorcycle Fork Shock Absorber Based on VI WANGDiZHANGBing wei Institute of Mechanical and Power Eng Jiangsu University of Science and Technology Zhenjiang 212003 China Abstract This paper takes the motorcycle fork shock absorber for example established its damping force model Simulate its external features curve and damping characteristics curve by LabVIEW by changing the parameters of the model analyze the facts which influence the shock absorber s features Compared the simulation results with national standards can find a good matching The studies of this text provide basic for structure design and optimization of shock absorber Key Words fork shock absorber damping parametric model external features 为了缓和与衰减摩托车在行驶过程中因道路的凹 凸不平受到冲击和震动 保证行车的平顺性与舒适性 提高摩托车的使用寿命和操纵的稳定性 摩托车上均 设置有减震器装置 目前我国大部分的减震器生产厂 家都采用类比制造的加工方法 对其基本的技术参数 未能精确的确定 且大部分的技术革新都是在主要参 数不变的前提下进行的 故对摩减的性能改变不大 下 收稿日期 2008 04 28 作者简介 王笛 1984 女 硕士研究生 主要研究方向为减振器建模与 测试系统的研究 30 Hydraulics Pneumatics Seals No 1 2009 文针对目前市场上应用较广泛的前叉管式液压减震 器 利用虚拟仪器LabVIEW建立其数学模型 通过分 析在压缩和复原两个阶段的受力情况 寻找较适宜参 数 希望对摩减的改良有所帮助 1前叉减震器的工作原理 前叉减震器 见图1 同前轮和车架是连在一起的 它既能起到减震器的作用 又起到一部分骨架支撑作 用 随着滑柱和外筒之间的相互伸缩 前叉内的油经设 置在各壁的小孔流动 当柄管压缩时 B腔里的油受压 后经柄管上的小孔流向C室 同时经自由阀流向A腔 当油液流动时 由于受到阻力 衰减了压缩力 当压缩 行程快到极限时 柄管末端的锥形油封片就会插上 从 而封闭了B腔内油的通路 此时 B腔油压激剧上升 使其处于被封闭的状态 这样就限制了柄管的行程 有 效地防止前叉上的可动零件之间的瞬间机械碰撞 在减震器处于复原行程时 A腔内的油经设在前 叉活塞上部 近活塞环附近 的小孔流向C腔 此时 油 液流动所受到的阻力衰减了伸张力 当复原行程快到 极限时 反弹弹簧的伸长吸收了振动能量 而且在这一 过程中 油经前叉活塞下部的小孔补充到B腔 为下一 次的工作做好了准备 图1前叉减震器基本示意图 由于减震器的这种特征 有效地衰减冲击的振幅 和能量 从而提高行驶的平稳性 2前叉减震器数学模型的建立 在摩托车前叉液压减震器上腔密闭了一段空气 柱 是保证其正常工作的必要条件 在前减震器中 只 有A腔中贮存有空气 其余各腔中都充满减震液 其作 用是利用空气的可压缩性 贮存在压缩行程阻尼腔中 排除的额外减震液和补偿在复原行程阻尼腔中减震液 的不足 因为这部分空气的存在 使得前叉减震器在工 作过程中 不仅受到液压阻尼力和摩擦阻尼力的作用 还将受到气柱力的作用 由于减震器的受力情况受多 种因素的影响 故以下模型的建立是在下述假设的基 础上完成的 1 假设减震器各部件之间配合良好 各配合之 间没有减震液的泄漏 2 减震器中的减震液与空气是严格分开的 不 含空气 没有油气泡现象 3 假设节流过程中油液无损失 4 假设油液不可压缩 且在整个工作过程中减 震液特性保持不变 5 忽略不计压力变化而引起系统刚性构件的弹 性变形 6 忽略不计工作油液的重力势能的影响 7 被研究闭区域内同一瞬时压力处处相等 根据减震器的几何结构 当其处于力平衡时 作用 在减震器上的阻力F为 F AyFy AfFf Fm Fair 1 式中Ay 压缩腔 即C腔 的有效面积 单位为m2 Fy 复原行程或压缩行程C腔的压力 Af 复原腔 即B腔 的有效面积 单位为m2 Ff 压缩行程或复原行程B腔的压力 Fm 摩擦阻尼力 Fair 为气柱力 假设前减震器在自由状态下密封时空气柱的初始 长度为L0 对应的空气压力为大气压 根据气体的热力 学性质 将空气体积和压强之间的变化看作是一多变过 程 则任意时刻空气柱的压强可以表示为 pair y 4 d02 dfj2L0 dfj2L0 d02Ly n 1 p0 2 阻尼器中的摩擦力包括 活塞与工作缸内壁之 间的摩擦力 活塞杆与导向器油封之间的摩擦力 浮动活塞与工作缸内壁间的摩擦力 经验公式为 Fm 1 33 10 64 Ar姨 Hr x t pn 1 1000 x t 姨 sgn x t 3 根据车辆液压减振器的具体结构和减振液的流动 方式 将减振器分为4个封闭区域 并假设各区域之间 状态是连续的 状态参数没有突变 1 A腔 气液共存腔 31 液压气动与密封 2009 年第 1 期 位于活塞杆的上部 是减振液和空气的共存腔 只 有在A腔中贮存有空气 而其余各腔则充满减振液 设 在A腔内减振液和空气同处于同一压力值 即 pA p0 4 2 B腔 复原腔 根据流体流动的连续性原理 可得复原腔的减振 液体积流量表达式为 QB ABdx t dt 5 在复原行程 减振液经阻尼孔流出 设阻尼孔外侧 压力为pf 则有 pB pf Q2B 2 Af 2 0 乙 QBdt Af d2x t dt2 6 式 6 由两部分组成 前一项为减振液流经锐边短 孔节流的流动损失 后一项则是减振液流过阻尼孔所 产生的惯性冲击 根据减震器的结构 可以得出 kf Af Az df2 ds02 df2 7 将式 5 7 代入式 6 整理得复原行程B 腔压力为 pB pf 2 2 kf2dx t dt 2 kf d2x t dt2 8 在压缩行程 减振液经阻尼孔流入复原腔 因复原 腔为密闭区间 流入流体可认为立即处于静止状态 流 体动能完全转化为涡流损失 根据能量与动量方程 则 可推导出压缩行程B腔的压力为 pB pf 2 kf2dx t dt 2 kf d2x t dt2 9 3 C腔 压缩腔 同样 压缩腔的减振液体积流量表达式为 Qc Aydx t dt 10 设 ky Ay Ad d2fo d2so dy2 11 类似于复原腔 根据流体流动的能量与动量方程 可以导出复原行程C腔的压力为 pc py 2 ky2dx t dt 2 d2x t dt2 12 压缩行程C腔的压力为 pc py 2 2 ky2dx t dt 2 kyd 2x t dt2 13 4 活塞杆内腔 活塞杆内腔是连接A腔 B腔和C腔的通道 考虑 到减振器内外无减振液的泄漏 减震液为不可压缩流 体 则根据流体流动的连续性原理 有 Qc QA QB或QA Qc QB 式中QA 减振液流进或流出A腔的体积流量 单 位为m3 s 设减振液在活塞杆内腔中遵循细长管道层流流动 规律 则在活塞杆内腔阻尼孔与导流孔之间压差与流 量满足关系 pf py 128 lfyQe ds14 14 则可以得出 pf py 32 lfyQe ds12 kfydx t dt 15 式中 kfy dfo2 dso2 ds12 16 对于阻尼孔与A腔之间的管流流动阻力 并考虑 到减振液的流动惯量 当流体流量为QA时 同样可以 写出 pA pf 32 lfy ds12 kfydx t dt 2 kfAd 2x t dt2 17 式中 kfA dfo2 df12 ds12 18 分别将式 2 18 代入式 11 中可以得到 1 复原时的阻尼力 Fy Aypy Afpf 2 x t A3c A2d A3f 2A2z 2 rx t A2c Ad A2f Az 1 33 10 64 Ar姨 Hr x t pn 1 1000 x t 姨 sgn x t 4 d02 dfi2L0 dfi2L0 d02y n 1 p0 2 压缩时的阻尼力 Fys Aypy Afpf 2 x t A3c 2A2d A3f A2z 2 rx t A2c Ad A2f Az 1 33 10 64 Ar姨 Hr x t pn 1 1000 x t 姨 sgn x t 4 d02 dfi2L0 dfi2L0 d02y n 1 p0 式中Ar 活塞杆截面积 单位为m2 Hr 活塞杆与缸筒的配合长度 单位为m pn 活塞杆所受径向压力 单位为Pa x t x t x t 分别为活塞杆相对缸筒的运 动位移 速度 加速度 单位分别为m m s m2 s 油液动力黏度 单位为N m s 油膜厚度 单位为m 油液密度 单位为kg m3 32 Hydraulics Pneumatics Seals No 1 2009 工业和信息化部领导到中国液压协会调研 据悉 工业和信息化部装备工业司重大装备处杨栓昌处长最近来到中国液压气动密封件工业协会 就 十 一五 期间十六项重大装备项目和液气密行业发展现状进行调研 工业和信息化部成立以来 深入行业广泛开 展调查研究工作 相关领导先后走访了有关主机厂后 感受到包括液压 气动 密封件在内的基础件行业是制 约主机发展的软肋和瓶颈 该协会理事长沙宝森介绍了液气密行业发展历史 现状和发展中存在的问题 强调 重大装备中核心技术 是基础件 基础件投资长 力度大 见效慢 特别需要国家政策的扶持 他还就协会自身建设 秘书处工作人员培养情况作了介绍 强调需要在社会中挑选有敬业精神 乐于奉献 的优秀人才来从事行业协会工作 沙宝森对工业和信息化部有关官员深入行业进行调研 转变 重主机 轻配 套 的观念给予高度评价 杨栓昌要求协会对液气密行业发展 落实国务院关于振兴装备制造业的若干意见以及在重大装备项目中关键 基础件国产化等提出建议和措施 并希望协会及时与工业和信息化部保持密切联系 共同为行业的发展作实事 n 气体指数 Ad 导流孔截面积 单位为m2 Az 阻尼孔截面积 单位为m2 动态流量系数 dfi 前叉管内径 单位为m d0 前叉管外径 单位为m L0 空气柱初始长度 单位为m y 前叉管相对套筒的位移 单位为m p0 大气压强 单位为Pa 3基于虚拟仪器的仿真系统 3 1仿真系统的软件部分 利用LabVIEW软件对以上模型进行仿真 激励采 用幅值为25mm 频率为3 18Hz的正弦信号 采样一个周 期 模拟出该模型的的示功及摩擦力曲线 如图2所示 图中数据仅供参考 图2减震器虚拟仪器测试系统面板 考虑液压减震器的阻尼特性是以流体特性为基础 的 一般分为复原和压缩2种工况 这两种工况主要影 响液压阻尼力的大小 理想的纯阻尼力液压减震器示 功图饱满端正 速度特性图为一条曲线 从图中可以看 出 如果考虑减震器中摩擦力 示功曲线两边有竖线 速度特性曲线成2段 U 型 k越大 开口越大 摩擦阻 力在整个循环进程中一直存在 两头为静摩擦力 中间 为动摩擦力 静摩擦力大于动摩擦力 摩擦阻力使示功 曲线两头产生突变 说明摩擦力在摩托车减震器中是 不可忽视的因素 示功特性和阻尼特性是评价减震器性能的重要标 准 示功特性是指减震器阻尼力一位移 F S 之间的关 系 它表示减震器在压缩和复原两个行程中阻尼变