汽车减振器非圆截面节流孔节流特性分析

王铃燕，丁渭平，刘丛志，向　伟，张闻见

（西南交通大学 汽车工程研究所，成都 610031）



汽车减振器非圆截面节流孔节流特性分析

王铃燕，丁渭平，刘丛志，向伟，张闻见

（西南交通大学 汽车工程研究所，成都 610031）

摘要：以某乘用车后悬架双筒充气式液压减振器为研究对象，采用一维和三维仿真相结合的方法建立考虑减振器摩擦力、橡胶衬套和减振器泄漏等因素的减振器性能分析模型。对减振器中存在的非圆截面节流孔在一维模型中的模拟进行探讨，同时探讨阀片变形对阀片缺口节流特性的影响。通过仿真结果与实验结果的对比可知，采用三维仿真获得的压降-体积流速定义非圆孔的方法，对减振器中非圆孔的节流特性进行研究是切实可行的，所建立的双筒充气式液压减振器精细化模型可很好地模拟减振器的动态特性。

关键词：振动与波；减振器；AME Sim；精细化模型；非圆截面节流孔

减振器是车辆悬架系统的重要组成部分之一，其性能直接影响车辆的操稳性与行驶平顺性[1，2]。对于目前应用最为广泛的双筒式液压减振器，开阀前阻尼力主要由油液流经流通阀、活塞、底阀及压缩阀片上的常通节流孔（包含圆孔与非圆截面节流孔）

为能较真实地模拟减振器动态特性，利用一维软件AME Sim建立双筒充气式液压减振器的仿真模型时，探讨了非圆孔在一维模型中两种等效方法（即采用三维仿真获取非圆孔压降—体积流速特性，并将其导入一维中定义非圆孔的方式和采用半经验公式定义非圆孔的方式）的区别。同时探讨了阀片变形对阀片缺口节流特性的影响。一维模型还考虑了橡胶衬套、摩擦力、油液泄漏等因素对减振器动态特性的影响，最终得到减振器的精细化仿真模型。

1　减振器结构及工作原理

双筒充气式液压减振器结构如图1所示，活塞总成由开槽的流通阀、不等径阀片叠加的复原阀和外圈四个矩形常通孔、内圈4个复原圆孔的活塞组成，底阀总成由带锥形弹簧的补偿阀、开槽且不等径阀片叠加的压缩阀和外圈4个矩形常通孔、内圈4个压缩圆孔的底阀组成，储油腔中充入0.65 MPa的氮气。

图1　双筒充气式液压减振器结构　

图2　减振器中油液流向

复原过程中，油液分3部分流动，一部分油液通过活塞与工作缸的间隙、流通阀缺口及活塞上矩形常通孔、活塞复原孔及复原阀开阀形成的缝隙由上腔流入下腔，一部分油液通过导向座与活塞杆之间的缝隙由上腔流入储油腔，另一部分油液通过底阀矩形常通孔和补偿阀由储油腔流入下腔，油液流向如图2黑实线曲线所示；压缩过程中，油液分3部分流动，一部分油液通过活塞与工作缸的间隙及活塞矩形常通孔、流通阀缺口及流通阀开阀形成的缝隙由下腔流入上腔，一部分油液通过导向座与活塞杆之间的缝隙由储油腔流入减振器上腔，另一部分油液通过底阀压缩孔及压缩阀上缺口及压缩阀开阀形成的缝隙由下腔流入储油腔油液流向如图2黑色带点虚线所示。

2　建模仿真与验证

2.1利用AME Sim建立减振器性能分析模型

在一维仿真软件AME Sim中建立减振器仿真模型如图3所示，模型中涉及的主要参数设置如表1所示。

表1　一维仿真模型主要参数表

模型中建立了减振器的上腔、下腔、储油腔和各阀系模型，同时考虑了活塞与工作缸、活塞杆与导向座之间的泄漏，油液的摩擦力、橡胶衬套及气体作用的影响。其中HSYK、YSYK分别表示活塞上圆孔和底阀上圆孔，利用短孔元件BHO 013进行模拟；LTFP、FYFP、YSFP、BCFP分别表示流通阀、复原阀、压缩阀和补偿阀，其中流通阀、压缩阀、复原阀的刚度通过三维软件ADINA获得；补偿阀为锥形弹簧，其刚度通过试验测试获取，CYQ表示减振器中的储油腔，利用元件HA 000进行模拟；减振器中存在两种类型的非圆孔：流通阀片和压缩阀片缺口形成的非圆孔，活塞和底阀上的矩形孔，其中LTFK、HSFK、YSFK、BCFK分别表示流通阀片上缺口、活塞上矩形孔、压缩阀片上缺口、底阀上矩形孔，在一维模型中对于非圆孔节流特性的模拟方法有：

1)采用半经验公式进行模拟；

2)采用三维仿真获取压降-体积流速文件进行模拟；图3为采用压降-体积流速文件定义非圆孔节流特性的仿真模型，椭圆中的元件表示非圆孔。

图3　减振器一维仿真模型

2.2采用半经验公式的方法

由流体力学理论可知，油液流经流通阀片缺口、压缩阀片缺口、活塞上矩形孔及复原圆孔、底阀上矩形孔及压缩圆孔属于管嘴流动，其节流压降与体积流速的关系为其中Cq为流量系数，△P为压降，ρ为油液密度，A为节流面积，具体计算方法如表2所示。

2.3采用三维仿真获取压降-体积流速的方法

为能较真实的反映非圆孔的节流特性，采用有限元分析方法，在三维软件ADINA中获取非圆孔的压降-体积流速特性，并将得到的压降-体积流速特性文件导入一维AME Sim模型中进行仿真。

图4　非圆孔节流特性

表2　节流面积A的计算方法

当阀片未变形时，油液流经流通阀片缺口、压缩阀片缺口、活塞上矩形孔（内径21.1 mm，外径24 mm，宽5.5 mm，高6.5 mm）、底阀上矩形孔（内径20 mm，外径24.8 mm，宽7.7 mm，高5.4 mm）的情况，在ADINA中分别建立流体模型，根据复原和压缩过程分别对上下表面施加速度载荷进行两次计算，分别提取四个流体模型进出口的压降和入口矩形截面体积流速，整理得到相应的压降-体积流速曲线，如图4所示。

当阀片变形时，阀片缺口形成的流道也发生相应变形，对阀片变形量分别为0.03 mm、0.08 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.35 mm的情况下，在ADINA中建立变形后的阀片缺口流体模型如图5所示，随着阀片变形量的增大，圆环流体截面由矩形变为直角梯形，且梯形上底边不变，下底边等于未变形时的长度与阀片变形量之和。提取阀片各变形情况下的压降-体积流速特性曲线，如图6所示。

由图6可知，当阀片缺口两端的压降10 bar时，阀片变形量对其节流特性影响很小，可用阀片未开阀时得到的曲线定义其节流特性；当压降较大时，阀片变形量对其节流特性影响较大，且阀片由未变形到变形量达到0.1 mm过程中，体积流速逐渐增大；当变形量超过0.1 mm时，随着阀片变形量的增大，体积流速呈现逐渐减小的趋势。

图5　阀片变形后阀片缺口流体模型

图6　阀片缺口节流特性随阀片变形的变化情况

由此说明，当阀片缺口两端的压降较大时，阀片变形对阀片缺口的节流特性存在较大影响，利用压降-体积流速曲线定义阀片缺口节流特性时，需综合考虑阀片不同变形情况下的压降-体积流速特性，最终得到一条多段曲线构成的压降-体积流速特性曲线以定义非圆孔的节流特性（如图7所示）。同时也说明，当阀片缺口两端压降较大时，在理论计算过程中采用一个经验公式来定义非圆孔节流特性是不准确的。

图7　多段曲线构成的阀片缺口压降-体积流速特性曲线

2.4　两种模拟方法的对比分析

由于非圆孔为常通孔，主要影响开阀前阻尼力，因此，对这两种模拟方法所建立的一维仿真模型，在速度为0.05 m/s工况下得到的仿真结果进行对比（如图8），其中方法一表示采用压降-体积流速方法模拟非圆孔；方法二表示采用经验公式模拟非圆孔。

图8　采用两种不同形式等效矩形孔的结果对比

表3　矩形孔两种模拟方法结果对比

通过这两种模拟方法仿真得到的结果与实验测试对比分析可知，方法一得到的示功图与实验测试结果吻合较好，且最大阻尼力值误差比方法二的误差要小很多，由此可知采用压降体积流量文件定义的非圆孔更贴近实际非圆孔结构的节流特性，因此对本文研究的双筒充气式液压减振器存在的非圆孔采用压降-体积流速的方法进行模拟。

2.5多工况-维仿真模型验证

一维仿真模型与台架实验测试的输入均依据减振器台架实验标准QC/T 545，采用正弦激励进行加载，利用MTS 850实验台（图9）对减振器4个工况分别进行测试，对每个工况进行3次测试，得到每个工况下仿真与实验的示功图对比曲线（如图10），选取仿真结果与实验结果吻合最好的一组数据，比较每个工况下复原和压缩最大阻尼力的误差，以及减振器一维仿真做功（示功图围成的面积）与实验测试做功的误差（见表4）。

图9　实验测试实验台

图10　减振器示功图仿真结果与实验结果对比

表4 减振器实验测试与仿真误差分析

通过以上4个工况下仿真结果与实验结果的对比可知，每个工况下的仿真曲线与实验测试曲线几乎重合，减振器最大阻尼力的误差最大为8.1%，最小误差为0.1%，减振器做功的误差均小于3%。

通过仿真结果与实验结果对比可知，所建立的模型仿真精度较高，由此表明：为较真实地模拟减振器动态特性，在建立仿真模型时，需考虑减振器活塞与工作缸、活塞杆与导向座之间的泄漏、减振器摩擦力和橡胶衬套等细节因素，同时，采用三维仿真获得的压降-体积流速定义非圆孔的方法，对减振器中非圆孔的节流特性进行研究是切实可行的。

3结　语

利用一维与三维结合的方法建立了双筒液压充气式减振器的精细化仿真模型，通过研究得到以下结论：

(1)对于减振器中存在的非圆孔，采用压降-体积流速的方法模拟得到的结果精度高于直接采用经验公式模拟的结果；

(2)当阀片缺口两端的压降较大时，其节流特性受阀片变形的影响较大，随着阀片变形的增大，阀片缺口表现出不一致的节流特性，因此在使用经验公式或压降-体积流速特性定义节流阀片缺口节流特性时需考虑阀片变形的影响。

参考文献：

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中图分类号：U463；TB535；TH703.63

文献标识号：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.043

文章编号：1006-1355(2016)01-0204-05

收稿日期：2015-06-27

基金项目：四川省2015科技计划项目资助(2015GZ0126)

作者简介：王铃燕（1988-），女，福建三明人，硕士，主要研究方向：车辆声振舒适性。E-mail:719626534@qq.com

通讯作者：丁渭平，男，硕士生导师，主要研究方向为汽车系统动力学，车辆噪声、振动及舒适性。E-mail:dwpc@263.net的节流压力产生，开阀后阻尼力主要由油液流经常通节流孔和节流缝隙的节流压力产生，常通节流孔对减振器的特性起着关键性作用[3]。前人为了分析减振器中各个参数对其性能的影响，进而准确地预测减振器性能，建立了各种仿真分析模型。对于减振器中存在的常通孔的节流特性一直没有可直接使用的精确公式，为研究其节流特性前人大多采用实验方法、半经验方法或三维CFD方法。实验测试手段主要获取常通孔的流量系数并结合半经验公式以描述其节流特性[4–6]，该方法可获得较高精度，但却不适用于减振器设计开发阶段；采用流量系数取常值的工程流体力学半经验公式对常通孔节流特性进行估算的相关研究有：如周长城所编写的书籍[7，8]及其他相关论文[9，10]对于常通节流孔均采用流量系数取定值的半经验公式进行估算；马天飞等利用一维仿真软件AME Sim建立的双筒叠加阀片充气式减振器仿真模型，对于减振器中存在的非圆孔（阀片缺口及底阀矩形孔）同样采用半经验公式定义的元件对进行模拟[11]。但根据文献[12]中利用三维CFD方法对常通节流孔的节流特性进行分析可知，对于节流阀片缺口形成的常通孔，未开阀时刻和阀片处于最大开阀位置时，流量系数Cq和指数n取值是不相同的；由此可知，在减振器运动过程中，采用流量系数取定值的半经验公式对非圆孔节流特性进行描述是不够准确的。为了更准确地描述减振器中非圆孔的节流特性，有必要对其进行深入研究。

Analysis of Throttling Characteristics of Non-circular Throttling Orifice of Vehicle’s ShockAbsorbers

WANG Ling-yan,DING Wei-ping,LIU Cong-zhi, XIANGwei,ZHANG Wen-jian

(Institute ofAutomotive Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract:With the dual-sleeve hydraulic shock absorber in rear suspension of a passenger car as the object,the performance analysis model of the shock absorber was built by using the combination of 1D and 3D simulations.Several physical phenomena,such as the static and viscous frictions,elastic deformation of the solid boundaries and specific leakages,were considered.The simulation methods of the non-circular throttling orifices(i.e.rectangular orifices of piston and bottom valve and valve gaps of circulation valves,compression valves etc.)in 1D model were discussed.And the effects of deformation of throttling valves on the throttling characteristics of the valve gaps were analyzed.It is shown that the simulation accuracy of using the flow-pressure characteristic obtained by 3D simulation to define the non-circular orifices is higher than that of using empirical formula.The valve gaps show different throttling characteristics with the different valve deformation.Comparison of simulation results with experimental results shows that the error of simulation results is nearly 6%at the speed of 0.05,0.1,0.6,and 1.0m/s,which indicates that the simulation of the non-circular orifices is correct and feasible.It also shows that the refined model of the shock absorber can accurately replicate the dynamic characteristics of the shock absorbers.

Key words:vibration and wave;shock absorber;AME Sim;refined model;non-circular throttling orifice