位移相关减振器动力学模型的建立

陈小燕 马良灿 钱宇 黄元毅 武伟

摘 要：根据某普通液压双筒减振器的工作原理和阀系结构特点，应用Matlab/Simulink软件建立相应的数学模型。考虑位移相关减振器实际结构中旁通槽的结构特点以及与活塞阀系的并联关系建立位移相关减振器。经试验验证，建立的数学模型可以用来反映位移相关减振器外特性和旁通槽的影响。

关键词：减振器 位移相关减振器 旁通槽 数学模型 Matlab/Simulink

1 引言

车辆悬架是车辆系统的重要部件，主要由减振器、弹簧和稳定杆组成，起到缓和路面传到车身的冲击和衰减车辆振动的作用[1]。减振器的动态阻尼特性对整车动力学性能具有很大的影响[2]。其基本工作原理是依靠减振器活塞杆与缸体的相对运动，促使其内腔液体不断流经控制阀，从而使内腔孔壁与液体之间产生的摩擦力及流体分子之间的内摩擦力做功并转化为热能。

位移相关减振器是在传统被动减振器的基础上改进而来的[3]，它们的基本工作原理是完全相同的。位移相关减振器是根据悬架的机械行程长度，车辆空载、半载以及满载时的减振器的长度，并考虑空、半载时的乘坐舒适性，在工作缸内壁加工旁通槽，以实现阻尼力特性随行程变化而变化的特点。车辆在空、半载工况下的正常行驶时，活塞在旁通槽范围内往复运动，减振器阻尼较小，舒适性提高;在满载工况或紧急工况（如急转弯）下行驶，活塞运动超过旁通槽范围，减振器阻尼较大，安全性可以保证。

2 原减振器的结构和工作原理

某车型原减振器是传统被动式双筒减振器，含有有杆腔、无杆腔和储油腔三个腔室;在活塞上有复原阀和流通阀，在底阀上有压缩阀和补偿阀，共四个阀系。减振器的部分结构简图如图1。

在复原行程中，减振器活塞相对于工作缸向外运动，有杆腔内的体积减少，油液压力升高;无杆腔内的体积增大，油液压力降低。由此有杆腔和无杆腔形成的压差使有杆腔中部分油液通过复原阀流入到无杆腔中。但是由于活塞杆的影响，使得这部分油液不足以充满活塞移动形成的空间，所以储油缸中的部分油液会经过底阀补偿阀流入到无杆腔，并且伴随着储油腔中压力气体的膨胀。同理地，在压缩行程中，减振器活塞相对于工作缸向内运动，有杆腔内的体积增大，油液压力减小;无杆腔内的体积减小，油液压力增大。无杆腔被排出的油液一部分经过活塞流通阀进入到有杆腔，另一部分通过底阀压缩阀流入到储油腔，伴随着储油腔中压力气体的压缩。

总之，在复原和压缩运动中，油液被“挤”过各个阀系，产生的摩擦和液体的粘性摩擦形成了振动阻力，将振动能量转变为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的。

3 减振器建模理论基础

4 原减振器的建模

减振器是一个复杂的非线性、时变系统，其阻尼特性不仅与悬架相对运动速度有关，还与工作环境温度、油液粘度、油液的可压缩性及油液在减振器内的流动特性有关[6]。为简化问题，在对普通双筒减振器建模时，做了以下几个假设[7][8]：

1）在减振器一个工作周期内，减振器内的油液温度保持不变;

2）活塞环与工作缸之间无泄漏;

3）不计减振器内部油液重力势能的影响;

4）不计减振器在节流过程中，汽化的油蒸汽所消耗的油液质量;

5）忽略积累于工作缸中的油汽泡体积变化;

6）忽略压力和温度所引起的油液粘度变化和系统构建弹性变形;

7）减振器各元件间的摩擦简化为固定值;

8）除了复原阀、压缩阀、常通阀、补偿阀和旁通槽处的压力降之外，别处的流体能量损失均忽略不计。

根据上面对原普通双筒减振器的结构、工作原理、理论基础以及假设的阐述，利用Matlab/Simulink软件对原减振器进行数学建模。

将旁通槽模型带入到原减振器模型中，取旁通槽等效面积为5mm2，有效作用长度为48mm（旁通槽两端过渡段长度为5mm），在行程为50mm，最大速度为0.52m/s的正弦位移激励下的示功图与试验结果对比图，如图5（图中曲线Experiment1是原减振器的试验结果;曲线Simulation是位移相关减振器的仿真结果;曲线Experiment2是位移相关减振器试验结果）：

对比图中，仿真曲线旁通槽（对应示功图中的“凹坑”）两边的曲线斜率和最大值相对于实验结果的差异可能是由于试验中的安装的工作缸外径比原减振器的小了0.4mm，没有向储油缸中充入压力气体，充入减振器中的油液体积的偏差以及活塞阀系预紧力的改变所致。

综合来看，位移相关减振器模型仿真结果与实验结果的趋势大致相同，数值偏差也在较小的范围内，在工程允许范围内。在某一旁通槽截面积下，仿真结果可以量化地反映旁通槽对减振器示功曲线的影响。因此，该Simulink模型可以用来反映位移相关减振器的外特性，以及指导旁通槽槽型的设计。

6 结语

本文根据某车型减振器的具体结构，使用能描述减振器内部阀系特性的基本参数，建立普通双筒减振器的数学模型。仿真计算得到的示功曲线与试验得到的示功曲线符合较好。在此基础上，在模型中加入旁通槽模型，对比仿真结果与试验结构符合的比较好，可以用来反映旁通槽对减振器外特性的影响以及反过来指导旁通槽槽型的设计。

参考文献：

[1]王望予. 汽车设计（第四版）[M].北京： 机械工业出版社，2004.8.

[2]David Crolla. The influence of damper properties on vehicle dynamic behavior[C]//SAE Paper，2002-01-0319.

[3]郭孔輝. 行程相关减振器的建模与试验[J]. 吉林大学学报（工学报），2008.2.

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[5]Frank M. White. Fluid Mechanics（7th Revised Edition）[M].McGraw Hill Higher Education，2010.3.

[6]周长城. 汽车减振器设计与特性仿真[M].机械工业出版社，2012.5.

[7]孙胜利. 位移相关减振器动力学建模及对车辆性能影响的研究[D].吉林大学，2008

[8]赵廷香. 基于车辆平顺性的行程相关减振器的设计[D].吉林大学，2012.

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[10]Choon-Tae Lee and Byung-Young Moon. Simulation and experimental validation of vehicle dynamic characteristics for displacement-sensitive shock absorber using fluid-flow modelling[J]. Mechanical Systems and Signal Processing 20 （2006） 373-388.

[11]Choon-Tae Lee. Study of the simulation model of a placement-sensitive shock absorber of a vehicle by considering the fluid force[J]. Journal of Automobile Engineering，2005，219（8）：965-975.