减振器复原阀阻尼特性的研究综述

宋荣华 孙晓帮 夏从涛 郭金宇

辽宁工业大学汽车与交通工程学院 辽宁锦州 121001

1 前言

减振器是汽车悬架的重要组成部分，汽车减振器的性能直接影响汽车的行驶平顺性与操纵稳定性，而减振器的复原阀阻尼特性是整个减振器阻尼特性的一部分，直接影响着减振器的性能。

自汽车诞生以来，对汽车减振器的研究一直未停止，国内厂商对减振器内部结构及阻尼特性研究一般还停留在实物分析结合台架试验的传统方法上，但是这种方法成本高、试验周期长且不具备预测性，已无法满足国内厂商快节奏研发的需求。通过仿真软件将减振器阀系结构参数对性能影响的仿真进行分析研究，可为减振器阀系自主调校提供参考和指引, 在降低研发费用的同时也可为整车自主研发打下基础。

2 减振器阻尼特性的研究现状

2020年，陈齐平、吴明明、苏校[1]三人为了设计一款性能更好的减振器，研究分析了减振器在不同工作情况下的阻尼特性。基于CFD数值方法，他们对减振器各个阀系结构进行了仔细研究后，首先建立了精度较高的减振器三维流体模型并进行了网格划分，在ANSYS的FLUENT模块中进行了流体仿真分析，由此获得了减振器复原阀阻尼力特性曲线和复原阀内部结构在不同工况下的压力场云图，同时还分析研究了在不同工况下对减振器阻尼特性产生最大影响的因素，最后通过试验来验证仿真结果的正确性。

2021年，孙超[2]为了高效研究汽车减振器阀系参数变化对其阻尼特性的影响，以汽车广泛使用的非线性液压减振器为研究对象, 结合减振器阻尼元件受力分析, 运用 MATLAB软件建立减振器特性仿真模型, 通过仿真数据与台架试验数据拟合度分析验证了所建模型的可靠性。进而他又利用仿真模型对减振器阀系展开敏感性因素分析, 得到了对阻尼特性影响显著的阀系参数，并研究了三个速度段的减振器阀系影响因素。结果表明：复原及压缩节流阀片对减振器低速工作影响显著；复原及压缩弹簧及阀片组对减振器中速工作影响显著；复原及压缩孔开孔面积对减振器高速工作影响显著。

3 减振器动态特性仿真技术的发展

减振器的动态特性通常是以阻尼力与速度之间的关系来表示。近年来很多人研究了减振器动态特性仿真技术，并建立了许多分析模型。分析模型总的来说可分为三大类型，即集总参数模型、等效参数模型和非参数模型。

3.1 集总参数模型

密歇根大学的Lang建立了双筒式悬架减振器集总参数模型，包含结构参数、油液物理性质参数和实验测试参数等83个参数，主要用于减振器高频畸变现象的研究。减振器的集总参数模型必须反映减振器的实际结构和工作过程，但减振器阻尼阀的结构比较复杂，且模型的关键参数要通过试验进行测试，导致模型通常比较复杂，因此不便进行车辆动力学仿真分析。

3.2 等效参数模型

由于集总参数模型过于复杂，国外学者基于集总参数模型基础提出了等效参数模型，他们将减振器抽象为弹性元件和阻尼元件、间隙和摩擦元件组合成的力学模型。但减振器模型的仿真结果仅在减振器低速工作时与试验结果相近。等效参数模型不涉及减振器的内部工作过程，因此结构简单、计算量小，对于车辆动力学仿真分析具有一定的优势。但模型结构和模型参数的选择与具体对象及其工作状态有很大关系。

3.3 非参数模型

非参数化建模方法对减振器的试验测试有一定的特殊要求。目前比较成熟的方法是在一定的振动频率下改变激励幅值，使每个网格内都包含足够的数据量。由于减振器的特性与工作频率有关，所以需要进行大量的激振试验，探讨如何降低试验测试工作量是该方法的难点问题和发展方向。

4 减振器阻尼特性研究仿真软件

随着计算机技术不断发展，我们有了更好的现代设计方法。使用相关的软件仿真对减振器进行动态仿真，可以发现设计缺陷和优化设计，从而得到最优设计参数，大大提高了汽车的性能。现代设计方法大大缩短了产品的开发设计周期，也降低了生产成本，目前这种现代设计方法已经成为当今减振器设计和开发的主要方法，随着计算机技术的不断发展和成熟，相关分析仿真软件的应用对进一步研究减振器的特性具有十分重要的意义。目前国内学者研究减振器特性主要的专业仿真软件有ABAQUS、ANSYS FLUENT、ANSYS CFX、ADINA 、MATLAB、AMESIM等。

5 仿真模型分类

目前国内学者利用不同的专业仿真软件，建立不同的仿真分析模型，通过这些建立的分析模型，在相应的仿真分析软件中研究减振器的各项参数对减振器工作特性的影响。近年来，国内外学者在对减振器阻尼特性进行仿真分析时，主要建立了以下几种仿真分析模型。

5.1 固体有限元模型

对减振器进行静态特性分析以及研究减振器节流阀片受力与变形之间的关系时，需要建立固体有限元模型。进行固体有限元分析时，可以选用ABAQUS软件或ANSYS WORKBENCH里的静力学分析模块，ANSYS软件在线性分析方面有很大的优势，ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能对设计和研究的高端用户提供了很大的帮助。

5.2 流体有限元模型

利用CFD仿真软件FLUENT研究开阀前和开阀后减振器内部流场变化对减振器阻尼特性的影响时，需要建立流体有限元模型，如图1、图2所示。

图1 活塞阀体形成的流道模型

图2 底阀阀体形成的流道模型

5.3 流固耦合动力学模型

流固耦合分析包括单向流固耦合和双向流固耦合两种。单向流固耦合时CFD求解和FEA求解独立进行，载荷在流体场和固体场之间单向传递[3]。当流体不可避免地受固体变形的影响时，固体变形和流体的计算必须同步进行，并在求解器之间相互传递载荷数据。在研究减振器阻尼特性时，通常是忽略固体变形对流场的影响建立单向流固耦合模型。

通过利用软件ANSYS和ANSYS FLUENT配合或ANSYS和ANSYS CFX配合以及利用专业的流固耦合软件ADINA，建立流固耦合模型。通过仿真得到流固耦合下阀片的运动状态、流场的压力云图和速度矢量图等，详细分析活塞杆直径、节流阀片外半径、阀系预紧力、常通节流孔面积、节流阀片厚度与数量、常通孔尺寸、调整垫片厚度等结构参数对减振器阻尼特性的影响。

5.4 多领域系统仿真模型

以多领域仿真软件AMESim作为减振器的仿真平台，建立其多领域系统仿真模型。多领域系统模型是指在同一环境下对多个领域复杂系统的基本组件和系统建模后进行集成得到的耦合模型。

AMESim作为一种基于键合图理论的多领域仿真软件平台，可以创建并运行多个物理场耦合仿真模型，同时可以建立简单的控制系统。AMESim软件仿真平台包括所有工程应用所需的核心设计和仿真产品，相比其他多领域仿真软件，在液压气动等领域的系统建模仿真具有较强的优势。 与AMESim依赖物理模型相比，MATLAB软件的Simulink模块更依赖于数学模型，适合熟悉编程的人员对减振器阻尼特性进行仿真。

通过建立多领域系统仿真模型，针对双筒叠加阀片式充气液压减振器，研究了活塞缝隙、常通节流孔等对减振器外特性的影响。针对阀控阻尼连续可调减振器，研究了电磁阀外壳阻尼小孔直径、电磁阀弹簧预紧力、复原阀（压缩阀）常通节流孔面积、复原阀（压缩阀）预紧力等设计参数对减振器阻尼特性的影响。

6 减振器复原阀阻尼特性仿真的行业展望

减振器在车辆悬架系统中发挥着重要的作用，作为汽车底盘的主要阻尼元件，它对于提高车辆的舒适性和平顺性有至关重要的意义。

随着计算机技术的发展和大型有限元分析软件的开发应用，使用有限元软件对减振器进行仿真分析正成为研究减振器阻尼特性的的新趋势。减振器由“经验设计、试验修正”的开发模式向依靠计算机技术不断向前发展。

7 结语

对近几年前人关于减振器阻尼特性仿真的研究进行了总结，并提出了个人对减振器复原阀阻尼特性仿真的想法。

在减振器设计阶段，利用CAE仿真技术就可以对减振器的性能进行准确预测，并通过改变设计参数对减振器的性能进行优化设计。采用ANSYS流体仿真对减振器阻尼特性进行仿真分析，将减振器速度分为低速、中速、高速三个阶段，通过改变减振器复原阀系结构参数，可得出减振器速度三级特性曲线，通过速度三级特性曲线能够详细直观地看出某一影响参数对减振器速度——阻尼力曲线的影响趋势，为以后减振器的研发提供指导。