减振器阻尼特性仿真及结构参数影响分析黄安贻图文精.docx

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减振器阻尼特性仿真及结构参数影响分析黄安贻图文精

第37卷　第6期2013年12月

武汉理工大学学报（交通科学与工程版

Journal　of　Wuhan　University　

of　Technology（Transportation　Science　&Engineering

Vol.37　No.6

Dec.2013

减振器阻尼特性仿真及结构参数影响分析

黄安贻1,2　施宇锋

1

（武汉理工大学机电工程学院1　武汉　430070　（武汉理工大学华夏学院2　武汉　430223摘要:

通过对一种双缸式减振器液力系统进行分析,应用液压流体力学理论建立了其数学模型,在MATLAB/Simulink中搭建了减振器仿真模型并进行仿真,其仿真结果与实验结果符合较好.在此基础上利用该减振器仿真系统分析了减振器几个结构参数对减振器阻尼特性的影响,以指导减振器的设计从而较快地获得最合适的结构参数和最优的阻尼特性.关键词:

减振器;阻尼特性;仿真;结构参数影响中图法分类号:

U463.33　

doi:

10.3963/j

.issn.2095-3844.2013.06.016　　　　收稿日期:

2013-08-

10　　　　黄安贻（1965-

:

男,工学博士,教授,主要研究领域为机械工程控制与测试、智能仪器仪表、机电一体化系统、复杂曲面精密测量与重构等

0　引　　言

减振器是车辆悬架系统的重要组成部分,其阻尼特性直接影响着整车的平顺性与操纵稳定性.

为与开发的新车型相匹配,经常要根据减振器阻尼特性要求对其进行调整或重新设计.传统的减振器设计方法是以阻尼特性为参考指标,在大量的减振器试验过程中,不断试凑得到减振器结

构参数[1-

2].

这种设计方法不仅开发周期长,效率低,

而且成本高.随着计算机技术的发展,应用仿真技术可以预测减振器的阻尼特性,

这方面的研究虽有不少[

3-

4],但对减振器结构参数的影响的研究较少.本文应用MATLAB/simulink对其进行

仿真,以分析减振器结构参数对阻尼特性的影响,指导减振器的设计.

1　减振器物理数学模型

1.1　减振器液力系统模型

依据减振器的结构及对关键阀系的研究,可将双缸式减振器抽象为如图1所示的液力系统.

图1中:

p1,p2,p3分别为I,II,III腔压力,其中III腔中有部分空气,其体积为V3;X（t

为活塞图1　液力系统图

相对阻尼缸的位移,向上为正,中间位置X（t=

0;X′（t为活塞相对阻尼缸的速度,向上为正;Ap为活塞截面积;Ar为活塞杆截面积;Q21,Q23分别

为II腔与I,III腔之间的流量;由各腔容积变化可得以下流量关系

Q21=（Ap-Ar

X′（t（1Q23=Ap

X′（t（2

式中:

A1为活塞上的常通阻尼孔面积;A2为活塞

片上的常通阻尼孔面积;A3为压缩阀座上的常通

阻尼缝隙面积;Aff和A

fy

分别为复原阀在复原行

程和压缩行程中形成的节流缝隙面积;A

yf

为压缩阀在复原行程中形成的节流缝隙面积.

1.2　减振器数学模型

1.2.1　压缩行程数学模型

由图1,在复原阀处,油液一部分经常通阻尼孔A1流入上腔,流量为Q211,产生的节流压差

p211=

2

211

2（CqA1

（3

　　另一部分油液经形成的缝隙流入上腔,流量为Q212,产生的节流压差

p212=

（

1

/

1

πhfy212

（4

式中:

R1,r1为径向流动的内外径;h

fy

为复原阀片在压缩行程中的开启高度.上下2腔总压差p21=p211+p212（5　　又根据流量守恒有

Q21=Q211+Q212（6　　在压缩阀处,不足部分由贮油腔经压缩阀上的常通节流缝隙A3补充,流量为Q23.产生的压差

p32=12l2

b2h3yy23

（7

式中:

b2为缝隙的宽度;l2为通流长度;h

yy

为压缩阀片在压缩行程中的开启高度.

1.2.2　复原行程数学模型

由图1,在复原阀处,油液一部分通过常通孔A1流入下腔,流量为Q121.产生的压差

p121=

Q121

2CqA1

（8

　　另一部分可经阀片与活塞片之间的缝隙流入下腔,流量为Q122.产生的压差

p122=12l1

b1h3ff122

（9

式中:

b1为缝隙的宽度;l1为通流长度;h

ff

为复原阀片在复原行程中的最大挠度.由环形阀片弯曲变形[5]可得

hff=Gr122

h3

（10式中:

Gr为阀片的弯曲变形系数;h为阀片厚度.又根据流量守恒有

Q12=Q121+Q122（11式中:

Q12与Q21大小相同但流向相反.

上下2腔压差

p12=p121+p122（12　　在压缩阀处,贮油腔中的油液经所产生的缝

隙补充至下腔,流量为Q32（与Q23大小相同但流向相反.其产生的节流压差为

p32=

（

2

/

2

πhyf32

（13

式中:

R2,r2为径向流动的内外径;h

yf

为压缩阀片在复原行程中的开启高度.

1.2.3　贮油腔压力分析

设在装配位置时,贮油腔中气体体积为V0,压强为大气压力p0,贮油箱油压与气体压强相当,由理想气体状态空间方程有

p3V3=p0V0（14　　又由体积关系可知

V3=V+[l+X（t]Ar（15式中:

l为从中间位置至阻尼弹簧未起作用前的最大复原行程.

由此可计算出贮油腔中的油压

p3=0

V0

V+l+XtAr

（16　　由复原行程及压缩行程模型中计算的压差即可计算出上下2腔压强p1,p2.

1.2.4　阻尼力的数学描述

设复原阻尼力方向为正向,由图1,对活塞进行受力分析,可求得阻尼力为

F=（Ap-Arp1-App2（172　减振器阻尼特性仿真及实验验证

2.1　MATLAB减振器阻尼特性仿真

根据减振器物理数学模型,按照减振器在测试时的工况,可在MATLAB/Simulink环境下建立图2所示的仿真模型.

为方便修改仿真参数和查看仿真结果,可应用MATLAB/GUI设计如图3所示的仿真图形用户界面,开发减振器设计系统.

2.2　仿真结果与实验结果对比分析

对比图4,图5在相同测试条件下的实验示功图和仿真示功图,实验示功图与仿真示功图的形状、走势及相应的数值基本相似,在行程上止点及下止点处实验示功图变化较缓,而仿真示功图的变化则较快,这是因为在真实的工况下,减振器活塞有一个换向的过程,这会引起阻尼器内产生紊流,而在仿真模型中没有体现这一点,另外还有油液可压缩性和惯性力的影响[6],因此在上止点与下止点处实验示功图与仿真示功图存在的差异是可以理解的.

·3021

·

　第6期黄安贻,等:

减振器阻尼特性仿真及结构参数影响分析

图2　减振器Simulink

模型

图3　减振器GU

I

图4　实验结果

利用所建立的仿真模型和仿真系统,对4种型号减振器进行了阻尼特性仿真和实验研究,

仿图5　仿真结果

真结果与实测数据见表1.其中,Ff为最大复原阻尼力值,Yf为最大压缩阻尼力值.

表1　不同型号减振器仿真与实验对比精度分析

型号Ff

/N仿真

Ff

/N相对

误差/%Yf/N

仿真

Yf/N相对

误差/%A　637　668.8　5.00　294　2

81.8-4.12

B　880　879.7-0.03　39.8

C　880　876.9-0.35　294　2

80.3-4.64D　

617　670.7　

8.72　

294　2

80.3-4.64

　　对比表1中实验与仿真结果的最大复原阻尼

力值与压缩阻尼力值,误差不超过10%,符合工程实际要求,仿真系统是可靠的.

3　结构参数影响分析

利用已开发的减振器仿真模型和仿真软件系统分析活塞孔直径、活塞上常孔、阀片厚度及片数和压缩阀形式等结构参数对阻尼力的影响.3.1　活塞孔直径的影响

由图6,在相同测试条件下,复原阀活塞片上的阻尼孔直径有1.6,1.5和1.4mm时,阻尼器所产生的最大复原阻尼力值为分别为700,880和

1　

140N.可见,阻尼孔径越小,节流效果越明显,阻尼力值越大,活塞片上阻尼孔直径改变0.1mm也将会对阻尼力值产生很大的影响.

·

4021·武汉理工大学学报（交通科学与工程版

2013年　第37卷

图6　不同活塞孔径下的阻尼特性

3.2　活塞上常通孔的影响

由图7,在相同测试条件下,活塞上无常通孔时、有常通孔直径0.8mm时和有常通孔直径0.9mm时的最大复原阻尼力值分别为880,660和610N;配置有常通孔的阻尼器比无常通孔所得到的示功图较饱满一些.可见,活塞上常通孔有很好的分流效果,

配置适当的常通孔可以调节所需的阻尼力值,

并改善减振效果

.图7　不同常通孔下的阻尼特性

3.3　阀片厚度及叠加阀片的影响由图8,在相同测试条件下,采用1片0.1mm厚、2片0.1mm、3片0.1mm厚和1片0.2mm厚的阀片时产生的最大复原阻尼力值分别为

750,880,980和1　400N.可见,相同阀片,叠加片数越多,等效厚度越大,阻尼力值越大;总厚度相同,但等效厚度不同,如分别采用1×0.2mm和2×0.1mm的阀片,

所产生的阻尼力值是不同的,

而且差别很大.3.4　压缩阀形式的影响由图9,当使用常规压缩阀时,示功图较饱满圆滑,产生的阻尼效果将优于采用简单的冲压孔作为压缩阀.当然,在性能要求不是很高的情况下可以选择冲压孔作为压缩阀以节省成本.

5　结束语

考虑减振器内部油液的流动以及节流阀片的

图8　

不同阀片下的阻尼特性

图9　不同压缩阀下的阻尼特性

变形等真实工作状态,建立了减振器物理数学模型,根据该物理数学模型搭建的Simulink仿真模型的仿真结果与实验结果吻合较好,所建的仿真模型是可靠的.

在此基础上开发了减振器设计分析软件系统,并用该系统分析了活塞孔直径、活塞上常通孔、

阀片厚度及片数和压缩阀形式对减振器阻尼特性的影响,该系统能成功地预测减振器阻尼特性并指导减振器结构设计.

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6.（下转第1210页

·

5021·　第6期

黄安贻,等:

减振器阻尼特性仿真及结构参数影响分析

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IEEE　Computer　Society　Press,1994:

202-

212.Research　on　the　Lay

out　of　Bike　Rental　StationsAround　a　Railway　

StationCHEN　Jing

xu　WANG　Wei　CHEN　Xuewu　ZHU　Senlai（School　of　Transportation,Southeast　University,Nanjing2

10096,ChinaAbstract:

This　paper　constructs　a　hierarchical　structure　of　bike　rental　stations　around　a　railway　

station.Based　on　land　use　function,population　and　bike　mode　split　rate　of　every　layer,bike　rental　stations　aredivided　into　three　parts,namely　nuclear　node,one-level　nodes　and　two-level　nodes,and　later　thequantity　

of　bike　rental　stations　and　bikes　are　estimated.Then　an　improved　immune　algorithm　is　uti-lized　to　select　several　appropriate　two-level　nodes　as　bike　management　nodes.Finally,a　case　study　ofNanjing　Tianyin　Road　Station　is　conducted,and　the　paper　gives　the　layout　proposal　of　bike　rental　sta-tions　within　the　radiation　scope　of　the　railway　

station.Key　

words:

transportation　planning;bike　sharing　system;rental　station;immune　alg欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁

orithm（上接第1205页

Shock　Absorber　Damping　

Behavior　Simulation　andStructure　Parameters　Influence　Analy

sisHUANG　AnYi　1,2

　SHI　YuFeng

1

（School　of　Mechanic　and　Electronic　Engineering,Wuhan　University　

of　Technology,Wuhan430070,China1

（Huaxia　College,Wuhan　University　

of　Technology,Wuhan　430223,China2

Abstract:

The　mathematic　model　of　a　double-tube　shock　absorber　was　established　according　

to　its　hy-draulic　system,and　then　MATLAB/Simulink　was　used　to　build　the　simulation　system　of　the　shockabsorber　so　as　to　evaluate　the　damping　behavior.The　simulation　results　were　found　to　be　quite　closedto　experiment　data.The　effect　of　several　structure　parameters　on　the　shock