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

1、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 J o u r n a l o f W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y (T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e &E n g i n e e r i n gV o l . 37 N o . 6D e c . 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

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 MA T L A B /S i m u l i n k 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 :U 463. 33d o i :10. 3963/j. i s s n . 2095-3844. 2013. 06. 0

3、16 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

4、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 MA T L A B /s i m u l i n k 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 :p 1, p 2, p 3分别为 I , I I , I I I 腔压力 , 其 中

5、I I I 腔中有部分空气 , 其体积为 V 3; 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 ; A p 为活塞截面积 ; A r 为活塞杆截面积 ; Q 21, Q 23分别为 I I 腔 与 I , I I I 腔 之 间 的 流 量 ; 由 各 腔 容 积 变 化 可得以下流量关系Q 21=(A p -A r X (t (1 Q 23=A pX (t (2式中 :A 1为活塞上的常通阻尼孔面积 ; A 2为活塞片上的常通阻尼孔面积 ; A 3为压缩阀座上的常通阻尼缝隙面积 ; A

6、f f 和 Af y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 ; Ay f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 A 1流入上腔 , 流量为 Q 211, 产生的节流压差p 211=22112(C q A 1(3 另一部分油液经形成 的缝隙流入上腔 , 流量 为 Q 212, 产生的节流压差p 212=(1/1h f y 212(4式中 :R 1, r 1为径向流动的内外径 ; hf y为复原阀片 在压缩行程中的开启高度 . 上下 2腔总压差 p 21=p 211+p

7、212(5 又根据流量守恒有Q 21=Q 211+Q 212(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 A 3补 充 , 流 量 为 Q 23. 产 生 的 压 差p 32= 12l 2b 2h 3y y 23(7式中 :b 2为缝隙的宽度 ; l 2为通流长度 ; hy y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 A 1流入下腔 , 流量为 Q 121. 产生的压差p 121=Q 1212C q A 1(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 Q 122. 产

8、生的压差p 122= 12l 1b 1h 3f f 122(9式中 :b 1为缝隙的宽度 ; l 1为通流长度 ; hf f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h f f =G r 122h 3(10 式中 :G r 为阀片的弯曲变形系数 ; h 为阀片厚度 . 又根据流量守恒有Q 12=Q 121+Q 122(11 式中 :Q 12与 Q 21大小相同但流向相反 .上下 2腔压差p 12=p 121+p 122(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 Q 32(与 Q 23大 小 相 同 但 流 向相反 . 其

9、产生的节流压差为p 32=(2/2h y f 32(13式中 :R 2, r 2为径向流动的内外径 ; hy f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 V 0, 压强为大 气 压 力 p 0, 贮 油 箱 油 压 与 气 体 压 强 相 当 , 由理想气体状态空间方程有p 3V 3=p 0V 0(14 又由体积关系可知V 3=V +l +X (t A r (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p 3=0V 0V +l

10、 +X t A r(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 p 1, p 2.1. 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 =(A p -A r p 1-A p p 2(17 2 减振器阻尼特性仿真及实验验证2. 1 M A T L A B 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 MA T L A B /S i m u l i n k 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 MA T L A B

11、/G U I 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

12、图存在的差异 是可以理解的 .3 0 2 1 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 S i m u l i n k模型图 3 减振器 G UI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 , F f 为 最 大 复 原 阻尼力值 , Y f 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 F f/N 仿真F f/N 相对误差 /%Y f /N仿真Y f /N 相对误差 /%A 637 668. 8 5

13、. 00 294 281. 8-4. 12B 880 879. 7-0. 03 39. 8C 880 876. 9-0. 35 294 280. 3-4. 64D 617 670. 78. 72294 280. 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

14、活塞片上 的阻尼孔直径有 1. 6, 1. 5和 1. 4m m 时 , 阻尼器 所产生的最大复原阻尼力值为分别为 700, 880和1140N. 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. 1m m 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. 8m m 时和有常通孔直径 0. 9m m 时的最 大 复

15、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. 1m m 厚 、 2片 0. 1m m 、 3片 0. 1m m 厚和 1片 0. 2m m 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

16、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 10. 2m m 和 20. 1m m 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

17、 , 建立了减振器物理数学模 型 , 根据该物理数学模型搭建的 S i m u l i n k 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 .参 考 文 献1 汽车工 程 手 册 摩 托 车 篇 编 辑 委 员 会 . 汽 车 工 程 手 册 M . 北京 :人民交通出版社 , 2001.2吕振华 , 李世民 . 筒式 液 阻 减 振 器 动 态 特 性 模 拟

18、 分 析 技术的 发 展 J . 清 华 大 学 学 报 , 2002, 42(1 :1532-1536.3徐 中 明 , 李 仕 生 , 张 志 飞 , 等 . 基 于 MA T L A B /S i m u -l i n k 的汽车减振器外特性 仿 真 与 性 能 分 析 J . 汽 车 工程 , 2011, 33(4 :329-334. 4任卫群 , 赵 峰 , 张 杰 . 汽 车 减 振 器 阻 尼 特 性 的 仿 真分析 J . 系统仿真学报 , 2006, 18(2 :957-960. 5周长城 , 张 绍 阁 , 顾 亮 . 环 形 弹 性 阀 片 弯 曲 变 形 曲 面方程及其

19、解 J . 山 东 理 工 大 学 学 报 , 2006, 20(4 :8-11. 6唐大林 , 龚双 林 , 茆 小 元 , 等 . 浅 谈 减 振 器 外 特 性 J .摩托车技术 , 2001(10 :3-6. (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布局优化模型 J . 武 汉 理 工 大 学 学 报 , 2012, 36(1 :129-133. 5单晓峰 . 城 市 自 行 车 交 通 合 理 方 式 分 担 率 及 其 路 段 资源配置研究 D . 南京 :东南大学 , 2007.6冯 宝 . 轨 道 交 通 站 点 自 行

20、车 换 乘 设 施 规 划 研 究 D . 南京 :东南大学 , 2012.7莫宏伟 . 人工免疫系统原理与应用 M .哈尔滨 :哈尔 滨工业大学出版社 , 2002.8刘 冰 . 人工免疫算法及其应用研究 D .重庆 :重庆 大学 , 2004.9肖人彬 , 曹鹏彬 , 刘 勇 . 工程免疫计算 M .北京 :科 学出版社 , 2007.10F O R R E S T S , P E R E L S O N A. S e l f -n o n s e l f d i s c r i m i -n a t i o n i n a c o m p u t e r C . P r o c e e

21、d i n g o f 1994I E E E S y m p o s i u m o n R e s e a r c h i n S e c u r i t y a n d P r i v a c y . L o s A l a m o s , C A :I E E E C o m p u t e r S o c i e t y P r e s s , 1994:202-212. R e s e a r c h o n t h e L a yo u t o f B i k e R e n t a l S t a t i o n s A r o u n d a R a i l w a y S

22、t a t i o n C H E N J i n gx u W A N G W e i C H E N X u e w u Z H U S e n l a i (S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g 210096, C h i n a A b s t r a c t :T h i s p a p e r c o n s t r u c t s a h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r e o

23、 f b i k e r e n t a l s t a t i o n s a r o u n d a r a i l w a y s t a t i o n . B a s e d o n l a n d u s e f u n c t i o n , p o p u l a t i o n a n d b i k e m o d e s p l i t r a t e o f e v e r y l a y e r , b i k e r e n t a l s t a t i o n s a r e d i v i d e d i n t o t h r e e p a r t s ,

24、 n a m e l y n u c l e a r n o d e , o n e -l e v e l n o d e s a n d t w o -l e v e l n o d e s , a n d l a t e r t h e q u a n t i t y o f b i k e r e n t a l s t a t i o n s a n d b i k e s a r e e s t i m a t e d . T h e n a n i m p r o v e d i m m u n e a l g o r i t h m i s u t i -l i z e d t

25、o s e l e c t s e v e r a l a p p r o p r i a t e t w o -l e v e l n o d e s a s b i k e m a n a g e m e n t n o d e s . F i n a l l y , a c a s e s t u d y o f N a n j i n g T i a n y i n R o a d S t a t i o n i s c o n d u c t e d , a n d t h e p a p e r g i v e s t h e l a y o u t p r o p o s a l

26、 o f b i k e r e n t a l s t a -t i o n s w i t h i n t h e r a d i a t i o n s c o p e o f t h e r a i l w a y s t a t i o n . K e y w o r d s :t r a n s p o r t a t i o n p l a n n i n g ; b i k e s h a r i n g s y s t e m ; r e n t a l s t a t i o n ; i m m u n e a l g 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

27、欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁o r i t h m (上接 第 1205页 S h o c k A b s o r b e r D a m p i n g B e h a v i o r S i m u l a t i o n a n d S t r u c t u r e P a r a m e t e r s I n f l u e n c e A n a l ys i s H U A N G A n Y i 1, 2 S H I Y u F e n g1(S c h o o l o f M e c h a n i c a n d E l e c t r o n i c E n

28、 g i n e e r i n g , W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , W u h a n 430070, C h i n a 1(H u a x i a C o l l e g e , W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , W u h a n 430223, C h i n a 2A b s t r a c t :T h e m a t h e m a t i c m o d e l o f a d o u b l e -t u b e

29、s h o c k a b s o r b e r w a s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o i t s h y -d r a u l i c s y s t e m , a n d t h e n MA T L A B /S i m u l i n k w a s u s e d t o b u i l d t h e s i m u l a t i o n s y s t e m o f t h e s h o c k a b s o r b e r s o a s t o e v a l u a t e t h e d a m p i n g b e h a v i o r . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s w e r e f o u n d t o b e q u i t e c l o s e d t o e x p e r i m e n t d a t a . T h e e f f e c t o f s e v e r a l s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o n t h e s h o c k