汽車雙筒液壓減振器工作特性仿真分析

蔣兵，夏瓊，羅明軍

(1.奇瑞商用車(安徽)有限公司工程研究院，安徽蕪湖 241006；2.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程院，安徽蕪湖 241006 )

汽車雙筒液壓減振器工作特性仿真分析

蔣兵1，夏瓊2，羅明軍1

(1.奇瑞商用車(安徽)有限公司工程研究院，安徽蕪湖 241006；2.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程院，安徽蕪湖 241006 )

為了解決有限元方法難以準確描述汽車用雙筒液壓減振器工作特性的難題，首先闡述了雙筒液壓減振器的結構組成，較為詳細分析了該減振器的工作原理；建立減振器機械系統的3D數字模型，基于ADAMS仿真軟件搭建雙筒液壓減振器的多體動態仿真模型，并在此基礎上仿真分析液壓減振器的示功圖、阻尼特性評價和非線性特征；最后通過減振器臺架試驗對CAE分析結果進行驗證，研究結果表明：仿真計算模型能較準確地模擬減振器外特性。該研究為減振器的設計和分析提供參考。

雙筒液壓減振器；示功圖；阻尼特性；仿真分析；臺架試驗

0 引言

汽車懸架用被動減振器主要有液壓和充氣兩種，就所有減振器而言，按阻尼材料的性質可分為[1]：固體減振器、液體減振器、磁阻尼減振器以及沖擊減振器。隨著時代的發展，大體經歷了干摩擦式減振器、鼓式減振器、臂式減振器、雙筒液壓減振器和單筒預充氣式減振器的發展階段[2]。由于種種明顯的缺陷，前幾種減振器已經被淘汰。目前，國內多采用雙筒液壓減振器[3]。

1 雙筒液壓減振器的結構及其工作原理

減振器壓縮行程時，活塞3向下移動，活塞下腔室的容積減少，油壓升高，油液經流通閥8流到活塞上面的腔室(上腔)。上腔被活塞桿1占去了一部分空間，因而上腔增加的容積小于下腔減小的容積，一部分油液于是推開壓縮閥6流回貯油缸5。

圖1 雙筒液壓減振器結構示意圖

減振器伸張行程時，活塞向上移動，活塞上腔油壓升高，流通閥8關閉，上腔內的油液推開伸張閥4流入下腔。由于活塞桿的存在，自上腔流來的油液不足以充滿下腔增加的容積，下腔產生真空度，這時儲油缸中的油液推開補償閥7流進下腔進行補充。閥的節流將對懸架在伸張運動時起到阻尼作用[4]。

圖2 雙筒液壓減振器工作閥示意圖

2 雙筒液壓減振器建模

2.1 數字模型的建立

采用CATIA三維建模軟件分別建立汽車雙筒液壓減振器的主要零部件，主要包括活塞頂桿、活塞、上吊環、壓縮閥座、油封蓋、工作缸、儲油缸筒、導向座、底閥彈簧、復原閥閥片[5-8]。最后，通過軟件自帶的裝配模塊將零部件裝配起來，搭建了雙筒液壓減振器的裝配圖，如圖3所示。

圖3 雙筒液壓減振器裝配圖

2.2 減振器虛擬樣機模型的建立

通過接口技術將雙筒液壓減振器的x_t文件導入到多體虛擬仿真ADAMS/View軟件中，然后在ADAMS/View中，根據各部件的運動關系，添加各部件直接的約束關系(見表1)。

2.3 減振器參數定義

在ADAMS/View中，將減振器簡化為彈簧單元，通過定義彈簧的彈性剛度系數K和阻尼系數C來定義減振器的參數，如圖4所示[9]。

圖4 減振器參數定義

2.4 減振器的驅動和載荷

按照減振器的實際工作狀態，對后減振器進行驅動和載荷的定義，如表2所示，共定義了6個MOTION，其中MOTION_2至MOTION_6的Function均為各自閥片的重力大小，負號代表此力的方向與重力加速度的方向相反。

表2 驅動函數Function

3 減振器阻尼特性仿真分析

各部件的尺寸都是按照實際的尺寸大小，其質量都是由ADAMS通過尺寸與密度關系自動算出。文中取1/4車身，用一個長方體代替[10]。

為了模擬減振器的減振特性，采用正弦波近似模擬路面不平度，其函數為z=10×sin(2×3.14×10×t)+sin(2×3.14×20×t)+sin(2×3.14×40×t)+sin(2×3.14×60×t)。設置仿真步數為500，系統將會根據仿真的時間和步數計算出仿真的時間間隔[11]。活塞頂桿和工作缸的加速度曲線如圖5所示。

圖5 活塞頂桿和工作缸的加速度曲線

對減振器進行仿真分析得到其示功圖，考察行程為40 mm，得到速度為0.05、0.1、0.3、0.6、0.8和1.0 m/s的示功圖和減振器工作阻尼特性，如圖6所示。

圖6 減振器仿真結果

從圖5可以看出：活塞頂桿加速度不穩定，有較大的振蕩，而工作缸的加速度基本是一個正弦振蕩。在工作缸加速度到達最高或最低點時，活塞頂桿發生一次沖擊，隨后活塞頂桿加速度趨于平緩。隨著工作缸加速度到達波峰或波谷，活塞頂桿加速度又一次振蕩。工作缸的速度要遠遠大于活塞頂桿的速度，所以活塞頂桿的振蕩應是在活塞頂桿與工作缸的相對速度等于零處開始的。

4 臺架試驗

根據減振器臺架試驗標準QC/T 545，在減振器臺架上采用正弦激勵對減振器進行激勵[12-13]。活塞相對于工作缸做簡諧波運動時，測試減振器在不同速度下的示功圖和工作阻尼特性,如圖7所示。

圖7 減振器測試結果

從圖7看出阻力-速度特性圖具有如下特點：阻力-速度特性由4段近似直線線段組成，其中壓縮行程和伸張行程的阻力-速度特性各占兩段；各段特性線的斜率是減振器的阻尼系數k=F/v，減振器有4個阻尼系數，在沒有特別指明時，減振器的阻尼系數是指卸荷閥開啟前的阻尼系數。通常壓縮行程的阻尼系數與伸張行程的阻尼系數不等。

5 小結

(1)闡述了雙筒液壓減振器的結構組成，較為詳細分析了該減振器的工作原理。

(2)搭建了汽車雙筒液壓減振器機械系統的3D數字模型，基于ADAMS仿真軟件建立了雙筒液壓減振器的多體動態仿真模型，并在此基礎上對液壓減振器的示功圖、阻尼特性和非線性特征進行仿真分析。

(3)通過減振器臺架試驗對CAE分析結果進行驗證，研究結果表明：仿真計算模型能較準確地模擬減振器外特性，與臺架試驗結果一致，為減振器的設計開發提供工程指導。

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Performance Simulation Analysis of Binocular Hydraulic Shock Absorber on Automobile

JIANG Bing1, XIA Qiong2, LUO Mingjun1

(1.Automotive Engineering Research Institute, Anhui Chery Commercial Vehicle Company, Wuhu Anhui 241006,China;2.Automotive Engineering Research Institute,Chery Vehicle Co., Ltd., Wuhu Anhui 241006,China)

In order to solve the difficulty that finite element method was hard to to accurately describe performance of binocular hydraulic shock absorber on automobile, the structure of a binocular hydraulic shock absorber was expounded, the working principle of the binocular hydraulic shock absorber was analyzed in great detail; the 3D digital model of the mechanical system of the binocular hydraulic shock absorber was established based on CATIA software and the multi-body dynamic simulation model of the absorber was built based on the ADAMS simulation software;the indicator diagram, damping characteristics evaluation and simulation analysis for the absorber were made.Finally the CAE analysis result was validated by the shock absorber bench test.The result has shown that the simulation calculation model can accurately simulate the shock absorber external characteristic. It provides reference for design and analysis of shock absorber.

Binocular hydraulic shock absorber; Indicator diagram; Damping characteristics; Simulation analysis; Bench test

2017-01-24

國家自然科學基金資助項目(51405123);江西省教育部項目(贛教技字[2007]20號)

蔣兵(1980—)，男，主要研究方向為汽車整車技術開發。

羅明軍，E-mail：lmjlmh2008@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.001

U461.1

A

1674-1986(2017)02-003-04