阻尼可調葉片減振器的研制與驗證

崔恩康，韓承冷，鄒俊逸

阻尼可調葉片減振器的研制與驗證

崔恩康，韓承冷，鄒俊逸

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

設計并制造了一種阻尼可調葉片減振器，建立了減振器的三維模型；基于流體力學理論建立了減振器的動力學模型；提出了通過改變電磁閥占空比調節減振器阻尼的方案，并得到了減振器的特性曲線；基于振動試驗設備進行了臺架試驗。

葉片減振器；外置式電磁閥；阻尼調節；縫隙流量

隨著社會的發展，人們對車輛的平順性的要求越來越高。傳統懸架的阻尼系數為定值，無法滿足各種復雜路況的要求[1]。因此，阻尼可調式主動懸架應運而生，其中CDC減振器最具代表性?，F有的阻尼調節技術大多應用于筒式減振器，但是筒式減振器具有垂向占用空間大、防護性與散熱性差等缺陷，無法應用于一些特殊車輛，葉片減振器則具有占用空間小、便于布置、傳導散熱效果好等優點[2]，本文擬研制一種類似于CDC的阻尼可調式葉片減振器。

1 葉片減振器研制

葉片減振器的主要部件包括殼體、套筒、葉片、隔板、液壓管、電磁閥以及縱臂。葉片減振器的工作原理為：當車輪受到路面激勵時縱臂轉動，帶動減振器套筒及葉片旋轉，油液從高壓腔流向低壓腔，經液壓管道的節流作用，產生相應的阻尼力。根據上述原理在Solidworks中進行葉片減振器的三維模型設計，并加工出了小比例功能性樣機，實物如圖1所示。

圖1 葉片減振器實物圖

2 葉片減振器數學模型

2.1 減振器阻尼力

當車輛在路面上行駛而受到路面激勵時，減振器產生的的阻尼力矩為[3]：

=cos（1）

（2）

聯立公式（1）與公式（2），可得到?=（）的關系式。

2.2 減振器縫隙

對于上述減振器的設計，葉片處的主要間隙包括葉片密封套與套筒擴大端的間隙Gap1、葉片與殼體之間的軸向間隙Gap2、葉片與殼體間的端面間隙Gap3、葉片密封套與套筒間的間隙Gap4[4]。隔板處的間隙結構與之類似。可將所有間隙等效為一個常通孔。

2.3 流體力學模型

當車輛受到路面激勵時，減振器工作，兩腔之間產生壓差，液壓油從高壓腔流入低壓腔，主要流道包括串聯的電磁閥與液壓管、等效為常通孔的間隙。設總流量為，流經液壓管與電磁閥的流量為1，流經間隙的總流量為2。設兩腔之間壓差為?，高壓腔液壓管兩端壓差為?1，電磁閥兩端壓差為?2，低壓腔液壓管兩端壓差為?3。根據流體力學理論知識[5]，建立如下物理學模型：

液壓管可以看做細長小孔流，其兩端的壓差為：

電磁閥處看做管嘴流動，其兩端的壓差為：

將式（3）（4）帶入?=?1+?2+?3后，再將各個數值帶入，將?當作常數求解一元二次方程可得1=（?）的關系式。

葉片處的縫隙流量為：

（5）

隔板處縫隙流量gap5，gap6，gap7，gap8的計算類似。將式（5）～（12）代入2=gap1+gap2+gap3+gap4+gap5+gap6+gap7+gap8后，再代入各個參數的數值，可以得到2=（?）的關系式。

將1=（?）與2=（?）代入=1+2得到=（?）的關系式。

Q=，等式兩側積分可得到葉片減振器內部腔室內液壓油總流量計算公式為：

（9）

將各個參數的數值代入公式（9）可以得到=（）的關系式。

3 仿真分析

將上述關系式?=（）、=（?）、=（）聯立可以得到=（）的關系式。在Matlab中搭建模型，進行仿真分析。基于上述電磁閥特性可以近似認為電磁閥的占空比與開度負相關，例如電磁閥占空比等于30%時，可以等效為其開度等于70%。通過改變電磁閥孔口截面積AO的大小，得出電磁閥在全開、全閉以及70%開度這三種狀態下減振器的速度特性與示功特性，分別如圖2、圖3所示。

圖2 速度特性仿真結果

圖3 示功特性仿真結果

從仿真結果來看，葉片減振器的示功特性圖飽滿，而且壓縮行程的阻尼力小于伸張行程的阻尼力。在電磁閥三種狀態下，阻尼力有著明顯改變，這說明外置式電磁閥可以實現改變阻尼力的功能。

4 臺架試驗

為驗證仿真模型的正確性與電磁閥調節阻尼力的可行性，進行了葉片減振器的試驗研究。根據上述葉片減振器的結構及現有的MTS振動作動器，搭建了減振器試驗臺架，如圖4所示。

通過控制器調節電磁閥分別處于全開、全閉以及頻率=0.8、占空比=30%這三種狀態。同時通過臺架給葉片減振器頻率為0.8 Hz、振幅為20 mm的正弦激勵信號。得出上述三種狀態下葉片減振器的速度特性如圖5所示，示功特性如圖6所示。分析實驗結果發現，該小比例功能性樣機具有良好的阻尼特性，其最大阻尼力大于600 N。并且在電磁閥處于三種不同的狀態時，減振器的阻尼力有著明顯的改變。

圖6 示功特性試驗結果

5 結論

本文介紹了一種阻尼可調式葉片減振器的研制與驗證。建立了葉片減振器的數學模型，通過仿真和臺架試驗驗證了模型的正確性，并對比分析了減振器在不同電磁閥開度下的阻尼特性。從仿真和試驗結果可以得出以下結論：葉片減振器符合傳統減振器的要求，具有良好的阻尼特性；通過調節外置電磁閥來改變減振器阻尼的方案是可行的。

［1］李明.汽車半主動懸架可變阻尼減振器的結構及阻尼性能研究［D］.西安：長安大學，2015.

［2］丁法乾.履帶式裝甲車輛懸掛系統動力學［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［3］趙亮.車輛懸架系統中新減振元件設計和減振控制算法研究［D］.長沙：湖南大學，2008.

［4］毛建中，王路翔，毛歅博，等.節流方式對扭轉減振器的影響［J］.湖南大學學報，2012（5）：33-37.

［5］侯國祥.工程流體力學［M］.北京：機械工業出版社，2006.

U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.007

2095－6835（2019）14－0020－02

崔恩康（1998—），男，本科。

〔編輯：嚴麗琴〕