閥系參數對汽車減振器阻尼特性的影響

孫超

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

0 引言

隨著國內汽車工業高速發展以及人們對汽車認識的不斷成熟，使得用戶對汽車性能和品質的要求越來越高。底盤性能是衡量一輛汽車性能好壞的主要內容，減振器作為底盤系統的重要部件其性能直接影響汽車操穩性和平順性。國內廠商對減振器內部結構及阻尼特性研究一般還停留在實物分析結合臺架試驗的傳統方法，這種方法成本高、試驗周期長且不具備預測性，已無法滿足國內廠商快節奏研發的需要[1]。

由于國內減振器閥系研究起步較晚缺乏經驗積累加之國外技術保密，造成相關技術發展緩慢，以往國內減振器閥系調校項目一般是由國外技術人員所主導。通過減振器閥系結構參數對性能影響的研究可為減振器閥系自主調校提供參考和指引，在降低研發費用的同時也可為整車自主研發打下基礎。

1 雙筒液壓減振器工作原理及閥系結構

1.1 液壓減振器工作原理

減振器在工作循環中的壓力降決定了其阻尼力大小。從雙筒液壓減振器工作原理可看出減振器阻尼特性受到其內部閥系影響較大，雙筒式液壓減振器工作原理按圖1所示分為復原行程和壓縮行程。

圖1 雙筒液壓減振器工作原理

復原行程：當活塞總成和活塞桿向上運動，油液通過活塞常通縫隙或孔(圖中未畫出)和復原閥從減振器缸筒上油腔流向下油腔，因為活塞桿會占一部分體積，所以從上油腔流向下油腔的油液無法完全填充下油腔體積增加部分，此時儲油腔中部分油液便會經過底閥上的補償閥及常通縫隙或孔(圖中未畫出)流向下油腔。

壓縮行程：當活塞總成及活塞桿向下運動，油液通過活塞的常通縫隙或孔(圖中未畫出)及流通閥從減振器缸筒下油腔流向上油腔，因為活塞桿會占一部分體積，從下油腔流到上油腔的油液量大于上油腔體積增加量，此時下油腔部分油液會經過底閥的常通縫隙或孔(圖中未畫出)和壓縮閥流向儲油腔。

通過上述工作原理，可知在減振器復原和壓縮往復運動過程中，缸筒內的油液反復經過常通縫隙或孔及閥體產生壓力降從而消耗部分能量；此外，孔壁和油液之間摩擦以及油液分子內部摩擦會形成阻尼力并產生熱量散發到大氣中從而消耗能量。與此同時，作用在活塞桿上的阻尼力會跟隨活塞桿運動速度變化以及其內部閥系開啟(開閥)而改變。所以液壓減振器就是通過其內部閥系元件節流的方式將來自于車輪及車身的振動轉化為能量消耗，從而達到衰減振動的目的[2]，閥系元件特性對于減振器特性有決定性的影響[3]。

1.2 減振器閥系結構

從圖2減振器閥系結構可以看出，復原閥系主要是由活塞閥座、各類閥片、活塞孔、復原彈簧、緊固螺母和調節螺母等組成；壓縮閥系主要組成部分是壓縮閥體、各類閥片及閥片組、壓縮閥孔、彈簧等。這些閥系元件參數的不同組合使減振器擁有不同的阻尼特性。

圖2 減振器閥系結構圖

2 雙筒液壓減振器的建模仿真與臺架驗證

2.1 減振器阻尼力分析

將減振器活塞及活塞桿作為整體進行受力分析，以復原行程為例可得圖3活塞阻尼力簡化模型。從模型中可知減振器復原行程阻尼力是由活塞桿及活塞閥體運動摩擦力、活塞上腔壓力、大氣壓力及活塞下腔復原力綜合作用形成。

圖3 活塞阻尼力簡化模型

2.2 減振器特性仿真的數學模型

文中通過對乘用車后減的非線性速度特性分析，結合減振器阻尼元件受力分析，建立減振器特性仿真計算模型為：

式中:p為節流壓差，Sh為活塞面積，Sg為活塞桿面積。

從減振器工作原理可知，減振器復原及壓縮行程中會出現各類節流閥體因內部閥片被油液壓力頂開而開啟(開閥)，節流閥在開閥前和開閥后有著不同的節流阻尼特性，所以在同一行程中需根據活塞運動的速度不同，使用分段計算模型分別計算開閥前后的阻尼力。一般非線性減振器在壓縮和復原行程中會有二次開閥，設二次開閥速度為vk1和vk2,得到圖4液壓減振器仿真數學模型圖。

圖4 液壓減振器仿真數學模型

根據仿真數學模型可以在MATLAB中分別建立復原阻尼、壓縮阻尼及其他阻尼的Simulink模塊。將建立好的各個模塊連接起來便可建立完整的減振系統Simulink模型，得到圖5液壓減振器阻尼模型圖。

圖5 液壓減振器阻尼模型圖

2.3 運動外特性仿真

減振器外特性是指阻尼力與位移特性和阻尼力與速度特性。如圖5要進行減振器外特性仿真，應先將減振器各類設計參數輸入物理模型，包括阻尼元件結構參數及油液特性參數等。然后將諧波運動信號加載到已建立的減振器數學模型中，包括諧波幅度和頻率。這樣便可利用減振器物理和數學模型通過加載諧波運動信號，實現對減振器特性的仿真。

2.4 仿真結果臺架實驗驗證

根據一般道路條件，采用減振器阻尼系統模型，假定活塞運動是一個行程為50 mm的正弦波，以激勵速度為0.052、0.13、0.26、0.39、0.52，1.04 m/s這6個速度工況對某品牌乘用車非線性后減振器進行仿真，得到圖6 MATLAB外特性仿真曲線。

由圖6(a)可以看出,減振器位移曲線比較飽滿且左右對稱，并未出現空程與畸變，說明該減振器性能比較優良；由圖6(b)可以看出，減振器復原力和壓縮力隨著運行速度上升而逐漸增大，減振器復原力在各速度點下均大于壓縮力，這與減振器實際運行情況相符。

圖6 MATLAB外特性仿真曲線

依據QC/T 545汽車筒式減振器臺架試驗標準，將對標后減振器以行程約1/2的狀態為中間位置安裝在減振器示功機上，以50 mm為最大振幅，以速度為0.052、0.13、0.26、0.39、0.52，1.04 m/s的振動激勵進行臺架測試，得到圖7臺架實驗減振器外特性曲線。

圖7 臺架試驗減振器外特性曲線

通過臺架試驗得到的外特性曲線與仿真曲線進行比較。最大的區別是仿真結果的對稱性和完整性更好。表1將仿真結果與臺架試驗結果進行對標，雖然有一定誤差，但極限誤差均在工程允許范圍內，驗證了在MATLAB中建立的模型的可參考性。

表1 數據對比

3 減振器閥系敏感性因素分析

通常一款減振器試制完成后還需要進行裝車調校過程，減振器內各閥系有幾十種元件上百種組合，為使減振器工作更加柔和流暢，采用不同數量不同類型節流閥片疊加的方法正成為主流[5]。如何在短時間內找到最優的閥系組合，這就需要對減振器閥系內部進行研究，找到影響減振器阻尼特性的敏感因素。文中基于MATLAB仿真模型發現調整減振器部分閥系參數會對減振器阻尼特性產生影響，現將影響顯著參數按復原(活塞)閥系及壓縮閥系分別總結如下。

3.1 復原節流閥片開口面積影響

復原節流閥片開口面積由開口數、開口寬度及開口厚度(即閥片厚度)決定。圖8為節流閥缺口面積對減振器阻尼力影響。

圖8 節流閥缺口面積對減振器阻尼力影響

由圖可看出，開口面積發生改變后(0.61 mm2變為0.54 mm2)，激勵速度在0～0.15 m/s之間的復原及壓縮阻尼力均明顯變大，激勵速度在0.15～0.5 m/s之間的復原及壓縮阻尼力變動幅度逐漸減小，當激勵速度超過0.5 m/s時，其減振器阻尼力改變較少，由此說明復原節流閥片缺口面積主要控制減振器低速段(激勵速度在0～0.15 m/s之間)阻尼力。

3.2 復原彈簧預緊力影響

圖9為復原彈簧預緊力對減振器阻尼力影響，由圖可看出改變復原閥系彈簧預緊力后(20 N變為23 N)，激勵速度在0～0.15 m/s之間時復原阻尼力幾乎沒有改變，當激勵速度超過 0.15 m/s 時其復原阻尼力開始變大，說明復原彈簧預緊力主要控制減振器復原中、高速段(激勵速度0.15 m/s以上)阻尼力。

圖9 復原彈簧預緊力對減振器阻尼力影響

3.3 活塞孔開孔面積影響

在活塞孔數量和孔徑一定的情況，活塞孔開孔面積一般由覆蓋在孔上的活塞閥片直徑決定，閥片直徑越大(覆蓋面越大)開孔面積越小，直徑越小(覆蓋面越小)開孔面積越大。圖10為活塞孔閥片對減振器阻尼力影響，由圖10可看出，活塞閥片直徑變化后(14 mm變為13 mm)，激勵速度在0～0.5 m/s之間時復原及壓縮阻尼力幾乎沒有改變，激勵速度超過0.5 m/s時復原段阻尼力開始逐漸變小，說明活塞閥片直徑主要控制減振器復原高速段(激勵速度0.5 m/s以上)阻尼力。

圖10 活塞孔閥片對減振器阻尼力影響

3.4 壓縮閥彈簧片組影響

從圖11可看出，改變彈簧片數量后(5變4)，激勵速度在0～0.15 m/s之間壓縮段阻尼力幾乎沒有改變，激勵速度在0.15～0.5 m/s之間壓縮段阻尼力開始逐漸變小，激勵速度0.5 m/s之后的高速段阻尼力變小更為明顯，說明壓縮彈簧片組主要控制壓縮段中、高速阻尼力。

圖11 壓縮閥彈簧片組對減振器阻尼力影響

壓縮閥其他主要影響因素。基于上述研究同樣可以得到壓縮閥其他主要影響因素，例如壓縮閥節流閥片影響，壓縮閥預緊彈簧的預緊力及彈簧剛度影響，壓縮閥流通孔面積影響。

通過對市場上主流減振器類型進行研究，將減振器閥系影響因素分3個速度段總結出如下規律：

第一級：低速段(激勵速度0～0.15 m/s)，影響因素為復原閥及壓縮閥節流閥片或節流槽(有部分閥系通過閥體刻流通槽來實現低速段阻尼力控制)；主要影響小起伏路況車身運動的控制；

第二級：中速段(0.15～0.5m/s),影響因素為復原及壓縮閥彈簧，復原及壓縮閥彈簧片組；中速段屬于低速和高速的過渡區域，對舒適性影響較大，如果中速段的阻尼過渡的柔和順滑，則舒適性相對較好；

第三級：高速段(0.5 m/s以上),影響因素為復原閥孔及壓縮閥孔開孔面積;主要影響車輪跳動的約束，以及在車輛快速經過大的路面起伏(飛跳、大坑等)時車身姿態。

4 結束語

文中闡述了減振器工作原理，通過減振器阻尼元件受力分析運用MATLAB軟件對減振器內部閥系進行了仿真，得到了以下成果 ：(1)基于減振器數學模型使用MATLAB軟件對減振器內部閥系和減振器外特性進行了仿真，得到了減振器外特性仿真曲線，通過仿真數據與樣件臺架試驗結果擬合度分析，驗證了在MATLAB中所建模型的正確性;(2)利用MATLAB模型進行了減振器閥系敏感性因素分析，得到了對阻尼特性影響顯著的減振器閥系參數;(3)將減振器閥系影響因素分3個速度段進行總結，為減振器試制、調校提供參考。