豆 力，雍文亮，居 剛，李海波

（1．合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 合肥230009；

2．安徽江淮汽車(chē)股份有限公司 商用車(chē)研究院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

汽車(chē)減振器是懸架系統(tǒng)的重要部件，汽車(chē)車(chē)身和車(chē)輪振動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和液體粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)到空氣中，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的，提高車(chē)輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，各大汽車(chē)廠商都推出了自主品牌汽車(chē)，在整車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)零部件的選配尤其是減振器的選配非常重要，減振器的選配直接影響了駕乘者的乘坐舒適性和貨物的完好程度。文中對(duì)某重型牽引車(chē)后空氣懸架系統(tǒng)最佳阻尼匹配減振器速度特性進(jìn)行了研究，建立了車(chē)輛懸架最佳阻尼匹配減振器速度特性數(shù)學(xué)模型，利用ADAMS / Car模塊建立了整車(chē)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了整車(chē)平順性仿真分析和懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真。匹配結(jié)果表明，對(duì)該懸架系統(tǒng)，減振器所做的匹配設(shè)計(jì)是正確有效的，改善了懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性和整車(chē)平順性，為重型牽引車(chē)設(shè)計(jì)和選配減振器提供了參考價(jià)值。

1 雙向筒式減振器

如圖 1所示，雙向筒式減振器是目前大多數(shù)汽車(chē)采用的減振器，主要由活塞桿、工作缸、活塞、伸張閥、壓縮閥、補(bǔ)償閥、流通閥、儲(chǔ)油缸、導(dǎo)向座、防塵罩和油封等組成。

當(dāng)汽車(chē)懸架處于壓縮行程時(shí)，車(chē)輪移近車(chē)架，減振器受到壓縮力，活塞向下移動(dòng)?；钊旅娴那皇胰莘e減小，油壓升高，油液經(jīng)過(guò)流通閥流到活塞上面的腔室。由于上腔被活塞桿占去一定的空間，上腔內(nèi)容積的增加小于下腔容積的減小，因此還有部分油液推開(kāi)壓縮閥，流回儲(chǔ)油缸。這些閥對(duì)油液的節(jié)流造成對(duì)懸架壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力。

當(dāng)汽車(chē)懸架處于伸張行程時(shí)，車(chē)輪相對(duì)車(chē)身移開(kāi)，減振器受到拉伸力，此時(shí)減振器活塞向上推動(dòng)，活塞上腔油壓升高，流通閥關(guān)閉，上腔中的油液便推開(kāi)伸張閥流向下腔。由于自上腔流來(lái)的油液還不足以充滿(mǎn)下腔中增加的容積，下腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，儲(chǔ)油缸內(nèi)的油液便推開(kāi)補(bǔ)償閥流向下腔進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)這些閥的節(jié)流作用便造成對(duì)懸架伸張運(yùn)動(dòng)的阻尼力。

2 最佳阻尼匹配減振器阻尼系數(shù)

2.1 懸架系統(tǒng)最佳阻尼系數(shù)

按照 1/4單自由度振動(dòng)模型，由振動(dòng)理論可知，懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比

式中，K為懸架剛度；m為簧上質(zhì)量。因此，懸架系統(tǒng)的最佳阻尼系數(shù)

式中，ξ為懸架最佳阻尼比；f0為懸架系統(tǒng)固有頻率。

2.2 減震器最佳阻尼線性分段特性

減振器阻尼特性通常都是非線性的，大都利用線性分段阻尼特性來(lái)表示。為了確保減振器壽命，減振器設(shè)有初次開(kāi)閥的速度點(diǎn)Vk1，即當(dāng)汽車(chē)行駛在平坦的路面時(shí)，減振器不開(kāi)閥，只是利用減振器的常通節(jié)流孔所產(chǎn)生的節(jié)流阻尼力進(jìn)行工作。為了確保減振器在相對(duì)速度比較大時(shí)不撞擊車(chē)身，減振器設(shè)有最大開(kāi)閥速度點(diǎn)Vk2，即當(dāng)汽車(chē)行駛在較壞路面時(shí)，減振器節(jié)流閥達(dá)到最大，阻尼力比較大，避免減振器撞擊車(chē)身。當(dāng)減振器速度V處于初次開(kāi)閥速度和最大開(kāi)閥速度之間時(shí)，即Vk1

2.2.1 伸張行程最佳阻尼系數(shù)

減振器通常都不是安裝在車(chē)輪正上方，而且有一定的安裝角度α。由于減振器安裝位置和角度對(duì)懸架系統(tǒng)阻尼有影響，所以，根據(jù)懸架系統(tǒng)杠桿比i=a/b和安裝角α就可求出減振器首次開(kāi)閥時(shí)的阻尼系數(shù)為

由式（4）可知，減振器在初次開(kāi)閥速度點(diǎn)的阻尼力

減振器阻尼是非線性的，一般將減振器速度特性分段線性化，并將減振器首次開(kāi)閥前的速度特性直線斜率k1與二次開(kāi)閥前的速度特性直線斜率 k2的比值定義為減振器平安比η。其中，減振器首次開(kāi)閥前的速度特性曲線斜率k1為減振器開(kāi)閥前的阻尼系數(shù)Cd1，因此，減振器平安比η可表示為

因此，可得減振器二次開(kāi)閥前的速度特性曲線斜率為

根據(jù)阻尼力、阻尼系數(shù)和速度之間的關(guān)系，可得減振器最大開(kāi)閥阻尼系數(shù)Cd2為

式中， Fd2為減振器在最大開(kāi)閥速度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的阻尼力。

將式（5）和式（7）帶入式（8），則減振器最大開(kāi)閥阻尼系數(shù)Cd2可表示為

因此，減振器在最大開(kāi)閥速度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的阻尼力Fd2為

2.2.2 壓縮行程分段線性阻尼特性

為了增加車(chē)輛的乘坐舒適性，一般情況下，壓縮行程的首次開(kāi)閥速度小于伸張行程的首次開(kāi)閥速度。根據(jù)減振器在伸張行程的分段線性阻尼特性，以及減振器伸張和壓縮行程的雙向阻尼比β，可確定減振器在壓縮行程的分段線性阻尼特性，其中初次開(kāi)閥的阻尼系數(shù)為

因此，減振器壓縮行程在初次開(kāi)閥速度點(diǎn)的阻尼力為

最大開(kāi)閥的阻尼系數(shù)為

因此，減振器壓縮行程最大開(kāi)閥速度點(diǎn)的阻尼力

3 減振器最佳阻尼特性匹配

3.1 重型牽引車(chē)整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型

通過(guò)優(yōu)化懸架系統(tǒng)減振器參數(shù)來(lái)改善車(chē)輛的振動(dòng)性能，必須先建立整車(chē)模型進(jìn)行仿真分析。首先在 ADAMS/Car 中建立整車(chē)各子系統(tǒng)的模板，建模時(shí)考慮了懸架重要承載部件的彈性變形對(duì)振動(dòng)的影響，然后根據(jù)模板分別建立各子系統(tǒng)，通過(guò)通信器將各個(gè)子系統(tǒng)連接成整車(chē)。建模的過(guò)程如圖2所示。

重型牽引車(chē)整車(chē)裝配包括輔助設(shè)備（油箱等）、前鋼板彈簧懸架、駕駛室空氣懸置、后空氣懸架、車(chē)輪（驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪）、發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、車(chē)架、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)器等，如圖3所示。

后空氣彈簧懸架如圖 4所示，主要由空氣彈簧、橋、導(dǎo)向臂、橫向穩(wěn)定器和車(chē)身高度傳感器等組成。該空氣懸架主要承載部件（導(dǎo)向臂、橫向穩(wěn)定桿）經(jīng)有限元軟件 Hypermesh前處理后，將生成的構(gòu)件模態(tài)中性文件MNF（Modal Neutral File）導(dǎo)入ADAMS中建立柔性體，這樣的仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況。

牽引車(chē)滿(mǎn)載時(shí)后空氣懸架簧上質(zhì)量m為11527 kg，空氣彈簧承重為簧載質(zhì)量的 60%，簧下質(zhì)量 md為1473 kg，雙輪胎質(zhì)量mt為220 kg，空氣彈簧靜平衡剛度為125 kN/m，雙輪胎剛度為2000 kN/m，懸架系統(tǒng)最佳阻尼比ξ為

伸張行程首次開(kāi)閥和二次開(kāi)閥速度分別為0.2 m/s和1 m/s，平安比為2.5；壓縮行程首次開(kāi)閥和二次開(kāi)閥速度分別為0.2 m/s和1 m/s；減振器伸張行程二次開(kāi)閥阻尼力是壓縮行程的2.4倍，懸架系統(tǒng)杠桿比i=0.6，安裝角度α=6.2°。

3.2 減振器最佳阻尼特性匹配

根據(jù)減振器伸張行程的初次開(kāi)閥速度點(diǎn)和最大開(kāi)閥速度點(diǎn)的阻尼特性，便可得到減振器整個(gè)行程下的分段線性速度特性，即利用伸張行程的初次開(kāi)閥速度點(diǎn)（Vk1，F(xiàn)d1）和最大開(kāi)閥速度點(diǎn)（Vk2，F(xiàn)d2），以及壓縮行程的初次開(kāi)閥速度點(diǎn)（Vk1y，F(xiàn)d1y）和最大開(kāi)閥速度點(diǎn)（Vk2y，F(xiàn)d2y），便可得到減振器速度特性曲線。

1）滿(mǎn)載時(shí)，由式（15）得懸架最佳阻尼系數(shù)ξ=0.19；由前面的分析可知，伸張行程時(shí)減振器首次開(kāi)閥時(shí)的阻尼系數(shù)為

減振器在初次開(kāi)閥速度點(diǎn)的阻尼力

最大開(kāi)閥阻尼系數(shù)Cd2為

減振器在最大開(kāi)閥速度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的阻尼力Fd2為

2）壓縮行程時(shí)，減振器首次開(kāi)閥時(shí)的阻尼系數(shù)為

減振器壓縮行程在初次開(kāi)閥速度點(diǎn)的阻尼力為

最大開(kāi)閥的阻尼系數(shù)為

減振器壓縮行程的最大開(kāi)閥速度點(diǎn)的阻尼力

4 最佳阻尼減振器特性驗(yàn)證

通過(guò)以上的分析，對(duì)減振器分段線性速度特性曲線進(jìn)行擬合，如圖5所示。

對(duì)所擬合的減振器速度特性曲線進(jìn)行仿真，將牽引車(chē)滿(mǎn)載以60 km/h的速度行駛在 B級(jí)路面上，查看牽引車(chē)鞍座在垂直方向的加速度變化曲線，并與之前的減振器特性曲線仿真結(jié)果進(jìn)行比較，圖 6、圖 7為減振器速度特性曲線初始值的仿真結(jié)果，圖 8、圖 9為最優(yōu)匹配之后的減振器速度特性曲線仿真結(jié)果。

從圖6、圖8可以看出，減振器速度特性曲線匹配后的加速度幅值比匹配前的加速度幅值小，由圖 7計(jì)算結(jié)果可知，減振器速度特性匹配之前的鞍座處垂直方向加權(quán)加速度均方根值為0.274m/s2，由圖9計(jì)算結(jié)果可知，減振器速度特性匹配之后的鞍座處垂直方向加權(quán)加速度均方根值為0.187 m/s2，明顯改善了牽引車(chē)鞍座處的振動(dòng)特性，貨物的完好性有了很好的保證，從而驗(yàn)證了所匹配的減振器速度特性曲線的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中主要對(duì)牽引車(chē)空氣懸架系統(tǒng)的減振器阻尼進(jìn)行了匹配，首先對(duì)基于舒適性的懸架系統(tǒng)最佳阻尼比進(jìn)行了分析，然后根據(jù)懸架系統(tǒng)最佳阻尼系數(shù)確定減振器最佳阻尼分段線性特性，最后通過(guò)ADAMS整車(chē)道路仿真驗(yàn)證了匹配的正確性，對(duì)減振器選型和調(diào)整具有實(shí)際的參考價(jià)值。

[1]喻凡，林逸．汽車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

[2]陳家瑞．汽車(chē)構(gòu)造［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

[3]陳軍．MSC．ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2008．

[4]雍文亮，王軍．基于ADAMS/Insight的多連桿后懸架系統(tǒng)優(yōu)化分析［J］．客車(chē)技術(shù)，2012，(3)：7-10．

[5]周長(zhǎng)城，孟婕．車(chē)輛懸架最佳阻尼匹配減振器設(shè)計(jì)［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，(3)：15-19．