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(zhǔn)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(jié)構(gòu)組成，較為詳細(xì)分析了該減振器的工作原理；建立減振器機(jī)械系統(tǒng)的3D數(shù)字模型，基于ADAMS仿真軟件搭建雙筒液壓減振器的多體動態(tài)仿真模型，并在此基礎(chǔ)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(yàn)對CAE分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果表明：仿真計(jì)算模型能較準(zhǔn)確地模擬減振器外特性。該研究為減振器的設(shè)計(jì)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(yàn)

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(zhì)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(fā)展，大體經(jīng)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(yù)充氣式減振器的發(fā)展階段[2]。由于種種明顯的缺陷，前幾種減振器已經(jīng)被淘汰。目前，國內(nèi)多采用雙筒液壓減振器[3]。

1 雙筒液壓減振器的結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(guān)閉，上腔內(nèi)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(chǎn)生真空度，這時儲油缸中的油液推開補(bǔ)償閥7流進(jìn)下腔進(jìn)行補(bǔ)充。閥的節(jié)流將對懸架在伸張運(yùn)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(shù)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(huán)、壓縮閥座、油封蓋、工作缸、儲油缸筒、導(dǎo)向座、底閥彈簧、復(fù)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(jī)模型的建立

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

2.3 減振器參數(shù)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(shù)K和阻尼系數(shù)C來定義減振器的參數(shù)，如圖4所示[9]。

圖4 減振器參數(shù)定義

2.4 減振器的驅(qū)動和載荷

按照減振器的實(shí)際工作狀態(tài)，對后減振器進(jìn)行驅(qū)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(fù)號代表此力的方向與重力加速度的方向相反。

表2 驅(qū)動函數(shù)Function

3 減振器阻尼特性仿真分析

各部件的尺寸都是按照實(shí)際的尺寸大小，其質(zhì)量都是由ADAMS通過尺寸與密度關(guān)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(shù)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(shè)置仿真步數(shù)為500，系統(tǒng)將會根據(jù)仿真的時間和步數(shù)計(jì)算出仿真的時間間隔[11]?；钊敆U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(jìn)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(jié)果

從圖5可以看出：活塞頂桿加速度不穩(wěn)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(dá)最高或最低點(diǎn)時，活塞頂桿發(fā)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于活塞頂桿的速度，所以活塞頂桿的振蕩應(yīng)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(yàn)

根據(jù)減振器臺架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 545，在減振器臺架上采用正弦激勵對減振器進(jìn)行激勵[12-13]。活塞相對于工作缸做簡諧波運(yùn)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(jié)果

從圖7看出阻力-速度特性圖具有如下特點(diǎn)：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(shù)k=F/v，減振器有4個阻尼系數(shù)，在沒有特別指明時，減振器的阻尼系數(shù)是指卸荷閥開啟前的阻尼系數(shù)。通常壓縮行程的阻尼系數(shù)與伸張行程的阻尼系數(shù)不等。

5 小結(jié)

(1)闡述了雙筒液壓減振器的結(jié)構(gòu)組成，較為詳細(xì)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(jī)械系統(tǒng)的3D數(shù)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(tài)仿真模型，并在此基礎(chǔ)上對液壓減振器的示功圖、阻尼特性和非線性特征進(jìn)行仿真分析。

(3)通過減振器臺架試驗(yàn)對CAE分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果表明：仿真計(jì)算模型能較準(zhǔn)確地模擬減振器外特性，與臺架試驗(yàn)結(jié)果一致，為減振器的設(shè)計(jì)開發(fā)提供工程指導(dǎo)。

【1】吉林大學(xué)汽車工程系．汽車構(gòu)造(下冊)[M]．5版．北京：人民交通出版社，2006:221-258．

【2】李傳兵．汽車減振器的最新發(fā)展[J]．輕型汽車技術(shù)，2001(5)：18-20．

【3】馮雪梅，劉佐民．汽車液力減振器技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2003,27(3)：340-343． FENG X M,LIU Z M.Development and Current Situation of Automotive Hydraulic Shock Absorber Technology[J].Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering),2003,27(3)：340-343．

【4】馬飛，陳華新．基于ADAMS的摩托車減振器性能仿真[J]．摩托車技術(shù)，2003(5)：13-15． MA F,CHEN X H.The Emulation of Motorcycle Shock Absorber Performance Based on ADAMS[J].Motorcycle Technology,2003(5)：13-15．

【5】郭曉強(qiáng)．基于ADAMS的虛擬仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D]．長春：吉林大學(xué)，2005．

【6】YANG P，LIAO N B，YANG J B．Design，Test and Modelling Evaluation Approach of a Novel Si-oil Shock Absorber for Protection of Electronic Equipment in Moving Vehicles[J]．Mechanism and Machine Theory，2008，(43)：18-32．

【7】隗寒冰，鄧楚南，何文波．基于ADAMS軟件的汽車平順性仿真分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(7)：75-76． KUI H B,DENG C N,HE W B.Simulation of the Vehicle Ride Comfort Based on the ADAMS[J].Machinery Design & Manufacture,2006(7)：75-76．

【8】劉延慶，張建武．液壓減振器非線性動態(tài)仿真和試驗(yàn)[J]．汽車工程，2002，24(2)：152-156． LIU Y Q,ZHANG J W.Nonlinear Dynamic Simulation for Hydraulic Shock Absorber[J].Automotive Engineering,2002，24(2)：152-156．

【9】馮景華，吳南星，余冬玲．機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)及ADAMS的理論基礎(chǔ)研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004(2)：17-19． FENG J H,WU N X,YU D L.The Research on Dynamic Simulation Technology of Mechanical System and Theoretic Basis of ADAMS[J]. Machinery Design & Manufacture,2004(2)：17-19．

【10】張弿，謝偉東，汪立明，等．虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車減振器研究中的應(yīng)用[J]．機(jī)電工程，2008，25(6)：46-47． ZHANG T,XIE W D,WANG L M,et al.Application of the Virtual Prototype Technology in Automotive Shock Absorber[J].Mechanical & Electrical Engineering Magazine,2008，25(6)：46-47．

【11】王國強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁．虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002:1-108，183-190．

【12】BEGHI A，LIBERATI M，MEZZALIRA S，et al．Grey-box Modeling of a Motorcycle Shock Absorber for Virtual Prototyping Applications[J]．Simulation Modelling Practice and Theory，2007(15)：894-907．

【13】劉延慶，張建武，張利，等．車用雙筒液壓減振器動態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)與仿真[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36(8)：1096-1099． LIU Y Q,ZHANG J W,ZHANG L,et al.Experiment and Simulation of Dynamic Response for Vehicle Twin Tube Hydraulic Shock Absorbers[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2002，36(8)：1096-1099．

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(xué)基金資助項(xiàng)目(51405123);江西省教育部項(xiàng)目(贛教技字[2007]20號)

蔣兵(1980—)，男，主要研究方向?yàn)槠囌嚰夹g(shù)開發(fā)。

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