丁二名 唐志民 高 松 王海東 汪海波

(上海匯眾汽車制造有限公司 上海 200122)

0 前言

近年來(lái)，隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電控懸架技術(shù)作為中高端車型的一大銷售亮點(diǎn)被各大主機(jī)廠爭(zhēng)相推廣，并在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)中獲得了極大的反響。阻尼可調(diào)減振器是電控懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，對(duì)汽車懸架的減振性能和控制能力起到至關(guān)重要的影響[1-2]?？烧{(diào)阻尼減振器包括雙模/四模減振器[3-4]、磁流變液減振器[5]、阻尼連續(xù)可調(diào)減振器(即CDC減振器)[6]等幾種類型。其中，CDC減振器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)阻尼力連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的減振器，它主要是在傳統(tǒng)減振器的阻尼回路上串聯(lián)或并聯(lián)一比例電磁閥(即阻尼調(diào)節(jié)閥)，通過(guò)給電磁閥提供不同的控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)[7-8]。由于CDC減振器具有優(yōu)越的性能和可控的制造成本，它逐漸成為當(dāng)前市場(chǎng)上汽車電控懸架的主流產(chǎn)品，如德國(guó)ZF公司生產(chǎn)的CDC減振器已成功應(yīng)用在君威GS車型上。

目前，國(guó)外對(duì)CDC減振器技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已逐漸成熟，而國(guó)內(nèi)尚且沒(méi)有哪家自主企業(yè)能夠提供整套的CDC減振器解決方案，多數(shù)整車廠出于對(duì)質(zhì)量的考慮也多傾向于進(jìn)口件。CDC減振器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中的這種市場(chǎng)現(xiàn)狀已成為目前我國(guó)電控懸架系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的主要壁壘之一。

為研究某電磁閥外置式CDC減振器的減振性能，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成及工作機(jī)理進(jìn)行剖析，利用臺(tái)架試驗(yàn)的方法獲得該減振器在不同控制電流下的阻尼特性曲線，并對(duì)其阻尼調(diào)節(jié)范圍和變化特點(diǎn)進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果不僅能夠評(píng)估該CDC減振器的阻尼衰減能力，還可為電控懸架系統(tǒng)的調(diào)校與精確控制提供前期的技術(shù)支持。

1 CDC減振器組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本文所研究的是一種電磁閥外置式的CDC減振器，主要由減振器本體和阻尼調(diào)節(jié)閥(即電磁閥)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖1所示。與常規(guī)減振器本體類似，該減振器本體中也包括采用閥片式結(jié)構(gòu)的活塞閥(復(fù)原閥+流通閥)和底閥(壓縮閥+補(bǔ)償閥)兩大閥系，不同的是它由三個(gè)環(huán)形筒組成，即外筒、中間筒和內(nèi)筒。三個(gè)環(huán)形筒、活塞閥和底閥配合后將減振器內(nèi)部分為復(fù)原腔、壓縮腔和補(bǔ)償腔三個(gè)腔室。其中，復(fù)原腔中的油液能夠通過(guò)內(nèi)筒上端的孔道自由流入中間筒與內(nèi)筒之間形成的環(huán)形間隙中，并直接與阻尼調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口連通。阻尼調(diào)節(jié)閥的出口端通過(guò)油道與補(bǔ)償腔相通。補(bǔ)償腔主要是指底閥下端和中間筒與外筒之間的環(huán)形間隙兩部分。

圖1 CDC減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作過(guò)程

該CDC減振器具體的工作過(guò)程如下：當(dāng)處于復(fù)原行程時(shí)，活塞桿相對(duì)減振筒上移，復(fù)原腔中的油壓上升，油液由2路被擠壓出去，一路通過(guò)活塞上的復(fù)原閥進(jìn)入壓縮腔，另一路通過(guò)過(guò)流孔流入阻尼調(diào)節(jié)閥后再進(jìn)入補(bǔ)償腔；補(bǔ)償腔的油液在壓差的作用下會(huì)通過(guò)底閥上的補(bǔ)償流道進(jìn)入壓縮腔；當(dāng)處于壓縮行程時(shí)，壓縮腔的油液也分2路被擠壓出去，一路通過(guò)壓縮閥流入補(bǔ)償腔，另一路通過(guò)流通閥進(jìn)入復(fù)原腔，并進(jìn)一步的流經(jīng)阻尼調(diào)節(jié)閥再回到補(bǔ)償腔。可見(jiàn)，不論是復(fù)原行程還是壓縮行程，阻尼調(diào)節(jié)閥均會(huì)參與到減振器的阻尼調(diào)節(jié)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)車輪上跳或下跳兩種工況下的舒適度調(diào)節(jié)。

1.3 電磁閥調(diào)節(jié)原理

CDC減振器阻尼調(diào)節(jié)閥通常采用的是兩級(jí)或三級(jí)的比例型電磁驅(qū)動(dòng)溢流閥，如圖2所示為所研究CDC減振器電磁閥拆解圖及等效簡(jiǎn)圖。它的工作過(guò)程如下：當(dāng)電磁線圈未通電時(shí)，在彈簧1的作用下先導(dǎo)閥芯堵住主閥體的阻尼孔H，此時(shí)先導(dǎo)節(jié)流口的流量Qpi幾乎為零，主閥彈簧腔壓力pz1和主閥控制腔的壓力pz2相等，在彈簧力的作用下主閥芯被頂在閥體上，沒(méi)有油液流過(guò)流過(guò)電磁閥，即電磁閥不參與阻尼力的形成；當(dāng)電磁線圈通電流時(shí)，先導(dǎo)閥芯與主閥芯發(fā)生相對(duì)位移，主閥控制腔的壓力pz2的一部分壓力被卸荷掉，在上下壓力差的作用下，主閥芯上移，單向閥片發(fā)生上移變形，油液流過(guò)單向閥片后，分別從阻尼孔H和主閥芯端面縫隙溢流掉。先導(dǎo)閥芯的位移隨著電磁線圈通電大小呈比例變化，決定著先導(dǎo)閥溢流量Qpv，即控制著主閥控制腔的背壓，進(jìn)一步地決定著主閥芯的開(kāi)度和壓降，從而形成連續(xù)可控的阻尼力。

1.4 阻尼建模

減振器的建模過(guò)程主要是基于流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，且壓縮行程和復(fù)原行程的建模過(guò)程是相似的[9-10]，此處僅以復(fù)原行程為例進(jìn)行說(shuō)明。圖3所示為該CDC減振器復(fù)原行程對(duì)應(yīng)的油液流動(dòng)圖。對(duì)于CDC減振器的阻尼力計(jì)算公式可表示為：

Ff=(Ap-Ar)p1-App2

(1)

式中，Ap和Ar分別為活塞和活塞桿的有效面積，m2；p1和p2為復(fù)原腔和壓縮腔的壓力，Pa。

在激振速度vf作用下，CDC減振器中復(fù)原腔流出流量Q1和壓縮腔流入流量Q2變化可分別表示為[8]：

(a) 拆解圖

(b) 等效簡(jiǎn)圖

圖3 CDC減振器復(fù)原行程等效液壓原理圖

式中，vf為活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Ap和Ar分別為活塞和活塞桿的有效面積，m2。

復(fù)原閥和補(bǔ)償閥的結(jié)構(gòu)及建模過(guò)程與常規(guī)減振器相似，分為開(kāi)閥前和開(kāi)閥后兩種工作狀態(tài)，相應(yīng)的流量壓差關(guān)系為：

(3)

式中，Cd為閥口流量系數(shù)；dfg和dbg為復(fù)原閥和補(bǔ)償閥的固定節(jié)流口直徑，m；dfv和dbv為復(fù)原閥片和補(bǔ)償閥片外半徑，m；wf和wb為開(kāi)閥后復(fù)原閥片和補(bǔ)償閥片的變形量，m。

油液流過(guò)單向閥片后，再經(jīng)主閥和先導(dǎo)閥流入補(bǔ)償腔，故有：

(4)

式中，dcv為單向閥片的外半徑，m；z為單向閥片的開(kāi)度，m。

阻尼孔H、主閥和先導(dǎo)閥的流量方程分別為：

(5)

(6)

(7)

式中，dmv和dpv分別為主閥和先導(dǎo)閥前阻尼孔H的有效直徑，m；y和x分別為主閥芯和先導(dǎo)閥芯的位移，m。

聯(lián)立上述各式，通過(guò)數(shù)學(xué)工具matlab軟件可實(shí)現(xiàn)各腔油壓的求解，代入式可得復(fù)原行程阻尼力與激振速度vf(或位移S)的關(guān)系。

2 電流-阻尼特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次試驗(yàn)的主要目的是獲得該款CDC減振器在不同控制電流下的阻尼特性曲線，找出該CDC減振器的阻尼調(diào)節(jié)范圍和阻尼變化特點(diǎn)，為電控懸架的ECU單元調(diào)校和整車試驗(yàn)提供參考依據(jù)。試驗(yàn)前已單獨(dú)測(cè)定了該CDC減振器電磁線圈的電流調(diào)節(jié)范圍為0～1.75 A。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)架及過(guò)程

該電控CDC減振器阻尼特性測(cè)試臺(tái)架實(shí)物模型和信號(hào)傳遞過(guò)程如圖4和5所示。

圖4 CDC減振器測(cè)試臺(tái)架及組成

圖5 CDC減振器測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試臺(tái)架主要分為2個(gè)部分組成：示功特性測(cè)試系統(tǒng)和阻尼調(diào)節(jié)閥電流測(cè)控系統(tǒng)。兩者分別獨(dú)立工作以簡(jiǎn)化系統(tǒng)和減小信號(hào)間的相關(guān)干擾。其中，示功特性采用的是電液伺服式振動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)伺服電流、阻尼力和位移等信號(hào)的輸入與輸出，而電流測(cè)控系統(tǒng)是由Simulink上位機(jī)+工控機(jī)+采集卡模塊組成，主要為阻尼調(diào)節(jié)閥提供穩(wěn)定的電流信號(hào)并實(shí)時(shí)采集實(shí)際的電流值。電流源模塊采用的是0-3 A的直流穩(wěn)壓電源。

試驗(yàn)中設(shè)定正弦激勵(lì)信號(hào)的振幅為S=±25 mm，最大激振速度為v=0.524 m/s，先進(jìn)行3 min試件的預(yù)加載實(shí)驗(yàn)[11]。然后控制電流I從0 A開(kāi)始，每隔0.25 A進(jìn)行一次阻尼力值的測(cè)定，對(duì)結(jié)果進(jìn)行保存，直至將控制電流I值增加至1.75 A后停止實(shí)驗(yàn)。

2.3 結(jié)果分析

對(duì)不同控制電流下的阻尼力進(jìn)行測(cè)試，得到其對(duì)應(yīng)的示功圖如圖5所示，其中零線以上為復(fù)原行程阻尼力，零線以下為壓縮行程阻尼力。結(jié)果表明：

(1) 試驗(yàn)曲線連續(xù)變化無(wú)畸變現(xiàn)象，復(fù)原行程和壓縮行程阻尼力調(diào)節(jié)范圍分別約為754～2825 N和917～2430 N；隨著控制電流的增加，復(fù)原和壓縮行程的阻尼力均呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)。

(2) 電磁閥不參與工作時(shí)，阻尼力與速度v呈現(xiàn)出明顯的非線性，當(dāng)控制電流逐漸增大時(shí)，阻尼-速度曲線逐漸被拉直，即阻尼力與速度的關(guān)系趨于線性比例關(guān)系。這是因?yàn)殡姶砰y不工作時(shí)阻尼力主要由減振筒中的復(fù)原閥和壓縮閥形成，存在開(kāi)閥前和開(kāi)閥后兩種狀態(tài)；當(dāng)電磁閥參與工作時(shí)，其中的閥口開(kāi)度變大并逐漸在阻尼形成過(guò)程中起到主導(dǎo)作用，此時(shí)復(fù)原閥片和壓縮閥的幾乎不再參與阻尼力的形成。

(3) 當(dāng)控制電流小于0.75 A時(shí)該減振器的阻尼力值較未通電時(shí)的變化均小于10%，這主要是因?yàn)殚y芯開(kāi)始移動(dòng)時(shí)需求克服一定的油液粘性摩擦力。當(dāng)控制電流大于1.5 A后阻尼力值也不再有較為明顯的改變，即說(shuō)明該阻尼調(diào)節(jié)閥控制電流的有效范圍為0.75～1.5 A。

(a) 阻尼-位移特性曲線

(b) 阻尼-速度特性曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)一種電磁閥外置式CDC減振器阻尼原理進(jìn)行了理論研究，通過(guò)試驗(yàn)的方法獲得了該CDC減振器的實(shí)際阻尼調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)特點(diǎn)。結(jié)果表明：復(fù)原行程和壓縮行程阻尼力可調(diào)范圍分別約為754～2825 N和917～2430 N，阻尼調(diào)節(jié)閥控制電流的有效范圍為0.75～1.5 A?？刂齐娏鞯脑黾訒?huì)使阻尼力值不斷減小，且使阻尼力與速度的關(guān)系由非線性趨于線性轉(zhuǎn)換。