丁二名,戴開宇

(1.蒂森克虜伯普利斯坦汽車零部件(上海)有限公司,上海 200122; 2.江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

引言

自2016年以來,在全球能源緊張和國內(nèi)“雙碳”政策的驅(qū)動下,新能源電動汽車在全球范圍內(nèi)取得了較快的發(fā)展,懸架系統(tǒng)電控化也成為繼電動助力轉(zhuǎn)向[1-3]、電動助力制動[4-6]后推動汽車底盤電動化[7-9]

的又一大助力。連續(xù)阻尼可調(diào)(Continuously Damping Control,CDC)減振器是電控懸架系統(tǒng)[10]的重要配置之一,能夠結合不同的上層控制邏輯及策略[11-12],持續(xù)的改變懸架系統(tǒng)的阻尼,為整車的舒適性提供更多的乘坐場景體驗,同時對車輛的操穩(wěn)性和安全性提供更為強大的保障[13-14]。CDC減振器從原理上可分為流體黏度可調(diào)和節(jié)流口可調(diào)兩大類[15-17]。流體黏度可調(diào)減振器主要有磁流變液和電流變液兩種形式,主要依靠電磁或電流來控制油液的黏度持續(xù)變化以達到阻尼調(diào)節(jié)的功能,但此類技術對油液的物性可控性要求較高,對電磁或電流的控制要求也較高,因此,制作成本非常高,無法在常規(guī)車輛中進行普及。節(jié)流口連續(xù)可調(diào)減振器是在常規(guī)減振器的基礎上集成一個調(diào)節(jié)閥口流量或壓力的比例電磁閥,來實現(xiàn)阻尼范圍的擴展[18-20]。其相對流體黏度可調(diào)減振器在技術成熟度和成本上具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢,已開始逐漸向中低端車型的電控底盤懸架系統(tǒng)推廣。

本研究介紹一種比例電磁閥內(nèi)置式CDC減振器,對其內(nèi)部結構及工作時的油液流動方向進行分析,通過參數(shù)化建模獲得其阻尼可調(diào)范圍,并通過實物樣件制作和試驗來驗證理論模型的正確性,為該CDC減振器的開發(fā)研究和整車調(diào)校應用提供理論指導。

1 結構及工作原理

1.1 減振器結構

如圖1所示為所設計電磁閥內(nèi)置式CDC減振器的機械結構簡圖,主要由外管、內(nèi)管、底蓋、底閥總成及活塞桿總成組成。其中,底閥總成主要包含底閥閥體及上下兩側(cè)的補償閥和壓縮閥; 活塞桿總成包含活塞桿、活塞、復原閥、流通閥、可調(diào)閥組1/2及起到調(diào)節(jié)功能的比例電磁閥總成。電磁閥總成被集成固定在活塞桿的腔體內(nèi),并配置相應的滑片閥門與其銜鐵相連?；钊麑?nèi)管內(nèi)的空間隔離為上側(cè)的復原腔和下側(cè)的壓縮腔,底閥處于內(nèi)管的最下端,與內(nèi)管、外管之間的空間形成儲油腔。

1.活塞桿 2.內(nèi)管 3.外管 4.電磁鐵 5.滑片閥門 6、7.可調(diào)閥組1/2 8.流通閥 9.復原閥 10.補償閥 11.壓縮閥 12.底閥閥體 13.活塞 14.銜鐵 16.復位彈簧

1.2 工作原理

如結構圖1a中的箭頭線所示,當減振器處于復原行程時,活塞桿相對于內(nèi)管向上運動,復原腔的容積變小,其內(nèi)的油液經(jīng)過活塞桿殼體和內(nèi)管外壁間的徑向間隙后由兩路流到壓縮腔:一路是經(jīng)過流道Ch1,Ch2和流道Ch3,而且該路油液要分別要經(jīng)過滑片閥門和可調(diào)閥組2以形成所需的阻尼;另一路則經(jīng)過活塞流道Ch4,并要經(jīng)過復原閥以形成相應的阻尼。而隨著壓縮腔的容積變大,儲油腔內(nèi)的油液經(jīng)過底閥閥體上流道Ch5和Ch6補充到壓縮腔中,此路的油液要穿過補償閥以產(chǎn)生相應的阻尼。

如結構圖1b中的箭頭線所示,當減振器處于壓縮行程時,活塞桿相對于內(nèi)管向下運動,隨著壓縮腔容積的減小,油液經(jīng)過兩路流到復原腔:一路為經(jīng)過流道Ch3,Ch7和Ch1,此路需要穿過可調(diào)閥系1和滑片閥門形成必要的阻尼;另一路則經(jīng)過活塞上流道Ch8,此路會穿過流通閥形成相應的阻尼。同時,還有一部分壓縮腔中的油液通過底閥閥體中的流道Ch9和Ch5后進入儲油腔,該路油液穿過壓縮閥形成相應的阻尼。

圖2所示為其中的滑片閥門及其對應閥體的截面示意圖?；y門在比例電磁鐵的吸力和復位彈簧力的雙重作用下沿著靜鐵芯內(nèi)壁作軸向往復運動,并且可以在有效行程內(nèi)的任意位置停留。因此,滑片閥門的節(jié)流窗口與閥體流道窗口重合部分所形成的節(jié)流口面積隨著激勵電流的連續(xù)變化而變化,來實現(xiàn)節(jié)流口流量壓差的持續(xù)調(diào)節(jié),達到對減振器阻尼的連續(xù)控制。

圖2 滑片閥門結構設計

2 數(shù)模模型

2.1 復原行程建模

根據(jù)對該CDC減振器工作原理的分析,擬定其對應的液壓原理圖。圖3a 所示為復原行程時減振器油路的等效液壓原理圖。從復原腔和儲油腔流入壓縮腔的油液流量Q12和Q32可分別表示為:

(1)

圖3 等效液壓原理圖

式中,Ap,Ar——活塞和活塞桿的截面面積,m2

vr——活塞桿復原行程的速度,m/s

流經(jīng)滑片閥門的壓降可表示為:

(2)

式中,Cd——閥口流量系數(shù)

ρ——油液密度,kg/m3

Q122——流經(jīng)滑片閥門的流量,m3/s

Asli——滑片閥門節(jié)流口面積,m2

流經(jīng)可調(diào)閥組2的壓降表示為:

(3)

式中,At2——可調(diào)閥組2的節(jié)流口面積,m2

流經(jīng)復原閥的壓降表示為:

(4)

式中,Q121——流經(jīng)復原閥的流量,m3/s

Areb——復原閥節(jié)流口面積,m2

根據(jù)液壓油路的串并聯(lián)原理有:

(5)

聯(lián)立式(1)～式(5),可求得:

(6)

(7)

(8)

其中,Asli是滑片閥門的節(jié)流口面積,由比例電磁鐵行程及滑片閥門節(jié)流口形狀決定,此處表示為:

(9)

式中,x——電磁鐵實際行程,m

f(x)——滑片節(jié)流口形狀函數(shù),m

流經(jīng)補償閥的壓降可表示為:

(10)

式中,Q32——流經(jīng)補償閥流量,m3/s

Acomp——補償閥節(jié)流口面積,m2

儲油腔壓力可表示為:

(11)

式中,pg0,pg——初始充氣壓力和動態(tài)氣體壓力,Pa

Vg0——初始充氣體積,m3

復原行程的阻尼力可表示為:

Freb=(Ap-Ar)Δpreb+ArΔpcomp-Arp3

(12)

將式(8)、式(10)和式(11)代入式(12),可求解獲得該CDC減振器復原行程的阻尼力值。

2.2 壓縮行程建模

圖3b所示為壓縮行程時減振器油路的等效液壓原理圖。從壓縮腔流入到復原腔和儲油腔的油液流量Q21和Q23可分別表示為:

(13)

式中,vc——活塞桿壓縮速度,m/s

流經(jīng)可調(diào)閥組1的壓降為:

(14)

式中,Q212——流經(jīng)可調(diào)閥組1的流量,m3/s

At1——可調(diào)閥組1的節(jié)流口面積,m2

此時流經(jīng)滑片閥門的壓降變?yōu)?

(15)

流經(jīng)流通閥的壓降為:

(16)

式中,Q211——流經(jīng)流通閥的流量,m3/s

Aflow——流通閥的節(jié)流口面積,m2

同樣,根據(jù)液壓油路的串并聯(lián)原理有:

(17)

聯(lián)立式(13)～式 (17),可求得:

(18)

(19)

(20)

通過壓縮閥的壓降為:

(21)

此時儲油腔壓力可表示為:

(22)

式中,Q23——流經(jīng)壓縮閥的流量,m3/s

Acom——壓縮閥的節(jié)流口面積,m2

壓縮行程的阻尼力可表示為:

Fcom=(Ap-Ar)Δpflow+ArΔpcom+Arp3

(23)

將式(8)、式(10)和式(11)代入式(12),可求解該CDC減振器復原行程的阻尼力值。

3 仿真與實驗

3.1 仿真參數(shù)設置

依照前面所述的分析過程,利用Simulink軟件搭建該CDC減振器的阻尼力仿真模型。如圖4a所示為對應仿真模型,圖4b給出了復原行程具體的建模過程,圖4c給出了從激勵電流到滑片閥門節(jié)流面積的仿真模型。

圖4 阻尼力仿真建模

基于某電動汽車后輪CDC減振器的結構參數(shù)設計如表1所示,仿真激勵參數(shù)按表2進行設定。

表1 CDC減振器參數(shù)

表2 激勵參數(shù)

3.2 仿真分析

圖5給出了不同激勵電流下該CDC減振器示功特性的仿真結果。結果表明,當激勵電流增大時該CDC減振器的做功量是不斷減小的。具體來說,當激勵電流從0 A上升到1.6 A時,其復原行程最大阻尼力由4914 N下降到1331.8 N,可調(diào)范圍增加了約72.9%;而其壓縮行程最大阻尼力由1937.7 kN下降到1415.4 N,可調(diào)范圍增加了約26.95%。

圖5 示功特性仿真結果

進一步地,激勵電流從0 A增加到0.4 A時,該減振器做功量的調(diào)節(jié)范圍變化率較小,激勵電流從0.4 A 增加到1.4 A時該減振器的調(diào)節(jié)范圍變化率較大,從1.4 A切換到1.6 A時其調(diào)節(jié)范圍變化率又變得緩慢下來。這是因為節(jié)流面積變化的速度隨著激勵電流的增加是先增大后減小的。

圖6所示為不同激勵電流下該CDC減振器阻尼力-速度特性曲線的仿真結果。結果表明,各激勵電流下復原行程和壓縮行程的特性曲線均由兩段組成,阻尼力在“拐點速度”前呈現(xiàn)出明顯的非線性關系,在“拐點速度”后基本呈現(xiàn)出線性關系。當激勵電流增大時,其速度特性曲線的斜率在相應的減小,其 “拐點速度”也相應的變大,這是因為當相對運動速度小于“拐點速度”時,流經(jīng)各個阻尼閥系的油量較少,其阻尼由各個阻尼閥系中的阻尼孔產(chǎn)生,而當相對運動速度大于“拐點速度”時,流經(jīng)各個閥系的油量較大,其阻尼由各個閥系的阻尼孔、閥片形變后的溢流口及滑片閥門開口共同形成,當激勵電流增大時,電磁閥的滑片閥門開口也相應的增大,致使“拐點速度”也變大。

圖6 速度特性仿真結果

3.3 實驗分析

如圖7所示為實驗所獲得該CDC減振器的示功特性曲線。結果顯示,各個激勵電流下的特性曲線較為飽和且完整,且與仿真結果的趨勢基本吻合。其中,示功特性圖中最大阻尼力在復原行程時略微向零點右側(cè)偏移,而在壓縮行程時略微向零點左側(cè)偏移,這是因為臺架中工裝夾具存在慣性所導致。

圖7 示功特性實驗結果

如圖8所示為實驗所獲得該CDC減振器的速度特性曲線。

圖8 速度特性實驗結果

表3和表4分別列出了不同激勵電流時復原和壓縮行程中最大速度下的阻尼力仿真值與試驗值對比,整體上實驗數(shù)據(jù)比較仿真數(shù)據(jù)大,這是因為仿真時未考慮實物樣件存在摩擦力的情況,但兩者相對誤差均小于10%,可見仿真模型搭建正確可靠,可作為后續(xù)參數(shù)分析的基礎。

表3 復原行程最大阻尼力仿真與實驗對比

表4 壓縮行程最大阻尼力仿真與實驗對比

4 結論

(1) 設計了一種比例電磁閥內(nèi)置式CDC減振器,基于流體力學搭建了其阻尼力模型,通過仿真和實驗的方法獲得了其阻尼特性曲線,對比顯示仿真與實驗相對誤差小于10%,表明仿真模型準確有效;

(2) 該CDC減振器的阻尼力隨著激勵電流的增大而減小,且這種減小趨勢的速率隨著激勵電流的增加先增加后減小;

(3) 速度特性曲線的斜率在“拐點速度”之前逐漸變大,在“拐點速度”之后基本不變,當激勵電流增大時速度特性曲線的斜率在逐漸減小;

(4) 該CDC減振器的復原行程的阻尼力可調(diào)范圍為1544～4914 N,壓縮行程的阻尼力可調(diào)范圍為-1415～-1937.7 N?？蔀槠湓诤罄m(xù)整車上的調(diào)校提供理論依據(jù)。