汽车减振器的数学建模及其外特性与温度变化关系的理论与试验研究-黄恒.docx

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1、硕士学位论文 汽车减振器的数学建模及其外特性与温度变化关系的理论与试 验研究 姓名：黄恒 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：邓楚南 20050501 减振器是悬架系统中的重要部件之一，它影响着整车的舒适性、操作稳 定性、安全性等重要性能。双筒液压减振器作为减振器中主流产品，改善其 设计方法及预测其性能一直是汽车减振器技术发展的主要课题。 传统的设计方法主要是根据经验确定设计参数，然后进行实验修正。这 种完全依赖于样机实验的设计开发方法不但周期长、消耗大，而且较难获得 最优的减振器特性。为克服上述方法的缺点，并缩短开发周期，利用 CAD/CAE技术进行减振器的设计开发己经成为必然的趋

2、势。其基本过程是： 基于减振器的结构建立数学模型，并经模拟分析得到其阻尼力特性，将此特 性用于汽车系统的动力学和振动分析，以评价汽车的操纵稳定性和乘坐舒适 性 /平顺性等性能，在此基础上对减振器的特性和结构进行优化设计。该过 程的核心问题是在设计阶段能够准确地预测减 振器的特性，也就是建立能够 准确反映减振器特性的数学模型，并在此基础上进行 CAD设计。 目前，国内很多学者己经对减振器的建模工作做了大量的研究，但几乎 都是将减振器的节流形式视为薄壁小孔节流形式，从而忽略了温度对减振器 外特性造成的影响。而在实际考察中发现，很多减振器并非是薄壁小孔节流， 而是以管嘴节流，缝隙节流或管嘴和缝隙相叠

3、加的节流方式来产生阻尼力 的，因此温度的变化对减振器外特性产生了直接的影响。本文从减振器的结 构原理开始，对某种管嘴和缝隙相叠加的节流方式来产生阻尼力的减振器进 行数学建模，然后运用 传热学理论提出了减振器热平衡的计算方案，并在此 基础上分析减振器的外特性和温度间存在的定性的关系。最后通过计算机仿 真计算出该减振器的速度特性曲线和示功图，其结果与试验结果基本吻合。 这表明，理论计算结果是可信的，所建立的数学模型是正确的，从而为减振 器的设计和性能预测提供一定的理论依据。 关 键 词 ： 减 振 器 温 度 外 特 性 计 算 机 仿 真 Abstract The shock absorber

4、is a important part of the suspension system it is affecting the important performance, such as the entire vehicle comfortableness， the operation stability， secure and so on_ The double barrelled hydraulic shock absorber is the mainstream product of the shock absorber， improves its design method and

5、 forecast its performance always is the automobile shock absorber technological development main topic. The traditional design method determined the design variable mainly according to experiences, then relies on the experiment to revise them. This kind of design method which total depend on the tes

6、ts in the prototype not only the cycle long3 consumes in a big way, moreover is difficult to obtain the most superior shock absorber characteristic. In order to overcome the shortcoming of the above method, and reduces the development cycle， uses CAD/CAE technology in the shock absorber design is be

7、coming the inevitable tendency. Its unit process is mathematical model-setting which based on the shock absorber structure, and obtains its damping force characteristic after the simulation analysis, uses this characteristic in the dynamics of automobile system and the vibration analysis, by apprais

8、es the automobile the operation stability and rides comfortableness/ smoothness performance and so on? then carriemodels are based on the precondition that the absorbers throttle is laminal pinhole, consequently they ignore the influence of temperature to the absorbers* However, through the observat

9、ion we found that many absorbers throttle is not based on laminal pinhole, but based on tube or combine tube with gap. So the temperature is effecting the outer performance of shock absorber directly* The paper derived the damping formula of shock absorber which throttle is based on tube and gap ass

10、ociative with the theory of hydraulics and material mechanics, and brought forward the solution of how to calculate the caloric balance of absorber* Based on that, the paper analysed the qualitative relationship between temperature and the outer performance of absorber. Last, the working performance

11、 of one kind of vehicles shock absorber is also simulated with computer and compared the theoretical values with the test results. The outcome displayed the model is reasonable. Therefore, the paper supplies the base of a theory for designing shock absorbers and predicting their characteristics. Key

12、words: absorber temperature outer performance computer simulation 第 m页 第 1 章 前 言 综 述 M汽车悬架减振器的发展 悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装 置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力 （ 支承力）、纵向反 力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩都要传递到车架 (或承载式车身）上，以保证汽车正常行驶。无论是对于轿车、货车还是其 它车辆，悬架都是底盘中重要的零部件之一。随着科技的不断发展，国外现 己研制成功用ECU控制的可调式主动悬架，悬架所釆用的材料和工艺技术

13、 也是日新月异，这些对悬架系统及汽车工业的发展都起了重要的促进作用。 而减振器是悬架系统中的重要部件之一，它影响着整车的舒适性、操作 稳定性、安全性等重要性能。随着悬架技术的不断发展，减振器的品种和性 能也在不断的更新。减振器由最初的橡胶块式 简单结构发展到目前最常用的 筒式液压型结构就经历了将近一百的时间。改善车辆的舒适性和安全性始终 是减振器发展的主旨。 最初的汽车釆用的是悬架弹簧来缓和路面的冲击的。弹簧虽然性能可 靠，但是不能吸收振动能量，还易出现共振现象。十八世纪末，人们用橡胶 块垫在汽车大梁上来吸收振动能量，并和弹簧一起抑制车身振动，但它只能 单向作用。这个缺陷在随后的摩檫式减振器上

14、有所改善，但这种减振器的摩 檫系数受摩擦面的内在条件和外在条件的变化影响太大；动摩檫和静摩檫的 差异也会引起附加振动。 1908年，法国的 M.Handaille利用液体流过节流孔时产生的阻尼力随流 通速度増加而增加的特性，研制出了第一个实用的液压减振器。这种减振器 是由设有节流孔的活塞和注入液体的工作缸组成。当车轮受到地面激励时， 活塞随车身上下振动，迫使液体经过节流孔产生阻尼，阻尼力的大小随活塞 运动速度的增加而增加。改变节流孔的大小可调整减振器的阻尼系数，得到 减振器压缩或复原时不同的阻尼值，从而可得到满意的工作特性。 本世纪三十年代开始普遍采用摇臂式液压减振器，这种减振器工作稳 定，可

15、靠性好，但结构复杂，体积较大。到六十年代基本上被筒式减振 器取 代，目前为止，国内外采用的减振器有：双筒式减振器，单筒充气减振器和 双筒充气式减振器。双筒液 J1式减掘器具有结构简单，可靠性高的优点；申 . 筒充气式减振器性能稳定；双筒充气式减振器是结合双筒液压式减振器和单 筒充气式减振器的各自特点而设计出的，是目前 d种较为理想的被动悬架减 振器。双筒充气减振器在国内尚处于研制阶段，还属于国产化的初期阶段。 1.2悬架减振器的作用、类型与工作原理 1.2.1悬架减振器在汽车中的作用 现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、 减振器和导向机构三部分组成。弹性元件主要起缓和

16、路面冲击作用。当汽车 悬架中只有弹性元件而没有减振器时，汽车车身的振动将会延长很长时间， 使汽车的行驶平顺性和操纵稳定性恶化。故悬架应当有减振作用，使振动迅 速衰减，即振幅迅速减小，减振器的作用即在此。减振器和弹性元件是并联 安装的，这样能更好的加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺 性。 一般可把汽车振动系统简化成车身和车轮的双质量系统的线性动力学 模型，见图 1 一 1。其运动微分方程为： m2x2 +c(i2 i) + k2(x2 = 0 L + c(xx - x2) + k2 (x1 -x2) + - a) = 0 (1-1) 式中 % 非悬挂质量（车轮质量 ) m2 - 悬挂

17、质量 .(车身质量 ） k2 -悬架刚度 k - 轮胎刚度 c 减振器阻尼系数 q 路面不平激励 图卜 1 由于轮胎阻尼系数很小，模型中已与忽略，将定 义为车轮相对动载荷，它决定了车轮与路面之间的附着效果，与汽车的操纵 稳定性有关。常用的均方根值来评价汽车的平顺性。 显然，减振器阻尼系数 c的取值将直接影响车身的加速度和车轮相对动 载荷的大小，即直接影响汽车的平顺性和操纵稳定性。首先，它能衰减路面 激励引起的车身的自由振动，并抑制在共振频率附近车身强迫振动的幅值， 提高乘坐舒适性。在频域内，由路面激励引起乘员振动加速度的幅频响应特 性在系统固有振动频率附近存在峰值。其中车身一悬架系统的固有振动

18、频率 在1Hz附近，乘员一座椅系统的固有频率在 3Hz附近，非悬挂系统的固有 频率在10Hz附近。在以保证汽车最佳乘坐舒适性为目标的条件下，减振器 阻尼系数的选择在于如何有效降低乘员振动响应峰值。对于双 筒液压减振 器，当阻尼比在 0.3左右、复原 /压缩行程阻尼力分配为 80/20时，通常可以 获得较好的乘坐舒适性。 其次，悬架减振器对于保证汽车的操纵稳定性同样具有作用。当汽车直 线行驶时，随车速的升高，由路面激励引起的汽车位移、速度和加速度功率 谱密度增大，使得控制汽车的垂直、俯仰和侧倾等运动变得困难。此时需要 增加减振器的阻尼比以提高汽车的行驶安全性。汽车在某些非稳态工况下所 产生的车身

19、运动，如加速或制动导致的俯仰运动、转向导致的侧倾运动等， 都需要由悬架减振器衰减，此时，要求减振器阻尼比为 0.8 1,0、复原 /压缩 行程阻尼力分配值为 60/40,才能保证较好的汽车操纵稳定性。 汽车乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性对悬架减振器特性的要求因 路面、载荷、车速和汽车运动状态等具体行驶工况不同而不同，也因驾驶员 而异。为了能够适应上述不同行驶工况和驾驶员的要求，只能在两者之间折 衷，通常减振器的阻尼比为 0.3 0.75。 所以，对减振器而言，关键是阻尼力的大小问题。其作用就是当车架（或 承载式车身）与车桥（或车轮）作往复相对运办，而活塞在缸筒内往复移动 时，减振器壳体内的

20、油液反复地从一个内腔通过一些窄小的节流口流入另一 个内腔。此时，孔壁与油液间的摩檫及液体分子内的摩擦便形成对振动的阻 尼力，使车身和车架的振动能量转化成热能，而被油液和减振器壳体所吸收， 继而散发到大气中，起到迅速减振的作用。减振器阻尼力的大小随着车架与 车桥 (或车轮 )的相对速度的增减而增减，并且与油液粘度有关。要求减振器 所用油液能在较宽广的温度范围内保证正常工作，其粘度受温度变化的影响 尽可能小；油液还应有较高的沸点和较低的凝固点，且具有抗汽化、抗氧化 以及对各种金属和非金属零件不起腐 蚀作用等性能。减振器的阻尼力愈大， 振动消除得愈快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥。同时，过

21、大 的阻尼力还可能导致减振器连接枣件及车架损坏，为解决这一矛盾，对减振 器有如下要求： （ 1)在悬架缩形程 (车桥与车架相互移近的形程 )内，减振 器阻尼力应较小，以便充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击。 （ 2)在悬架 拉伸行程 (车桥与车架相互远离的形程 )内，减振器阻尼力应较大，以求迅速 减振。 （ 3)当车桥 (或车轮 )与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加 大液流通道截面 积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的 冲击载荷，保证行驶的安全性。 1.2.2减振器的类型 就所有减振器而言，按附加阻尼的不同性质可以分为：固体减振器、液 体减振器、磁阻尼减振器以及冲击减振

22、器等。而汽车所用的减振器，随着时 代的发展，大体经历了干摩檫式减振器、鼓式减振器、臂式减振器 、双 筒液 压减振器和单筒预充气式减振器的发展阶段。由于种种明显的缺陷，前几种 减振器己经被淘汰。目前，国内多采用双筒液压减振器，国外已用充气式减 振器。 本文主要研究双筒液压减振器，下面将着重介绍此类减振器的工作原 理。 1.2.3减振器的工作原理 通常双筒液压减振器在压缩和拉伸行程 两行程内均能起作用，所以又称之为双向作用 筒式减振器，其简图如图 1 一 2所示。用压紧 螺母固定在活塞杆 1上的活塞可以在工作缸筒 11中上下移动；活塞 5上装有流通阀总成 4和 拉伸阀总成 10,用以产生拉伸阻力；

23、工作缸筒 下端装有底阀座 8,其上有补偿阀总成 6和压 缩阀总成 7,用以产生压缩阻力；工作缸筒上 端有导向器 3和油封总成 2，油封总成密封减 振器液 9,不使油液外泄。油封盖 13使整个工 作缸筒、底阀座、油封总成固定在储油缸筒内， 工作缸筒内充满减振器液，储油缸筒 12与工 作缸筒之间形成储油腔，腔内也装有减振器 图 1 2减振器结构示意图 I、 活塞杆 3、导向器 5、活塞 7、压缩阀总成 9、减振器液 II、 工作缸筒 13、油封盖 2、油封总成 4、流通阀总成 6、补偿阀总成 8、底阀座 10、拉伸阀总成 12、储油缸筒 液，但是不装满。 双向作用筒式液压减振器屮通常都具有如上图所

24、示的卩 4个阀，即压缩 阀、拉伸阀、流通阀和补偿阀。流通阀和补偿阀都是一般的单向阀，其弹簧 很弱，当阀上的油压作用力与弹簧力同向吋，阀处于关闭状态，完全不通油 液；而当油压作用力与弹簧力反向时，只要有很小的油压，阀便能开启。压 缩阀和伸张阀是卸荷阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压增高到一定 程度时，阀才能开启；而当油 11减低到一定程度时，阀即自行关闭。 双向作用筒式减振器的工作原理可按车轮和车身运动的相对运动方向 分为压缩和拉伸两个行程。 缩行程：当汽车车轮滚上凸起或滚出凹坑时，车轮移近车架 (车身 )， 减振器受压缩，减振器活塞 5下移。活塞下面的腔室 (下腔 )的容积变小，油 压升高

25、油液流经流通阀 4流到活塞上面的腔室 (上腔 )。由于上腔被活塞杆 1 占去一部分，上腔内增加的容积小于下腔减少的容积，故还有一部分油液推 开压缩阀 7,流回储油缸 12。这些阀对油液的节流作用便造成对悬架压缩运 动的阻尼力。 拉伸行程：当汽车车轮滚离凸起和滚进凹坑时，车轮相对车身移开，减 振器 因弹性元件的存在而受拉伸。此时减振器活塞向上移动 &活塞上腔油压 升高，流通阀 4关闭。上腔内的油液便推开拉伸阀 10流入下腔。同样，由 于活塞杆的存在，自上腔流來的油液还不足以充满下腔所增加的容积，下腔 内产生一定的真空度，这时储油缸中的油液便推开补偿阀 6流入下腔进行补 充。此时，这些阀的节流作用

26、即造成对悬架拉伸运动的阻尼力。 压缩阀的节流阻力应设计成随活塞运动速度变化而变化。例如，当车架 或车身振动较缓慢，即活餐向下的运动速度较低时，油压不足以克服压缩阀 弹簧的预紧力而推开阀门。此时多余部分的油液便经一些常 通的孔或缝隙流 冋储油腔。当车身振动剧烈，即活塞向下运动的速度高时，则活塞下腔油压 骤增，达到能克服压缩阀弹簧的预紧力时，便推开压缩阀，使油液在很短的 时间内，通过较大的通道流回储油缸。这样，油压和阻尼力都不致超过一定 限度，以保证压缩彳于程中弹性元件的缓冲作用得到充分发挥。 同样，拉伸行程中减振器的阻尼力也应设计成随活塞运动速度变化而变 化。当车轮向下运动速度不大，即活塞向上运

27、动的速度不大时，油液经伸张 阀的常通孔隙流入下腔，由于通道截面积很小，便产生较大的阻尼力，从而 消耗了振动能量，使振动迅速衰减。当车身剧烈运动时，活塞上移速度增大 到使油压足以克服拉伸阀弹簧的预紧力时，拉伸阀开启，通道截面积增大， 使油压和阻尼力保持在一定限度之内。这样，可使减振器及悬架系统的某些 零件不会因超载而损坏。 由于拉伸阀弹簧的刚度和预紧力比压缩阀大，在同样的油压力作用下， 拉伸阀及相应的常通缝隙的通道截面积总和小于压缩阀及相应的常通缝隙 的通道截面积总和。这就保证了减振器在伸张行程内产生的阻尼力比压缩行 程内产生的阻尼力大得多。 1.3减振器的内外特性 减振器的阻尼力主要靠活塞阀系

28、统和底阀系统上的各个阀门相互配合、 协调动作以及结构上必要的工艺保证产生的。 减振器的内特性是用阀系对工作液的节流作用形成的压力差和通过 阀系统的工作液流量的关系式来表征的，即： p = f(Q) ( 1 2) 减振器的阻力主要由以下几大部分组成的； 1) 通孔节流阻力 袖液流过横面积不变的小孔或缺口产生的阻力。这些小孔或缺口在结构 上实现的方式是多种多样的，如活塞密封线上的缺口、活塞边缘突起缺口或 节流阀片上的缺口等。 2) 缝隙泄漏阻力 活塞和缸筒之间、连杆与导向器之间 .由于工艺和配合公差而产生的缝隙 会有工作液泄漏，也产生一定的节流阻力。这部分属于减振器不良阻力，设 计时应尽量避免这种泄漏。 3) 弹性零件在油压作用下而产生的阻力 如阀片或弹簧受压产生变形，形成环形间隙而产生节流阻力。 减振器的外特性是指减振器伴随（相对 ） 运动的位移或者（相对 ） 运动 的速度，与相应产生的工作阻力之间的关系，通常指的是示功图和速度特性。 作为减振器的性能，示功图和速度特性的品质决定了它与悬架系统的匹配质 减振器的内特性是以外特性的技术要求为依据的，并有 _定的结构 措施 来保证，而外特性是内特性的直观表现。减振器的内外特性是相辅相成的，