筒式液力减振器性能模拟仿真技术的发展

作者：武汉理工大学 张文 邓楚南

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 摘要：总结和分析了汽车筒式减振器的各类建模方法，将其归纳为参数化模型、等效参数化模型及非参数化模型，并分别阐述了其基本原理和存在的问题。介绍了国内减振器性能模拟仿真技术的现状，并提出了未来的发展趋势。 关键词：减振器，性能，模拟，仿真，固-液耦合 中图分类号：U463331，TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2006）12-0036-03 一、减振器数学模型的分类 减振器是汽车悬架系统中的阻尼元件，它的性能对乘坐舒适性、操纵性能等有直接的影响，其数学模型的建立一直是国内外汽车动力学领域中的重要研究课题。就筒式液力减振器的研究而言，已建立了三类数学模型，即参数化模型、等效参数化模型和非参数化模型。参数化模型考虑了减振器内部油液的流动以及节流阀弹性元件的变形等真实工作状态，建立流体和结构的耦合动力学模型，这种模型既可用于减振器特性预测和分析，也可用于汽车系统动力学和振动仿真分析。等效参数化模型将减振器抽象成一些具有某种力学特性的典型物理元件的组合系统，建立等效的力学特性分析模型。非参数化模型是基于对减振器实验测试分析的一类模型，它不考虑减振器的实际结构和内部工作过程，仅采用形式上适当的数学函数表达式来逼近实验结果。 二、参数化模型 减振器通常由活塞及活塞杆、流通阀、压缩室、复原室、补偿室、底阀等组成。建立参数化模型时应针对各腔室和节流阀建立表述流体压力-流量等参数关系的方程，然后根据流体质量守恒关系将各方程式联系起来。节流阀的特性对于减振器的特性有决定性的影响。减振器内部的节流阀有弹性阀片组合型、弹性阀片与螺旋弹簧组合型、板阀与螺旋弹簧组合型等。其弹性元件的变形与节流区域流场之间存在着较强的动力学耦合关系，正确描述此耦合关系是建立减振器参数化模型的关键。减振器的参数化模型可分为集总参数模型和分布参数模型，目前所建立的物理参数模型多属于集总参数模型。 Lang于20世纪70年代后期建立的某双筒式悬架减振器的集总参数模型共包含83个参数，用于研究减振器高频特性畸变问题。他采用简化的汽化和液化模型描述工作室内混入气体发生的物理变化，利用模拟电路实现减振器特性的仿真。 在集总参数模型中需要将阀的特性表达为阀的流量与阀两端压力差的函数关系。通过各节流孔隙的流量与其两侧压力差的关系通常采用工程流体力学中的半经验公式建立。压缩室和复原室的模型中须表达出腔室内油液压力与活塞运动学参数之间的关系，通常要考虑油液的可压缩性，它是导致减振器速度特性出现迟滞现象的重要原因。补偿室的模型则须表达出其内部油液压力与体积之间的关系。如果考虑气体混入油液导致减振器特性发生畸变的问题，则需要建立各腔室油气混合物发生物理变化引起压力-体积特性发生变化的模型。根据流体质量守恒方程，将各腔室和节流阀的流量模型联系起来，构成完整的减振器模型。 在建立上述集总参数模型时，假定各腔室内油液压力分布是均匀的。但实际上一般是非均匀的，尤其在节流阀附近区域，这必然导致模型误差。一些关键模型参数如弹性阀片组的变形量、流量系数等也须由实验测试得到。由此建立的模型大多利用实验测试结果来获得部分或全部模型参数，因此不便于在设计阶段预测减振器特性。 随着计算技术的发展，采用数值方法建立和求解减振器分布参数模型逐渐成为可能。若分别采用FFA方法和CFD方法分析弹性结构动力学和流体动力学特性，将液-固耦合动力学问题分解为多步的非耦合问题求解，则可以提高模型精度以减少对实验测试的依赖程度。随着流-固耦合动力学分析理论和计算技术的发展，己有可能利用具有FSI（flu-id-structure interaction，流-固耦合）分析功能的有限元分析工具求解减振器液-固耦合非线性动力学问题。 三、等效参数化模型 80年代末期，Karadayi和Masada认为Lang的模型虽然能够较好地表达减振器的非线性特性，但过于复杂，不宜用于汽车系统动力学和振动仿真分析。为了建立一种既能够表达减振器迟滞特性又较为简明的模型，他们采用了将减振器等效化为由弹性元件、阻尼元件、间隙及摩擦元件等组合成的力学模型。模型中不考虑减振器的实际结构和内部工作过程。元件的力学特性既可以是线性的也可以是非线性的，其组合系统能够表达出减振器的非线性动态特性。Karadayi的建模方法为建立减振器的少参数非线性模型探索了一条有效的途径，但其模型仿真结果仅在减振器的低频运动工况下能够与实验结果较好地吻合。 Besinger和Cole等在90年代中后期将这种建模方法应．用于重型车辆悬架减振器的建模，采用了非线性的弹性和阻尼元件，其模型仿真结果在活塞运动频率小于10Hz，速度小于1m/s的范围内，与实验测试结果吻合得较好。 图1是采用具有不同力学特性的物理元件组合而成的几种等效参数化模型：（a）仅由线性弹性元件K和线性阻尼元件C串联而成；（b）则增加了一摩擦元件ψ；（C）在（b）的基础上增加了一间隙元件ε。等效参数化模型中的物理元件与影响减振器特性的实际因素之间具有一定的对应关系：弹性元件对应于节流阀系弹性元件、油液或油气混合物的可压缩性、缸筒的弹性以及减振器两端连接铰链的橡胶衬套的弹性等综合作用的效果；阻尼元件对应于油液流经节流孔隙产生的阻尼作用；摩擦元件对应于运动副之间的摩擦；间隙元件对应于节流阀和油液的运动滞后以及减振器运动方向改变时可能出现的空程。模型中各物理元件的参数值可由实验测量数据拟合。 针对不同的减振器可采用不同的元件组合，取不同的元件力学特性参数建立模型——当摩擦力影响较为显著时，如对于承受侧向力的减振器，应采用（b）和（c）所示的组合。对于商用车辆悬架减振器，摩擦和间隙影响不显著，采用（a）所示的模型也能达到较高的精度。需要指出的是，减振器的阻尼特性在不同工作速度和不同激振频率下的非线性特征是有较大区别的，通常随节流阀的开启状态呈现明显的二个阶段，随激振频率的增加迟滞现象增强。因此低频低速工况下元件力学特性参数的取值往往不适于高频高速工况，可根据减振器的实际阻尼特性选取力学元件，根据具体工况进行参数拟合。这也是等效参数化建模中的难点问题。 四、非参数化模型 减振器的非参数化模型（也称作黑箱模型）有多种。其中最简单的方法是对实验测量的阻尼力-活塞位移或速度关系数据（示功图和速度特性图）进行曲线拟合或将测量结果整理成表格。但由于减振器的阻尼力实际上与多个运动状态参数（如位移、速度和加速度等）有关，因此上述表示方法不够全面。恢复力曲面（restoring force surface，RFS）方法是较成功的非参数化建模方法。其要点是将减振器阻尼力表达为多运动状态参数函数，以二维曲面图直观地表达减振器特性。这种建模方法对减振器的测试方法有一定的特殊要求，目前比较成熟的方法是在某一激振频率下改变激振幅值，使得状态平面上每个网格内均包含足够的数据量。由于减振器的特性与其振动频率有关，因此需要在许多频率下对减振器进行激光振实验，获得一系列等频率恢复力曲面图。这需要进行大量的实验测试，是此类建模方法目前存在的主要缺点。目前，基于谐波激振的RFS建模方法已相对比较成熟，基于非谐波激振（如随机激振）的RFS建模方法正处于进一步研究中。 五、国内减振器模拟仿真技术的现状 在减振器建模和仿真分析领域，国内有些学者建立了一些简化的参数化模型、等效参数化模型和非参数化模型。但建立的物理参数模型中对减振器的实际结构做了较大简化，也未深入考虑介质工作温度、摩擦力等因素的影响。文献[6]采用液-固耦合有限元方法对底阀压缩阀的节流特性进行了模拟计算。底阀、压缩阀采用了滑阀结构，易于采用液-固耦合有限元方法直接求解其压力差-流量特性。求解结果总体与测试结果吻合较好，但由于底阀压缩阀节流孔隙的形状复杂，建立固-液耦合模型时进行了适当的结构简化，导致产生了一定的误差。有关减振器等效参数化模型的研究主要是将国外的建模方法应用于国产汽车悬架减振器的建模。目前对此类方法的建模过程已经掌握，但其应用研究有待于进一步开展。对于非参数化建模方法的研究目前仅限于对实验测试结果的简单拟合。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/30/2007)