减振器能量耗散研究综述

田雪，孙晓帮，王天利，张宗斌

(1.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州 121001；2.长城汽车哈弗技术中心，河北保定 071000)



减振器能量耗散研究综述

田雪1，孙晓帮1，王天利1，张宗斌2

(1.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州 121001；2.长城汽车哈弗技术中心，河北保定 071000)

介绍了减振器的工作形式和其工作时能量耗散原理；阐述了减振器阻尼特性对减振器能量耗散的影响；结合国内外研究现状，综述用于减振器能量耗散理论研究方法；提出从能量角度建立减振器能量耗散理论来完善减振器性能评价体系的具体方法。

汽车悬架；减振器；能量耗散；能量匹配

0 引言

汽车悬架是现代汽车上重要的组成部分之一，其作用是传递作用在车轮和车身之间的力和力矩。当车身和车轮振动时，减振器通过内部液压油摩擦和流经阻尼孔的摩擦将悬架动能转换成热能，耗散到大气中，实现衰减振动目的。目前大多数学者在悬架设计中针对减振器的性能要求，一般采用汽车动力学理论对悬架参数进行最优匹配，并以减振器阻尼特性曲线为优化目标进行减振器的性能优化，以达到为悬架系统匹配最佳性能减振器的目的，使车辆达到最佳减振效果。但是汽车悬架与减振器最佳能量匹配并没有得到满足。如果将减振器能量耗散与整车能量匹配有机地连接起来，将对减振器性能研究具有指导意义。

1 减振器工作原理及其阻尼特性

1.1 减振器工作原理

1.1.1 减振器压缩行程工作原理

减振器在压缩行程的运动及阻尼产生过程如图1所示。压缩行程是指当车轮移近车身，减振器受压，减振器活塞杆带动活塞向下运动，压缩腔油压升高,压缩腔油液流经流通阀到复原腔，一部分油液流经压缩阀到储油腔,产生压缩节流压力。节流压力对悬架压缩运动产生阻尼力，压缩行程阻尼力可表

示为：

Fdy=(phy+py)Sg

(1)

式中：Fdy为压缩行程阻尼力(N)；phy为油液流经压缩阀座孔的节流压力(MPa)；py为压缩阀节流缝隙压力差(MPa)；Sg为活塞杆面积(m2)。

图1 压缩行程

1.1.2 减振器压缩行程工作原理

减振器在复原行程的运动及阻尼产生过程如图2所示。复原行程是指当车轮相对车身移开，减振器受拉，减振器活塞杆带动活塞向上运动，复原腔油压升高，复原腔油液流经复原阀到压缩腔，储油腔的一部分油液流经补偿阀到压缩腔,产生复原节流压力。节流压力便造成对悬架拉伸运动的阻尼力，复原行程阻尼力可表示为:

Fdf=(ph+pf)Sh

(2)

式中：Fdf为复原行程阻尼力(N)；ph为活塞孔的节流压力(MPa)；pf为节流缝隙的节流压力(MPa)；Sh为活塞缸筒和活塞杆之间的环形面积(m2)。

图2 复原行程

根据能量守恒定律，活塞向下或向上运动对液体所做的功等于该液体位能变化量和动能变化量之和。又因为液体具有黏性，液体流动时会产生内摩擦力，从而造成能量损失(即压力损失)，包括沿程压力损失和局部压力损失：沿程压力损失是液体分子间的内摩擦产生的；局部压力损失是液体分子间碰撞、漩涡产生的附加摩擦，如式(3)、(4)所示。

沿程压力损失：

(3)

式中：λ为层流/紊流沿程阻力系数；l为管路长度(m)；Re为雷诺系数；ρ为油液动力黏度(Pa·s)；d为圆管直径(m)；v为液体平均流速(m/s)；Q为圆管流通量(m3/s)。

局部压力损失:

p2=ζρv2/2

(4)

式中：ζ为局部阻力系数。

减振器将动能转化为热能过程中能量耗散量可表示为：

(5)

如图3所示：示功图表示阻尼力-位移变化曲线，曲线围成的面积表示减振器在一个周期内消耗的总功，即减振器消耗的能量；速度特性图反映了阻尼力-速度变化关系，由示功图求导得到，因此，曲线与坐标轴围成的面积即减振器消耗的功率。

图3 减振器阻尼特性曲线

1.2 影响减振器阻尼特性因素

对传统减振器性能的判断，人们大多根据示功图上最大、最小阻尼力峰值及其示功曲线是否平滑饱满、有无畸变等来判断减振器的性能优劣[1]。但是传统减振器的评价方法中减振器能量耗散性能没有得到体现。

减振器的阻尼特性是其内部结构的直观表现，减振器的能量耗散是对其阻尼特性的直观反映。因此，减振器内部阀系对其能量耗散能力有很大的影响。一般减振器内部结构对减振器能量耗散影响包括两类：阀片的变形程度和阀系的尺寸参数。

影响阀片变形程度因素包括：(1)瞬时油液的流量；(2)瞬时油液的流速；(3)油液的流通面积。

由公式(3)可知：沿程压力损失p1与油液圆管流通量Q和液体平均流速v成正比，与管内直径d成反比。由公式(4)可知：局部压力损失p2与液体平均流速v成反比。

阀系的尺寸参数[2]包括：

(1)活塞孔直径。活塞孔径越小，节流效果越明显，能量耗散量越大。

(2)活塞上常通孔。常通孔具有分流效果，通过配置不同的常通孔来调节所需的能量耗散量。

(3)阀片厚度及片数。阀片相同，叠加片数越多，能量耗散量越大。总厚度相同，阀片厚度不同，能量耗散量不同。

(4)压缩阀形式。采用不同压缩阀，示功图饱满程度不同，能量耗散量不同。

如果能够分析出减振器内部结构参数对减振器能量耗散的影响，可对汽车悬架与整车能量匹配提供一定的理论依据。

2 减振器耗能理论研究方法

目前减振器能量耗散性能分析，可采用理论、仿真和实验方法实施。汽车悬架减振器能量耗散研究，将对车辆振动回收能量提供科学的理论依据。

2.1 理论研究方法

根据最佳阻尼对减振器速度特性作匹配，以此保证减振器能够满足车辆悬架最佳阻尼匹配要求，提高车辆行驶平顺性。

文献[3]中首先建立悬架二自由度行驶振动模型，基于舒适性和安全性最优阻尼比，建立车辆悬架最优阻尼比数学模型。方法如下：

将ξoc和ξos利用黄金分割法得到车辆悬架最优阻尼比ξo：

ξo=ξoc+0.618(ξos-ξoc)

(6)

由振动理论可知，ξo与悬架系统最佳阻尼系数c的关系为:

c=4πξofm2

（2）水资源论证工作涉及对象。水资源工作涉及的对象主要包括取水企业、水资源论证企业、水行政主管部门、专家组这4个主要组成部分。涉及招商引资企业时，政府也是涉及对象。

(7)

式中：f为悬架系统固有频率(Hz)；m2为簧载质量(kg)。

当ξo确定后，由文献[4]可确定复原行程和压缩行程初次开阀阻尼系数：

c1=c1y=4πξofm2

(8)

式中：c1为复原行程初次开阀阻尼系数；c1y为压缩行程初次开阀阻尼系数。

复原行程开阀后特性曲线斜率k2：

k2=k1/η

(9)

式中：k1=c1；η为复原行程平安比。

减振器阻尼力Fd为阻尼系数与速度的乘积，根据公式(8),可建立减振器分段速度特性数学模型为:

(10)

式中：β为减振器压缩与复原阻尼力双向比；F1f为复原初次开阀阻尼力(N)；v1f为复原初次开阀速度(m/s)；F2f为复原最大开阀阻尼力(N)；v2f为复原最大开阀速度(m/s)；F1y为压缩初次开阀阻尼力(N)；F2y为压缩最大开阀阻尼力(N)；v1y为压缩初次开阀速度(m/s)；v2y为压缩最大开阀速度(m/s)。

由上述数学模型得到分段线性速度特性曲线，如图3(b)所示。曲线与坐标轴围成的面积S表示减振器消耗的功率。

复原行程消耗功率，即复原行程面积为：

(11)

压缩行程消耗的功率，即压缩行程面积为：

(12)

减振器一个周期内经历压缩与复原两个行程，因此，减振器耗散功率可表示为：

(13)

通过实例设计验证减振器功率数学模型正确性，为减振器能量耗散研究奠定了可靠的理论基础。

(2)基于悬架动力学理论研究车辆悬架能量耗散功率

文献[5]中车辆悬架能量耗散主要来自减振器，其耗能可表示为阻尼力与悬架相对位移的乘积。车辆悬架系统的能量耗散与路面不平度激励密不可分，由悬架振动微分方程得到悬架相对速度均方值为：

(14)

式中: H(f)(v2-v1)/v0为悬架相对速度传递函数。

其中，白噪声速度功率谱密度为:

Gv0(f)=(2πn0)2Gx0(n0)v

(15)

式中: Gx0(n0)为空间频率下的路面功率谱密度；v为车辆行驶速度；n0为参考空间频率；f为时间频率。

在忽略减振器内部连接衬套阻尼时，又可以表示为：

(16)

式中:t0为减振器工作时间(s)；cs为减振器阻尼系数；Fd为减振器阻尼力。

为了分析悬架能量耗散影响因素，假设车辆悬架耗散因子为：

(17)

由式(15)可知，kv与悬架运动参数有关。分别将非簧载质量m1、簧载质量m2、轮胎刚度k1、悬架弹簧刚度k2、减振器阻尼系数cs在选定范围内取不同值时(选定范围不代表车辆参数的任意选择，只是理论研究范围)，并通过拟合曲线观察kv的变化。其中轮胎刚度与k1呈45°线性关系，即kv=k1。其余参数对kv影响非常小可忽略。因此，减振器能量耗散功率又可以表示为：

P=k1Gv0(f)=(2πn0)2k1Gx0(n0)v

(18)

上述研究为减振器能量耗散理论研究提供参考依据。

2.2 实车试验方法

文献[6]中选取某乘用车作为试验车，悬架动位移采用激光位移传感器测量，用数据采集系统以及Test.Lab工程测试与信号分析软件完成数据采集。选定平直水泥路面、坑洼沥青路面、减速带的水泥路面作为试验路段。选定不同车速匀速行驶工况试验，对试验数据滤波后求导得到悬架速度-时间曲线。根据悬架能量瞬时公式：

(19)

式中：vv2-v1为悬架相对速度(m/s)。

利用MATLAB软件处理得到减振器瞬时能量累计值-时间曲线，如图4所示。再根据曲线数据求出不同车速下能量均方根值，即减振器耗散的能量。

图4 减振器瞬时能量累计曲线

上述研究考查了实际车辆行驶时的可回收能量潜力，开展了减振器能量耗散评估的道路试验。

2.3 仿真分析方法

(1)用CarSim平台进行整车仿真

文献[7]在CarSim平台中选取E-Class SUV为车辆模型,对其模型进行车辆参数设置，采用6速变速器及4轮驱动方式;悬架阻尼器为Big SUV Damping模型(非线性阻尼);弹簧为Big SUV Spring，路面采用积分白噪声的方法生成。仿真结果如表1所示。

表1 悬架阻尼器耗能百分比

通过对比悬架阻尼器所耗散的能量占发动机输出能量的百分比可知：相同车速下, 影响减振器耗能的主要因素为路面不平度系数。在相同路面上行驶时,车速对减振器耗能影响较大。在目前的道路及工况条件下,减振器耗散的能量具有很大的回收价值。

(2)用MATLAB/Simulink平台实现悬架车辆仿真

文献[8]中建立了被动悬架和主动悬架模型。被动悬架系统中，假定系统的振动能量均由减振器以热能形式耗散掉，则其耗能P应为阻尼力乘以悬架相对位移，即：

(20)

式中：[x2(t)-x1(t)]为悬架相对位移 。

采用最优线性二次控制器LQG设计主动悬架，其总能量需求为最优控制力U(t)所做的正功，即：

(21)

依据建立的主动与被动系统模型，对车辆在不同行驶工况下进行仿真并考察耗能情况，如图5所示。

图5 悬架系统仿真图

仿真结果将被动悬架能量消耗与主动悬架能量需求作对比，分析了主动悬架能量回收潜力。悬架系统建模与仿真工作为减振器能量耗散的研究提供重要的指导作用。

3 结束语

比较国内外减振器耗能研究现状不难发现，无论是软件仿真建模还是理论建模，大多数学者都是从减振器馈能潜力方面对减振器耗能理论进行研究，方法如下：

(1)从汽车悬架动力学模型出发，建立减振器能量耗散功率模型。

(2)对减振器能量耗散影响因素的研究，注重悬架运动参数对减振器能量耗散的影响。

悬架能量耗散能力可通过减振器示功图面积计量得出，将减振器内部阀系结构理论与悬架性能实验结合即可分析减振器性能优劣。如果从减振器能量耗散角度出发，可从以下3个方面建立减振器能量耗散理论来完善减振器性能评价体系：(1)用减振器能量耗散来描述示功图饱满程度。(2)用减振器能量耗散性能评价减振器性能优劣。(3)从能量角度对汽车悬架与整车最佳能量匹配进行研究。文中研究为减振器优化研究及整车能量匹配提供了有效途径，同时为减振器性能评估和质量检测提供一种可行的方法。

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以智能出行理念引领生活

日产BladeGlider高性能电动汽车原型车发布

日产汽车公司在巴西里约热内卢发布了其领先时代的日产BladeGlider原型车。这款基于2013年东京车展上首次亮相的BladeGlider概念车所研发的车型，以极具革命性的跑车设计将零排放与高性能完美结合。日产BladeGlider原型车的发布，标志着日产汽车将智能出行、节能环保和跑车驱动能力融为一体。

日产BladeGlider原型车的发布，标志着日产汽车实现了以灵敏、高效的纯电动汽车为消费者营造全新驾驶乐趣和激情的愿景。

此次发布的日产BladeGlider原型车具有先进的底盘配置，前窄后宽的轮距设计带来了最佳的空气动力效率和操作稳定性；高腰线和后铰链上掀式车门的设计带来酷感十足的上、下车体验；一体化的翻转保护结构则令敞篷设计得以强化，保留敞篷跑车带来的愉悦驾乘体验的同时还赋予了这款车轿跑级别的安全保护。

日产BladeGlider原型车先进的方向盘控制集成显示系统可以显示速度、电池充电状态、更新模式和扭矩表现等信息。中央显示屏的左右两侧各设有一块显示屏，显示安装在前轮后侧的后视摄像头所采集的影像。这一创新的双屏设计有效提升汽车的空气动力效率。驾驶舱内的3个座椅呈三角形分布，驾驶位在前排中间的箭头位置，为后排的两个乘客位提供宽敞的腿部空间。而驾驶舱风挡玻璃的无缝设计，更为车内的每位驾乘者带来全景视野。

日产BladeGlider采用100%电力驱动，其卓越的动力性能由日产汽车的技术伙伴——英国威廉姆斯先进技术工程公司专门打造。在巴西里约热内卢现场展示的BladeGlider原型车，最高时速可达190 km/h*，0～100 km/h的加速时间不超过5 s*，车辆的每个后轮各配备了一个功率达130 kW的电机为其提供强劲动力。系统通过扭矩矢量分配来控制传输到各驱动轮的扭矩，从而进一步提升操控性能。搭载扭矩矢量分配系统后，一旦汽车出现转向不足的情况，系统会自动向外侧车轮分配更多扭矩，从而恢复操作平衡。系统共设有3种模式：关闭模式、敏捷模式和漂移模式。车型动力来源于五模功率达220 kW的高性能块锂离子电池。同时，车上搭载了专为电池和电机开发的全定制冷却系统。

日产BladeGlider原型车的内饰设计则展现出这款车型动感十足的一面，车内每个座椅都配备了4点式安全带，同时还可为驾乘者提供独特的体侧和腿部支撑。座椅采用纤维织物与环氧树脂高密混合的高韧性耐磨面料，令驾乘者的乘坐更为舒适安全。内饰共有两种颜色——数码绿和幽暗橙。这些颜色主要应用于座椅靠背的上半部分，框架部分则运用银色反光材料来营造夺目、动感的视觉。座椅整体视觉为黑色印花底座搭配带有绿、橙色边饰的坐垫。

备注：标*号的数据均来自威廉姆斯先进技术工程公司的测评记录。

(来源：日产汽车)

Review on Energy Dissipation of Shock Absorber

TIAN Xue1,SUN Xiaobang1, WANG Tianli1, ZHANG Zongbin2

(1.College of Automobile and Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001,China;2.Changcheng Automobile Technology Center of Havard, Baoding Hebei 071000,China)

The structure and energy dissipation principle of a shock absorber were introduced; the effect of shock absorber damping characteristic on the damper energy dissipation was expounded; combining with the research status at home and abroad, the research methods about the energy dissipation of shock absorber were reviewed; the theory of energy dissipation in shock absorber was put forward from the point of energy to improve the performance evaluation system of shock absorber.

Vehicle suspension; Shock absorber; Energy dissipation; Energy matching

2016-06-24

辽宁省科技厅项目(2014004029)

田雪(1991—),女，硕士，主要从事汽车动力学方面的科研。E-mail：1508202842@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.018

U463.33

A

1674-1986(2016)09-077-05