阻尼可调叶片减振器的研制与验证

崔恩康，韩承冷，邹俊逸

阻尼可调叶片减振器的研制与验证

崔恩康，韩承冷，邹俊逸

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

设计并制造了一种阻尼可调叶片减振器，建立了减振器的三维模型；基于流体力学理论建立了减振器的动力学模型；提出了通过改变电磁阀占空比调节减振器阻尼的方案，并得到了减振器的特性曲线；基于振动试验设备进行了台架试验。

叶片减振器；外置式电磁阀；阻尼调节；缝隙流量

随着社会的发展，人们对车辆的平顺性的要求越来越高。传统悬架的阻尼系数为定值，无法满足各种复杂路况的要求[1]。因此，阻尼可调式主动悬架应运而生，其中CDC减振器最具代表性。现有的阻尼调节技术大多应用于筒式减振器，但是筒式减振器具有垂向占用空间大、防护性与散热性差等缺陷，无法应用于一些特殊车辆，叶片减振器则具有占用空间小、便于布置、传导散热效果好等优点[2]，本文拟研制一种类似于CDC的阻尼可调式叶片减振器。

1 叶片减振器研制

叶片减振器的主要部件包括壳体、套筒、叶片、隔板、液压管、电磁阀以及纵臂。叶片减振器的工作原理为：当车轮受到路面激励时纵臂转动，带动减振器套筒及叶片旋转，油液从高压腔流向低压腔，经液压管道的节流作用，产生相应的阻尼力。根据上述原理在Solidworks中进行叶片减振器的三维模型设计，并加工出了小比例功能性样机，实物如图1所示。

图1 叶片减振器实物图

2 叶片减振器数学模型

2.1 减振器阻尼力

当车辆在路面上行驶而受到路面激励时，减振器产生的的阻尼力矩为[3]：

=cos（1）

（2）

联立公式（1）与公式（2），可得到∆=（）的关系式。

2.2 减振器缝隙

对于上述减振器的设计，叶片处的主要间隙包括叶片密封套与套筒扩大端的间隙Gap1、叶片与壳体之间的轴向间隙Gap2、叶片与壳体间的端面间隙Gap3、叶片密封套与套筒间的间隙Gap4[4]。隔板处的间隙结构与之类似。可将所有间隙等效为一个常通孔。

2.3 流体力学模型

当车辆受到路面激励时，减振器工作，两腔之间产生压差，液压油从高压腔流入低压腔，主要流道包括串联的电磁阀与液压管、等效为常通孔的间隙。设总流量为，流经液压管与电磁阀的流量为1，流经间隙的总流量为2。设两腔之间压差为∆，高压腔液压管两端压差为∆1，电磁阀两端压差为∆2，低压腔液压管两端压差为∆3。根据流体力学理论知识[5]，建立如下物理学模型：

液压管可以看做细长小孔流，其两端的压差为：

电磁阀处看做管嘴流动，其两端的压差为：

将式（3）（4）带入∆=∆1+∆2+∆3后，再将各个数值带入，将∆当作常数求解一元二次方程可得1=（∆）的关系式。

叶片处的缝隙流量为：

（5）

隔板处缝隙流量gap5，gap6，gap7，gap8的计算类似。将式（5）～（12）代入2=gap1+gap2+gap3+gap4+gap5+gap6+gap7+gap8后，再代入各个参数的数值，可以得到2=（∆）的关系式。

将1=（∆）与2=（∆）代入=1+2得到=（∆）的关系式。

Q=，等式两侧积分可得到叶片减振器内部腔室内液压油总流量计算公式为：

（9）

将各个参数的数值代入公式（9）可以得到=（）的关系式。

3 仿真分析

将上述关系式∆=（）、=（∆）、=（）联立可以得到=（）的关系式。在Matlab中搭建模型，进行仿真分析。基于上述电磁阀特性可以近似认为电磁阀的占空比与开度负相关，例如电磁阀占空比等于30%时，可以等效为其开度等于70%。通过改变电磁阀孔口截面积AO的大小，得出电磁阀在全开、全闭以及70%开度这三种状态下减振器的速度特性与示功特性，分别如图2、图3所示。

图2 速度特性仿真结果

图3 示功特性仿真结果

从仿真结果来看，叶片减振器的示功特性图饱满，而且压缩行程的阻尼力小于伸张行程的阻尼力。在电磁阀三种状态下，阻尼力有着明显改变，这说明外置式电磁阀可以实现改变阻尼力的功能。

4 台架试验

为验证仿真模型的正确性与电磁阀调节阻尼力的可行性，进行了叶片减振器的试验研究。根据上述叶片减振器的结构及现有的MTS振动作动器，搭建了减振器试验台架，如图4所示。

通过控制器调节电磁阀分别处于全开、全闭以及频率=0.8、占空比=30%这三种状态。同时通过台架给叶片减振器频率为0.8 Hz、振幅为20 mm的正弦激励信号。得出上述三种状态下叶片减振器的速度特性如图5所示，示功特性如图6所示。分析实验结果发现，该小比例功能性样机具有良好的阻尼特性，其最大阻尼力大于600 N。并且在电磁阀处于三种不同的状态时，减振器的阻尼力有着明显的改变。

图6 示功特性试验结果

5 结论

本文介绍了一种阻尼可调式叶片减振器的研制与验证。建立了叶片减振器的数学模型，通过仿真和台架试验验证了模型的正确性，并对比分析了减振器在不同电磁阀开度下的阻尼特性。从仿真和试验结果可以得出以下结论：叶片减振器符合传统减振器的要求，具有良好的阻尼特性；通过调节外置电磁阀来改变减振器阻尼的方案是可行的。

［1］李明.汽车半主动悬架可变阻尼减振器的结构及阻尼性能研究［D］.西安：长安大学，2015.

［2］丁法乾.履带式装甲车辆悬挂系统动力学［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［3］赵亮.车辆悬架系统中新减振元件设计和减振控制算法研究［D］.长沙：湖南大学，2008.

［4］毛建中，王路翔，毛歅博，等.节流方式对扭转减振器的影响［J］.湖南大学学报，2012（5）：33-37.

［5］侯国祥.工程流体力学［M］.北京：机械工业出版社，2006.

U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.007

2095－6835（2019）14－0020－02

崔恩康（1998—），男，本科。

〔编辑：严丽琴〕