汽车液力减振器阻力特性的研究评述_陈勇【被引频次】18 【下载频次】220

第21卷第1期辽宁工学院学报Vol.21　N o.1 2001年2月JOURNAL OF LIAONING INS TITUTE OF TECHNOLOGY Feb.2001①文章编号:1005-1090(2001)01-0008-04汽车液力减振器阻力特性的研究评述陈　勇,韩忠浩,王海洋(辽宁工学院机械与汽车工程系,辽宁锦州　121001)摘　要:介绍了目前被动式液力减振器阻力特性的数学模型和新的研究方法,对影响阻力特性的因素方面的研究情况,并分析了存在的问题。

关键词:减振器;阻力特性中图分类号:U463.33+5.2 文献标识码:AStudy and Review on the Resistance Specificity ofAutomobile Hydraulic DamperCHEN Yong,HAN Zhong-hao,WANG Hai-yang(M echanical&Automobile Engineering Dept.of Liaoning Institute of Technology,Jinzhou121001,China)Key words:damper;resistance specificityA bstract:Mathem atical models and new researching methods on the resistance features of current pas-sive hy draulic dampers are introduced.The studying of influencing factors to resistance features and the existing problems are analy zed herein. 减振器是汽车悬架系统中最复杂的元件之一,为保证悬架实现其功能起着重要作用。

汽车被动悬架系统中广泛使用的是液力减振器,其原理是当车架与车桥作往复相对运动,而活塞在缸筒内往复移动时,减振器壳体内的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,由节流口的作用便产生阻尼力。

减振器的阻尼力将振动能量转化成热能,起到迅速衰减振动的作用。

由于减振器能提高汽车行驶的操纵稳定性和行驶平顺性,减振器的阻力特性研究越来越受到重视。

所以,国内外许多学者对液力减振器的阻力特性进行研究,提出了一些新方法。

1　有关假设目前,汽车中使用的液力减振器均为筒式减振器,起节流作用的结构形式多种多样,常用的结构形式大致分为:小孔节流型和缝隙节流型(缝隙由弹性阀片、弹性阀片和螺旋弹簧结合或阀门与螺旋弹簧结合产生)。

实际上,减振器的阻力特性不仅与零部件的相对运动速度、位移、加速度有关,还与工作时环境温度、磨损情况、油液粘度及油液在减振器内流动特性有关,文献[1]～[3]分析了对减振器性能的影响因素。

正是由于影响因素繁多,所以在进行减振器的阻力特性进行模拟分析前,需要根据具体情况作出相应假设,其中以文献[4,5]中的假设较全面,如下:(1)假设活塞与工作缸、活塞杆与导套之间不产生泄漏,这是基于活塞杆与导套的适当配合;(2)节流过程中产生油汽泡所耗用油液质量忽略不计;(3)除了阀体上的小缺口、节流片上的小圆孔、螺旋弹簧①收稿日期:2000-10-09基金项目:辽宁省自然科学基金资助课题(项目编号972028)作者简介:陈　勇(1966-),男,辽宁锦州人,辽宁工学院机械与汽车工程系副教授,在读博士。

所支撑的平板阀及圆环簧片构成的板簧阀所产生的压力降之外,别处的流体能头损失忽略不计;(4)在不考虑温度对阻力特性影响时,认为在整个拉伸、压缩工作过程中,减振器的油液温度保持不变;(5)不计压力变化而引起系统刚性构件的弹性变形;(6)不计工作油液的重力势能的影响;(7)被研究闭区域内同一瞬时压力处处相等。

2　减振器阻力特性的数学模型及研究方法被动悬架减振器的阻力特性研究主要从两个方面进行,一方面是针对减振器设计生产中所遇到的问题。

通过对减振器的阻力特性研究,确定减振器各参数间的关系,以指导设计、生产,最大限度地减少试验量,降低成本,缩短开发周期,但是目前比较准确的模型还未见刊载,主要是采用设计与实验相结合的方法,即通过实验测定阻力特性并与设计要求相比较,反复修改设计参数,直至满足设计要求;另一方面是为了满足车辆的操纵稳定性和行驶平顺性要求而进行的。

为提高车辆的操纵稳定性和行驶平顺性,需要对汽车动力学系统进行计算及仿真等工作,需要有能既准确又简单地描述减振器阻力特性的模型,目前是通过对已有的减振器进行实验然后进行拟合来获得。

由于减振器的复原行程和压缩行程是分别通过不同的节流阀来实现的,各阀的结构形式及参数都不相同,所以,一般对拉伸和压缩两行程分别建立模型。

减振器的阻力特性的研究方法较多,各有其特点。

2.1　减振器阻力特性的数学模型2.1.1　国内减振器阻力特性的数学模型　国内在这方面的研究工作相对较少,一般常用的模型有:(1)线性模型[6]　F=K V;(2)分段线性模型[7、8](一般为两段或三段);(3)指数模型[8]　F= K V n文献[7,8]介绍了基于示功图和速度特性,通过能量或功率法计算等效线性阻尼系数的方法。

[8]还介绍了分段线性阻尼的方法和减振器特性曲线进行减振器的阻力特性反求的方法,同时引入了等效特征参数,把分段线性规律化、量化,可为减振器的国产化和仿制提供一些参考。

该方法需要根据试验才能实现,需要反复修改设计,反复进行试验。

国内研究的模型优点是公式简洁,使用方便,但其中考虑的因素比较少,计算精度有限,使用范围受到限制。

为保证计算精度,需使用更复杂的减振器模型。

2.1.2　国外减振器阻力特性的数学模型　国外对减振器进行研究较早,建立了许多数学模型,比较实用的有:文献[9]建立的数学模型,F damping=F l eak F bl ow-of fktr(F leak)ktr+(F blow-of f)kt r+F port文献[10]建立Besinger半经验模型,其中使用了尽可能少的参数,F v=[c1(v-α)1+(v-αα)2+c2]　v<v l im(c1+c2)v+c b(v-v l im)　v>v l im 此外,还有考虑滞后的模型,完全基于试验数据的拟合模型等。

文献[11]把Besinger模型应用于国产夏利汽车减振器,通过试验确定了Besinger模型中的7个参数,并以此作为被研究减振器的新型数学模型。

仿真结果与试验结果基本吻合,表明夏利汽车减振器的模型可以应用Besinger模型,为国产汽车减振器提供了一种新的数学模型。

这两种模型的优点在于比线性和等效线性模型考虑的因素多,精度要好些,在车辆性能计算中可以较方便的使用。

但是,对不同减振器而言,模型中的系数是不同的,需要用试验确定,工作量是很大的。

2.2　减振器阻力特性的非线性计算一般地,非线性微分方程可写为x¨(t)+g[x(t),x·(t)]=F(t) 其中,F(t)是谐波函数,x(t)是系统响应, g(.,.)是状态变量的非线性函数。

线性化方法就是将上述非线性方程用下面的线性方程代替。

y¨(t)+ay·(t)+by(t)=F(t) 以某种意义上的x(t)和y(t)之差最小为准则确定系数a和b,一般采用最小二乘法。

文献[12]是将非线性方程线性化的方法。

首先建立活塞运动方程,在其中考虑了层流引起的能量耗散、活塞上下两腔间孔的节流损失以及摩擦三个方面引起的阻尼。

对特定的减振器建立动力学模型,计算结果与试验结果基本吻合。

文献[13]研究了悬架中的减振器非线性问题,在速度特性中,分别用偶函数和奇函数考虑示功图的非对称性和速度特性的非线性问题,并介绍了考虑库仑摩擦的两种方法。

文献[7,8]则采用减振器耗散的能量相等的方法进行线性化。

非线性方程在线性化时,同样需要试验数据,不得不依靠试验,同时,用很少的参数模型来考虑减振器的各种因素也是十分困难的,准确性必然受到影响。

2.3　减振器阻力特性的模拟计算文献[4]对夏利轿车后减振器的工作过程建立了物理模型,使用优化方法进行模拟计算。

采取向实测阻力特性曲线逼近方法,使用多维欧氏空间中极值搜索方法得到相应的内部工作油压以及工作参数变化的曲线族,为设计同类型新减振器提供了分析计算的有效方法。

根据计算结果,分析了小缺口、小圆孔、板簧阀及平板阀在不同速度时对阻尼力的影响。

这种方法也需要实际减振器的实验曲线,经计算后再修改原减振器的设计。

文献[5,9]利用液压阀对液压减振器阻力特性进行非线性模拟及分析。

将双向筒式减振器的伸张阀、补偿阀、流通阀及压缩阀简化为相应的液压阀并建立液压系统。

节流阀模拟中,引入了一些阻力系数,考虑油液进入阀口、出阀口及在阀内流动,对压力降低的影响。

溢流阀模拟中,引入了滞后损失系数,考虑减振器在实际拉伸压缩过程中的迟滞现象对阻尼力的影响。

将各种液压阀引入减振器,原理理解更简单了,但液压阀的有关特性计算并不很简单,引入一些系数也不见得能保证计算的精度。

一般地,减振器阻力特性的模拟计算是分别考虑拉伸和压缩行程各阀的工作过程,分别计算减振器工作时的各节流部分流量,根据流体力学的连续性方程建立模型,然后采用不同的算法求解此方程即可。

但目前确定各种节流口的流量系数还只能在一个范围内选取,而且,由文献[3,4,7]知,这又与许多因素有关。

模拟计算方法,优点在于可方便、快速地在计算机上反复模拟计算,直到满足要求,但需要根据特定减振器的实验,确定相关参数,应用有一定局限性。

2.4　减振器的神经网络模型文献[14]用BP神经网络来模拟液力减振器特性。

该网络用一个输入层,两个非线性的中间层和一个输出层。

输入层和输出层的单元采用线性激活函数,中间层的单元采用双曲线正切函数作为激活函数。

为保证计算精度,对输入输出变量进行了正则化处理,学习规则采用梯度下降算法。

该网络的运行过程如下图,网络模拟数据与实验数据吻合较好。

网络模拟流程如下:输入数据正则化※计算中间层单元输入※计算输出的合力 此外,国内的文献[15]采用三层BP网络建立减振器调试模型的理论和方法,介绍了输入输出层的节点选择,为避免收敛速度慢、出现极值问题,学习规则采用了Levenberg M arquardt优化方法。

神经网络可以考虑更多的输入输出变量,但计算的时间会更长。

尽管有许多算法,但不能保证算法对所有问题的收敛速度很快,也不能保证局部极小问题解决得很好。

为保证得到的结果比较理想,神经网络的知识库需要不断修改、丰富,这只能依靠大量的实验数据。

2.5　减振器的数值计算随着有限元技术的发展,应用领域越来越大,已经成功用于解决诸如非线性力学、生物力学、流体力学、电磁学等领域的问题。