重型牵引车空气悬架系统减振器最佳阻尼特性匹配

豆 力，雍文亮，居 刚，李海波

（1．合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009；

2．安徽江淮汽车股份有限公司 商用车研究院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

汽车减振器是悬架系统的重要部件，汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体粘性摩擦形成了振动阻力，将振动能量转变为热能散发到空气中，达到迅速衰减振动的目的，提高车辆行驶平顺性和操纵稳定性。随着汽车产业的迅速发展，各大汽车厂商都推出了自主品牌汽车，在整车设计过程中，对零部件的选配尤其是减振器的选配非常重要，减振器的选配直接影响了驾乘者的乘坐舒适性和货物的完好程度。文中对某重型牵引车后空气悬架系统最佳阻尼匹配减振器速度特性进行了研究，建立了车辆悬架最佳阻尼匹配减振器速度特性数学模型，利用ADAMS / Car模块建立了整车刚柔耦合多体动力学模型，进行了整车平顺性仿真分析和悬架系统动力学仿真。匹配结果表明，对该悬架系统，减振器所做的匹配设计是正确有效的，改善了悬架系统的运动特性和整车平顺性，为重型牵引车设计和选配减振器提供了参考价值。

1 双向筒式减振器

如图 1所示，双向筒式减振器是目前大多数汽车采用的减振器，主要由活塞杆、工作缸、活塞、伸张阀、压缩阀、补偿阀、流通阀、储油缸、导向座、防尘罩和油封等组成。

当汽车悬架处于压缩行程时，车轮移近车架，减振器受到压缩力，活塞向下移动。活塞下面的腔室容积减小，油压升高，油液经过流通阀流到活塞上面的腔室。由于上腔被活塞杆占去一定的空间，上腔内容积的增加小于下腔容积的减小，因此还有部分油液推开压缩阀，流回储油缸。这些阀对油液的节流造成对悬架压缩运动的阻尼力。

当汽车悬架处于伸张行程时，车轮相对车身移开，减振器受到拉伸力，此时减振器活塞向上推动，活塞上腔油压升高，流通阀关闭，上腔中的油液便推开伸张阀流向下腔。由于自上腔流来的油液还不足以充满下腔中增加的容积，下腔内产生一定的真空度，储油缸内的油液便推开补偿阀流向下腔进行补偿，此时这些阀的节流作用便造成对悬架伸张运动的阻尼力。

2 最佳阻尼匹配减振器阻尼系数

2.1 悬架系统最佳阻尼系数

按照 1/4单自由度振动模型，由振动理论可知，悬架系统的最佳阻尼比

式中，K为悬架刚度；m为簧上质量。因此，悬架系统的最佳阻尼系数

式中，ξ为悬架最佳阻尼比；f0为悬架系统固有频率。

2.2 减震器最佳阻尼线性分段特性

减振器阻尼特性通常都是非线性的，大都利用线性分段阻尼特性来表示。为了确保减振器寿命，减振器设有初次开阀的速度点Vk1，即当汽车行驶在平坦的路面时，减振器不开阀，只是利用减振器的常通节流孔所产生的节流阻尼力进行工作。为了确保减振器在相对速度比较大时不撞击车身，减振器设有最大开阀速度点Vk2，即当汽车行驶在较坏路面时，减振器节流阀达到最大，阻尼力比较大，避免减振器撞击车身。当减振器速度V处于初次开阀速度和最大开阀速度之间时，即Vk1

2.2.1 伸张行程最佳阻尼系数

减振器通常都不是安装在车轮正上方，而且有一定的安装角度α。由于减振器安装位置和角度对悬架系统阻尼有影响，所以，根据悬架系统杠杆比i=a/b和安装角α就可求出减振器首次开阀时的阻尼系数为

由式（4）可知，减振器在初次开阀速度点的阻尼力

减振器阻尼是非线性的，一般将减振器速度特性分段线性化，并将减振器首次开阀前的速度特性直线斜率k1与二次开阀前的速度特性直线斜率 k2的比值定义为减振器平安比η。其中，减振器首次开阀前的速度特性曲线斜率k1为减振器开阀前的阻尼系数Cd1，因此，减振器平安比η可表示为

因此，可得减振器二次开阀前的速度特性曲线斜率为

根据阻尼力、阻尼系数和速度之间的关系，可得减振器最大开阀阻尼系数Cd2为

式中， Fd2为减振器在最大开阀速度点所对应的阻尼力。

将式（5）和式（7）带入式（8），则减振器最大开阀阻尼系数Cd2可表示为

因此，减振器在最大开阀速度点所对应的阻尼力Fd2为

2.2.2 压缩行程分段线性阻尼特性

为了增加车辆的乘坐舒适性，一般情况下，压缩行程的首次开阀速度小于伸张行程的首次开阀速度。根据减振器在伸张行程的分段线性阻尼特性，以及减振器伸张和压缩行程的双向阻尼比β，可确定减振器在压缩行程的分段线性阻尼特性，其中初次开阀的阻尼系数为

因此，减振器压缩行程在初次开阀速度点的阻尼力为

最大开阀的阻尼系数为

因此，减振器压缩行程最大开阀速度点的阻尼力

3 减振器最佳阻尼特性匹配

3.1 重型牵引车整车多体动力学模型

通过优化悬架系统减振器参数来改善车辆的振动性能，必须先建立整车模型进行仿真分析。首先在 ADAMS/Car 中建立整车各子系统的模板，建模时考虑了悬架重要承载部件的弹性变形对振动的影响，然后根据模板分别建立各子系统，通过通信器将各个子系统连接成整车。建模的过程如图2所示。

重型牵引车整车装配包括辅助设备（油箱等）、前钢板弹簧悬架、驾驶室空气悬置、后空气悬架、车轮（驱动轮、转向轮）、发动机、驾驶室、车架、转向系和制动器等，如图3所示。

后空气弹簧悬架如图 4所示，主要由空气弹簧、桥、导向臂、横向稳定器和车身高度传感器等组成。该空气悬架主要承载部件（导向臂、横向稳定杆）经有限元软件 Hypermesh前处理后，将生成的构件模态中性文件MNF（Modal Neutral File）导入ADAMS中建立柔性体，这样的仿真结果更接近实际情况。

牵引车满载时后空气悬架簧上质量m为11527 kg，空气弹簧承重为簧载质量的 60%，簧下质量 md为1473 kg，双轮胎质量mt为220 kg，空气弹簧静平衡刚度为125 kN/m，双轮胎刚度为2000 kN/m，悬架系统最佳阻尼比ξ为

伸张行程首次开阀和二次开阀速度分别为0.2 m/s和1 m/s，平安比为2.5；压缩行程首次开阀和二次开阀速度分别为0.2 m/s和1 m/s；减振器伸张行程二次开阀阻尼力是压缩行程的2.4倍，悬架系统杠杆比i=0.6，安装角度α=6.2°。

3.2 减振器最佳阻尼特性匹配

根据减振器伸张行程的初次开阀速度点和最大开阀速度点的阻尼特性，便可得到减振器整个行程下的分段线性速度特性，即利用伸张行程的初次开阀速度点（Vk1，Fd1）和最大开阀速度点（Vk2，Fd2），以及压缩行程的初次开阀速度点（Vk1y，Fd1y）和最大开阀速度点（Vk2y，Fd2y），便可得到减振器速度特性曲线。

1）满载时，由式（15）得悬架最佳阻尼系数ξ=0.19；由前面的分析可知，伸张行程时减振器首次开阀时的阻尼系数为

减振器在初次开阀速度点的阻尼力

最大开阀阻尼系数Cd2为

减振器在最大开阀速度点所对应的阻尼力Fd2为

2）压缩行程时，减振器首次开阀时的阻尼系数为

减振器压缩行程在初次开阀速度点的阻尼力为

最大开阀的阻尼系数为

减振器压缩行程的最大开阀速度点的阻尼力

4 最佳阻尼减振器特性验证

通过以上的分析，对减振器分段线性速度特性曲线进行拟合，如图5所示。

对所拟合的减振器速度特性曲线进行仿真，将牵引车满载以60 km/h的速度行驶在 B级路面上，查看牵引车鞍座在垂直方向的加速度变化曲线，并与之前的减振器特性曲线仿真结果进行比较，图 6、图 7为减振器速度特性曲线初始值的仿真结果，图 8、图 9为最优匹配之后的减振器速度特性曲线仿真结果。

从图6、图8可以看出，减振器速度特性曲线匹配后的加速度幅值比匹配前的加速度幅值小，由图 7计算结果可知，减振器速度特性匹配之前的鞍座处垂直方向加权加速度均方根值为0.274m/s2，由图9计算结果可知，减振器速度特性匹配之后的鞍座处垂直方向加权加速度均方根值为0.187 m/s2，明显改善了牵引车鞍座处的振动特性，货物的完好性有了很好的保证，从而验证了所匹配的减振器速度特性曲线的正确性。

5 结束语

文中主要对牵引车空气悬架系统的减振器阻尼进行了匹配，首先对基于舒适性的悬架系统最佳阻尼比进行了分析，然后根据悬架系统最佳阻尼系数确定减振器最佳阻尼分段线性特性，最后通过ADAMS整车道路仿真验证了匹配的正确性，对减振器选型和调整具有实际的参考价值。

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