基于AMESim浮动活塞式限位减振器建模及仿真分析

薛玉斌，张宗斌，孙晓帮，王宏伟，王祥（.锦州立德减振器有限公司，辽宁 锦州 007；.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 00）

基于AMESim浮动活塞式限位减振器建模及仿真分析

薛玉斌1，张宗斌2，孙晓帮2，王宏伟2，王祥2
（1.锦州立德减振器有限公司，辽宁 锦州 121007；2.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

在研究浮动活塞限位减振器结构和工作机理的基础上，建立浮动活塞限位减振器的数学模型，利用AMESim平台建立其的等效模型，并进行仿真分析，该减振器的特性曲线表明在接近复原行程终点处产生了附加阻尼力，该附加复原阻尼力起限位缓冲作用。利用减振器示功机对浮动活塞限位减振器进行示功特性试验，将试验结果与仿真结果进行比对，验证了基于AMESim的模型的正确性。

浮动活塞；减振器；AMESim；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.036

CLC NO.: U463.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-99-03

引言

汽车悬架决定和影响着车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性，而汽车的行驶过程是随路面和车速而变化的随机振动过程[1]。目前汽车上浮动活塞液压限位减振器采用的限位缓冲结构，能在最大复原行程处产生较大附加阻尼力，起到良好的缓冲作用[2]。但针对浮动活塞液压限位减振器的仿真和试验尚处在初级阶段。

本文针对麦弗逊悬架的浮动活塞式液压限位减振器，进行结构和工作机理进行分析，通过仿真和试验验证减振器的阻尼特性。

1、浮动活塞限位减振器的结构及工作机理

浮动活塞限位减振器是在普通液压减振器活塞杆3上限位缓冲垫7的左侧增加了衬套1和浮动活塞2。

在复原行程，限位缓冲垫7与浮动活塞总成（图1中1、2、3组成浮动活塞总成）相接触时（此时浮动活塞上通孔会被限位缓冲垫7遮挡住一部分，形成小孔节流），活塞杆继续向复原方向移动，限位座缓冲垫7带动浮动活塞总成并压缩限位弹簧4向导向器10的方向移动。活塞移动到接近最大复原行程时，浮动活塞总成上腔空间减小、油压升高，上腔油液在压力的作用下通过浮动活塞2的孔隙与限位缓冲垫7形成小孔节流，而产生一种附加复原阻尼力，该附加复原阻尼力值起限位缓冲作用。随着速度的增加，附加复原阻尼力增大，缓冲作用增强。

在压缩行程，浮动活塞在限位弹簧4的张力作用下沿着活塞杆压缩的方向运动。工作缸下腔的油液通过固定活塞的常通孔回流到工作缸中、上腔，补充中、上腔空间。由于限位弹簧的簧丝直径小，弹簧刚度小，只是能够满足浮动活塞回位，所以在此过程中对压缩的阻尼力影响很小，可以忽略不计。

图1　浮动活塞限位减振器双活塞结构图

2、浮动活塞限位减振器数学模型

在建立数学模型过程中，忽略了油温、油液可压缩性、气体与油液的相容性以及活塞环与工作缸之间的泄露等因素[3]。

2.1复原行程数学模型

在复原行程，由工作缸中腔流入工作缸下腔的油量为：

由工作缸上腔流入工作缸中腔的油量为：

由贮油腔流入工作缸下腔的油量为：

油液由工作缸中腔经过活塞复原阀常通孔和阀片变形形成的环状缝隙进入下腔，产生的流量为：

式2.1、2.2、2.3、2.4中，Ah为活塞有效面积（m2）；Ag为活塞杆面积(m2)；A2为阀片变形形成的缝隙面积(m2)；P1为复原行程时固定活塞上腔的压强（MPa）；P2固定活塞下腔的压强（MPa）；Am为阀体节流孔面积（m2）；Af为浮动活塞有效面积（m2），Cd为油液流量系数。

通过补偿阀由贮油腔流入工作缸下腔的油量为：

式2.5中，An为补偿阀节流孔面积(m2)；P3为贮油腔压强（MPa）。

通过浮动活塞孔由工作缸上腔流入工作缸中腔的油量为：

Ak为浮动活塞孔节流面积(m2)；Cd1为流经浮动活塞孔处油液流量系数[4]。

根据流量连续性原理得：

减振器复原阻尼力公式如2.8所示：

由式2.7得P1、P2、P4带入式2.8得减振器的阻尼力如2.9所示：

2.2压缩行程数学模型

由减振器工作机理可知，浮动活塞在压缩行程几乎不起作用，因此忽略附加阻尼力。

压缩行程中，由工作缸下腔经过流通阀流入工作缸中、上腔的流量为：

由工作缸下腔经过压缩阀常通孔流入贮油腔的流量为：

（2.10）（2.11）式中Al为流通阀的面积(m2)；Avc为压缩阀常通孔的面积(m2)。

根据流量连续原理可得：

压缩行程中阻尼力公式为：

由式（2.12）求出P2、P1代入（2.13）可得阻尼力公式为：

3、基于AMESim的建模与仿真

3.1基于AMESim的等效模型

AMESim是一种多领域系统仿真集成平台，可以创建和运行多物理场仿真模型，以分析复杂的系统特性。基于AMESim的建模与仿真是流体分析的重要手段之一。本文根据实体的液压限位减振器在AMESim中进行建模，得到的液压限位减振器液压等效模型如图2所示。

图2　浮动活塞减振器模型图

3.2仿真结果及分析

某浮动活塞限位减振器的复原阀阀片组由一个有六槽开口的阀片与两个0.15mm厚的圆片组成，浮动活塞小孔直径分别为 0.15mm。将各部分参数输入模型中进行仿真，得到正弦激振最大速度vmax=0.1m/s、0.3m/s、0.6m/s三种工况下示功仿真特性图如图3所示。

图3　浮动活塞减振器示功仿真特性图

由图3所示的示功仿真特性图可以看出：

（1）在复原位移约为15mm～48mm范围内，该减振器产生了附加复原阻尼力，在复原位移为26mm左右时，附加复原阻尼力最大。

（2）附加复原阻尼力随着激振速度的增加而增大，在v=0.6m/s时，附加复原阻尼力大于复原阻尼力。

4、试验验证

通过试验对比，验证仿真的正确性。在室温条件下，利用减振器示功机进行正弦激振和测试，得到 vmax=0.1m/s、0.3m/s、0.6m/s三种工况下的减振器示功图如图4所示。

图4　减振器多工况示功图

由图3和图4可以看出：

（1）试验曲线在复原位移约为18mm～48mm范围内，产生了附加复原阻尼力，在复原位移为30mm左右时，附加复原阻尼力最大。试验曲线形状与仿真特性曲线相似度较高。

（2）试验附加复原阻尼力也随着激振速度的增加而增大，各工况下的复原阻力试验值与仿真值对比如表1所示，仿真误差不大于38%。

表1　各工况下的复原阻力试验值与仿真值对比

5、结论

通过对浮动活塞限位减振器建立AMESim仿真模型，进行仿真计算，并将仿真结果与性能试验数据进行对比，得到如下结论：

（1）浮动活塞限位减振器在复原行程接近终点处产生附加复原阻尼力，随着激振速度的增大，附加复原阻尼力增大，缓冲限位作用明显。

（2）经试验验证，基于AMESim的浮动活塞限位减振器仿真模型具有一定的正确性。

[1] 杜朋.客车平顺性仿真与试验研究[D].河北工业大学硕士学位论文,2008.

[2] 陈双,梁海林,王一臣.液压限位缓冲结构在汽车减振器上的应用[J].农业装备与车辆工程, 2013(12):29-31.

[3] 杨帆.液压限位结构在某军用越野车辆上的应用.[D]吉林大学硕士学位论文,2012.

[4] 李惠彬,孙振莲,金婷译.减振器手册[M].北京:机械工业出版社, 2011.

Modeling and Simulation of Floating Piston Limit Shock Absorber Based On AMESim

Xue Yubin1, Zhang Zongbin2, Sun Xiaobang2, Wang Hongwei2, Wang Xiang2
( 1.Jinzhou Leader Shock Absorber Co., Ltd., Liaoning Jinzhou 121007; 2.Auto & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

On the basis of researching the structure and working principle of floating piston limit shock absorber, a mathematical model of floating piston limit shock absorber is established, AMESim platform is used to establish the equivalent model of shock absorber, the characteristic curve of the shock absorber shows that additional damping force is produced near the end of the rebound stroke, the additional damping force plays a limiting and damping role. Shock absorber dynamometer machine is used to test the indicator feature of floating piston limit shock absorber, the correctness of the model based on AMESim is verified by comparing the text results with the simulation results.

Floating piston; shock absorber; AMESim; Simulation

U463.3

A

1671-7988（2015）12-99-03

薛玉斌，就职于锦州立德减振器有限公司。