双筒液压减振器的实验与仿真研究

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

双筒液压减振器的实验与仿真研究

刘惊涛，冯樱

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

以某S50双筒液压减振器为研究对象，通过减振器示功机进行实验研究，获得该减振器阻尼、速度特性。通过流体力学以及弹性力学知识，在分析减振器内部结构的基础上建立其数学模型，再通过AMESim软件建立了减振器的仿真模型，通过仿真结果与实验结果的对比验证了模型的正确性。最后，基于该仿真模型研究了减振器活塞杆直径和复原阀阀片片数等关键参数对示功、速度特性的影响。通过对减振器的以上研究，可以为减振器的设计、调校提供一定的指导意义。

双筒液压减振器；实验研究；AMESim

随着生活水平的不断提高，人们对汽车的乘坐舒适性和平顺性越来越看重，而减振器的主要作用就是吸收来自车轮传来的激励，减小对车身的振动，从而改善汽车行驶的平顺性，增加乘客的乘坐舒适性。20世纪70年代起，国内外的学者已经对减振器建立了多种模型，各有优劣，适用范围也各不相同，其中Lang的工作是最具有代表性的［1］，Lang所建立的模型主要为了研究减振器的高频畸变，但是模型较为复杂，而且模型仿真需要的参数都得依赖实验获取。Karadayi和Masada在80年代建立了等效参数化模型［2］，所建的模型与Lang的要简易很多，但是只适用于低速工况。随着CAE技术的发展，Ansys和Fluent等仿真软件的运用［3］，使得模型的建立不再完全依赖实验测试，尽管模型较复杂，建立的模型时间较长，但是仿真效果很好。重庆大学徐中明等［4］利用AMESim研究了减振器的阻尼、速度特性，建立的模型较为简单，同时也可以较准确地得到减振器的示功图。

工厂对减振器的开发太依赖“经验+实验”的开发生产模式，故文中以某S50型双筒阀片式减振器为研究对象，通过减振器示功机进行实验研究，获取该减振器阻尼、速度特性；通过流体力学以及弹性力学知识，在分析减振器内部结构的基础上建立数学模型，再通过AMESim软件建立物理参数化的仿真模型，通过仿真结果与实验结果的对比验证模型的正确性。最后，基于该仿真模型研究减振器活塞杆直径和复原阀阀片片数等关键参数对示功、速度特性的影响。

1 双筒液压减振器的实验研究

S50双筒液压减振器结构如图1所示，具有高速时阻尼力大的优点，普遍运用于卡车等重型车辆上。减振器台架测试是减振器性能评估的一个重要手段，通过台架试验可以快速地获得减振器的性能指标。减振器的试验台有机械式和液压式，本次试验所使用的是上海帆特电器有限公司制造的机械式示功机，如图2所示，最大行程为±150mm，可以在减振器下方加载正弦波、方波、方波、路谱等激励，施加的频率在0.1～50 Hz之间，指令可以通过电脑传输给示功机。

图1 S50液压减振器

图2 机械式示功机

根据QC/T 545-1999的实验标准，测试样件温度为20±5℃，测试前需要将减振器放入保温箱里在20℃环境下至少保存6 h；采用垂直安装方式，同时在示功机上调试下端的凸轮，为行程的准确设定做好准备工作；在电脑上将测试工况设置完成，参数如表1所示。台架试验获得了减振器示功特性、速度特性曲线如图3所示。从图3 a可以看出：在0.052 m·s-1、0.131 m·s-1、0.262 m·s-1、0.393 m·s-1、0.526 m·s-1时得到的复原阻尼力和压缩阻尼力都是随着速度的不断增大而变大的，而且减振器各速度点下的复原阻尼力比压缩阻尼力大，符合实际需要。所得曲线较饱满，未出现空程畸变，该减振器在满足各速度点最大阻尼力的同时，左右较对称，说明该减振器有较优良的性能。从图3b可以看出：在复原行程时，速度在0.13m·s-1附近出现拐点，可以判断该减振器的初次开阀点在0.13m·s-1左右。而压缩行程却未出现明显的拐点，说明5个工况下减振器在压缩过程中都未开阀。

表1 激励函数参数表

图3 台架试验特性曲线

2 双筒液压减振器模型的建立

2.1 双筒液压减振器数学模型的建立

1）复原行程阻尼力

减振器在复原行程时，流经复原阀、补偿阀的油液压力与相应面积的乘积，得到的就是减振器复原行程的阻尼力Fdf，即

式中：Ph为活塞孔节流压力；Pf为复原阀节流压力；Sh为工作缸与活塞杆间的环形面积［5］。

2）减振器复原行程开阀前

减振器接收到车体传来的振动，减振器工作缸内的活塞跟着振动开始运动，当处于复原行程时，由于复原阀片上有弹簧的存在，具有一定的预紧力，在活塞上腔的压力较小时，是无法抵消弹簧的预紧力，造成复原阀片未变形，油液只能通过活塞上的常通孔和复原阀片上的常通孔流入下腔。故其方程为

式中：Qt为流过活塞的油液量；V为活塞运动速度。

复原行程时，当受到振动较小时，活塞上的压差P分为活塞常通孔节流作用产生的压差P1和复原阀上常通孔节流作用产生的压差P2。由流体力学理论可知，节流阀片厚度相对于复原阀缺口宽度较小时，压差为P1。活塞孔长度与活塞孔直接的比值约为2.7，故由流体力学中管嘴流理论得P2。

式中：Le为等效活塞孔长度；Nk为阀片缺口数；De为阀片缺口等效直径；μ为油液动力黏度；ρ为油液密度；ε为小孔的流量系数；H1为带孔节流阀片厚度；La为孔的宽度［6］。

3）减振器初次开阀

当减振器遇到较强的激励时，活塞相对于工作缸的速度会越来越大，此时上腔的压力也会越来越大，当超出一定限值时，会产生一个超出复原阀片上弹簧的预紧力，复原阀片打开，此时有P1与开阀前一样仍然为式（4），但是复原阀的开启会造成复原阀片上的常通孔加上复原阀变形造成的流量和，故由流体力学得：

式中：δ1为节流阀片开度；rk为复原阀叠加阀片的阀口半径；rb为复原节流阀片外半径［6］。

4）减振器补偿阀计算分析

补偿阀片是需要在复原行程时，在减振器下腔压力小于或大于补偿腔压力时，随时的补给或流出油液，所以补偿阀片是一个双向阀。主要是由补偿阀片变形产生的缝隙，油液的流进流出产生了节流压力差P3，故

式中：δ2为补偿阀阀片开度；Qf为流经底阀的流量；rc为补偿节流阀片的阀口位置半径；rf为补偿节流阀片外半径［6］。

5）压缩行程阻尼力

减振器在压缩运动时，由各节流压力与相应承压面积的乘积，便可得到减振器在压缩行程的阻尼力Fdy，即

式中：Phy为压缩孔的节流压力；Py为压缩阀的节流压力；Pl为复原阀两端的压差；Sg为减振器活塞杆的截面积［5］。

2.2 利用AMESim建模仿真与验证

根据减振器结构，通过AMESim建立了液压减振器的参数化仿真模型如图4所示。模型中建立了液压减振器的液压缸以及各阀系模型，主要元件所使用的子模型如表2所示。子模型BH0013为短管的一个子模型，开关是由雷诺数决定的，参数的设置由比率长度/直径决定；子模型BH0011为一个固定的孔口子模型，可以有层流或湍流特性，而开关是由用户提供的临界流量；子模型SPR003A为可变刚度弹簧子模型，是一种理想的机械弹簧，由一个ASCII表对位移值进行设定。其他未说明的全部使用默认的子模型。

仿真模型的主要参数取自图纸、产品说明书，具体数值如表3所示，所建减振器AMESim模型仿真输入条件与试验部分相同。仿真得到图5，从图5 a可以看出：5个工况下所得曲线饱满，未出现空程畸变，图3 a和图5 a最大差别在图形的对称度和饱满度，最主要原因是由于在AMESim中建立模型时对模型有一定的假设，造成与实验获得的图形有一定的差距。但是5个工况下的最大阻尼力误差在3%以下，证明了AMESim中建立模型的正确性。再对比图3 b和图5 b，图形基本一致，复原行程的拐点都出现在0.13 m·s-1附近，说明了复原行程的第一开阀速度点在0.13 m·s-1附近。

图4 双筒液压减振器AMESim仿真模型

表2 主要元件使用的子模型

表3 仿真模型主要参数

图5 AMESim模型仿真图

3 参数对减振器阻尼力的影响

1）活塞杆直径大小的影响

减振器工作时活塞做往复运动，使油液在各阀系间往复运动，从而削弱来自地面的振动。活塞杆直径的大小影响工作缸内活塞有效面积的大小，当活塞杆的直径发生了变化，在相同的油压下，油液作用在活塞上的力也发生了变化，使得减振器的阻尼特性发生变化。现在利用AMESim通过改变模型的活塞杆直径分别为18mm、20mm、22mm，当速度激励为0.52 m·s-1时，仿真得图6 a。从图6 a可以看出：随着活塞杆直径的变大，减振器的压缩阻力也跟着增大，而复原阻力却减小，说明改变减振器的活塞杆直径可以调节减振器的阻尼力，从而为减振器的试制提供指导作用。

2）复原阀片片数的影响

筒式液压减振器通过叠加复原阀片的数量来改变其速度特性。现通过AMESim进行加减阀片数量的仿真，在4、6、8片增加复原阀片后得到如图6 b所示图形。从图6 b中可以看出：在增加复原阀片片数的情况下，压缩阻尼力几乎没有变化，而随着阀片数的增加，复原阻尼力却逐渐变大，说明增加复原阀片的片数可以提高减振器的复原阻尼力，从而为减振器的试制提供指导作用。

3）活塞与工作缸缝隙的影响

活塞缝隙大小直接影响减振器的性能。AMESim模型中改变活塞与工作缸缝隙为0.04mm、0.1mm、0.5mm，利用仿真得到图6 c。从图6 c中可发现：在增大活塞与工作缸缝隙时，减振器的复原行程、压缩行程阻尼力都变小，但是很明显复原行程阻尼力相对压缩行程阻尼力变化幅度更大，这是由于复原阀安装在活塞上，故活塞与工作缸缝隙的大小对复原行程阻尼力影响更大；在活塞与工作缸缝隙为0.04mm时第一开阀速度点在0.13 m·s-1附近，在活塞与工作缸缝隙为0.1mm时第一开阀速度点在0.27 m·s-1附近，而缝隙为0.5mm时复原行程一直没有开阀，且此时的阻尼力也很小，说明活塞与工作缸缝隙过大会影响阀片的开启时刻，也会影响阻尼力的大小。

图6 不同影响参数的仿真图

4 结论

以某S50双筒液压减振器为研究对象，通过减振器示功机进行实验研究，再在AMESim中建立减振器的物理参数化模型，通过对减振器的仿真研究发现：减振器活塞杆的直径大小直接能影响减振器的阻尼特性，并随着活塞杆的直径变大，减振器的压缩阻力增大，而复原阻力减小，相反活塞杆直径减小，则压缩阻尼力减小，复原阻尼力增大；减振器复原阀片片数能直接影响减振器的外特性，随着复原阀片片数增多，减振器的压缩阻尼力几乎不变，其复原阻尼力变大；活塞与工作缸缝隙过大会影响阀片的开启时刻，也会影响阻尼力的大小；通过AMESim进行减振器的精准化建模可以为减振器试制提供一定的指导作用。

［1］LANG H H.A Study of the Characteristics of Automotive HdraulicDampers at HighstrokingFrequencies［D］.Michi⁃gan，USA：University of Michigan，1977.

［2］KaradayiR,Masada G Y.A Nonlinear Shock Absorber Model［J］.ASME，1989，12：149-165.

［3］Tallec P L，Mouro J.Fluid Structure Interaction With Large Structural Displacements［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2001,190（24）:3039-3067.

［4］徐中明，李仕生，张玉峰，等.行程敏感减振器阻尼特性仿真与试验［J］.兵工学报，2011（9）：1077-1082.

［5］周长城.汽车液压筒式减振器设计及理论［M］.北京：北京大学出版社，2012.

［6］马天飞，崔泽飞，张敏敏.基于AMESim双筒叠加阀片式充气减振器建模与仿真［J］.机械工程学报，2013（12）：123-130.

［7］梁全，谢基晨，聂利卫.液压系统Amesim计算机仿真进阶教程［M］.北京：机械工业出版社，2016.

［8］吴念.结构参数对汽车双筒充气式液压减振器动态性能的影响［D］.成都：西南交通大学，2016.

Experimental and Simulation Examination on Double-cylinder Hydraulic Shock Absorber

Liu Jingtao,Feng Ying
（School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

With a S50 dual-cylinder hydraulic shock absorber as the research object,the damping and speed characteristics of the shock absorber were obtained through the experimental study of the shock ab⁃sorber dynamometer.By using the fluid mechanics and elasticity mechanics,the mathematical model was established based on the analysis of the internal structure of shock absorber.The simulation model of the shock absorber，of which the correctness was verified by comparing the simulation results with the experi⁃mental results,was established by AMESim software.Finally,based on the simulation model,the influ⁃ence of the key parameters such as the diameter of the piston rod of the shock absorber and the valve plate number of the restoration valve on the performance and velocity characteristics was studied.Through the above research on the shock absorber,it can provide some guidance for the design and adjustment of shockabsorber.

dual-cylinder hydraulic shock absorber;experiment examination;AMESim

U463.33+5.1

A

1008-5483（2017）04-0044-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.04.010

2017-09-02

刘惊涛（1991-），男，湖北随州人，硕士生，从事汽车传动与控制的研究。E-mail:350758736@qq.com