基于AMESim某车型减振器仿真方法研究

刘德柱，赵唐雷，刘艳华，王海



基于AMESim某车型减振器仿真方法研究

刘德柱，赵唐雷，刘艳华，王海

（华晨汽车工程研究院底盘集成处，辽宁 沈阳 110141）

AMESim减振器建模是基于零部件级的液压系统建模，考虑到叠加阀片的非线性弹性特征，采用有限元仿真分析计算阀片刚度曲线，再将曲线导入AMESim模型中进行系统仿真。仿真结果表明，减振器速度特性曲线和示功图与试验数据吻合良好，符合工程实际要求。基于AMESim某车型双筒减振器建模仿真并与客观试验对比，从而验证仿真模型的正确性，并且大大缩短了整车性能调校周期。基于AMESim模型研究该减振器的气体反弹力，活塞缝隙和常通节流孔等几个关键设计参数对减振器阻尼特性的影响，并得出几个重要结论。仿真模型可用于指导减振器的关键参数的设计与性能预测。

AMESim；减振器；建模仿真；试验对比

1 引言

AMESim软件首个版本是由法国伊梦境公司在1995年推出的，基于键合图理论，它可以创建并运行多物理场耦合仿真模型，同时可以设计简单的控制系统。2007年被比利时LMS公司全资收购。AMESim软件平台包含工程应用所需的所有核心设计和仿真产品，尤其在液压、控制领域的系统建模仿真具有天然的优势。

本文为了支持整车性能调校，缩短调校周期，因此利用计算机建模仿真，即基于AMESim搭建双筒减振器模型，并与台架试验对比验证仿真模型的正确性，支持主观整车性能评价。

2 减振器结构组成与原理简介

减振器在整车零部件中占据重要地位，其性能的好坏直接影响整车的平顺性、操纵稳定性以及安全性。

2.1 减振器内部结构

减振器分为外筒和减振器内筒，两筒之间为储油缸，储油缸上面为密度比较低的惰性气体氮气，下部分为油液，如图1所示。

图1 减振器内部结构示意图

减振器工作缸内有活塞杆，活塞杆的下端连接活塞，活塞上部为流通阀片，下部与复原阀固定。活塞上分布着6个常通孔和6个节流孔，其上述内容均为减振器在复原行程中其作用，具体结构如图2所示。

图2 活塞及阀系结构

减震内筒下端与底阀连接，底阀对减振器下腔起到密封作用，并且起到连接减振器下腔与储油缸的桥梁作用。底阀上端是补偿阀，主要起储油缸到减振器下腔补偿油液的作用，下端是压缩阀，不明思议，底阀在减振器压缩过程中起到至关重要的作用，图3为底阀及阀系结构示意图。

图3 底阀及阀系结构

2.2 减振器工作原理

减振器工作过程可分为复原和压缩两个行程：（1）复原行程：活塞杆相对工作缸移开，减振器被拉伸。此时减振器上腔油压升高，流通阀和压缩阀关闭。上腔油液流经活塞孔、复原阀常通孔流入下腔，当频率较高时，复原阀片打开卸荷，即初次开阀，当频率更高时，复原阀片变形达到最大值，即二次开阀。由于减振器上腔存在活塞杆占去一部分体积，所以从上腔流到下腔的油液不能够充满下腔，下腔会形成一部分真空状态，这时储油缸中的油液在充气压力的作用下，就会推开补偿阀流入减振器下腔。此时，这些阀的节流作用就产生了减振器的复原行程阻尼力。

（2）压缩行程：减振器被压缩，活塞杆向下移动，减振器下腔的容积会减小，导致油压变高，下腔的部分油液就会通过流通阀片流入减振器上腔。同样由于上腔存在活塞杆，因此，还有一部分油液经底阀孔、压缩阀常通孔流回储液缸，当频率较高时，压缩阀片打开卸荷，即压缩阀的初次开阀，当频率更高时，压缩阀片变形达到最大，即压缩阀二次开阀。这些阀的节流作用便产生了减振器的压缩阻尼力。此外，工作缸与活塞之间的缝隙、摩擦力、气体反弹力等因素也会产生阻尼力。由于减振器阀片上的阻尼孔一般都非常小，所以油液在减振器中的流动状态非常复杂，一般将小孔、缝隙处看作是紊流，其他位置处的流动看作是层流。

3 基于AMESim建模与仿真分析

减振器的结构与工作原理，根据其液压系统总图和一系列的建模假设，建立了减振器的物理模型如图4所示，为后面的减振器AMESim模型的建立提供了理论依据。

图4 减振器物理模型

3.1 阀片刚度有限元分析

图5 压缩阀有限元模型

本文中所采用的减振器阀片在变形时会产生非线性效应，并且阀片预紧力也会对阀片的非线性开闭刚度产生重要影响，单纯采用自由状态的阀片不能很好的模拟其刚度特性，因此在AbaquS软件中建立了压缩阀和复原阀的有限元模型，并考虑了不同厚度阀片间的接触效应，还考虑了前期预紧力的影响，由于阀片间存在油膜，分析时未考虑摩擦效应。具体复原阀与压缩阀有限元模型及刚度曲线如图5至图8所示。

图6 压缩阀刚度曲线

压缩阀建模如图5所示，压缩阀建模中考虑了压紧时阀片自身变形产生的预紧效应，也考虑了阀片与其周边部件的接触关系。

图7 复原阀有限元模型

图8 复原阀刚度曲线

复原阀建模如图7所示复原阀建模时考虑了弹簧的预紧作用，并且考虑了阀片与阀系其他部件的接触关系。阀片刚度仿真结果如图6、图8所示，通过结果发现复原阀刚度大于压缩阀的刚度，这与实际中的状态一致。

3.2 双筒减振器AMESim建模

将有限元刚度曲线设置在复原阀和压缩阀模型中，在AMESim软件中搭建双筒减振器液压模型，如图9所示。在AMESim软件中建立液压减振器模型的流程和步骤如下：

（1）在草图模式下根据减振器的原理图搭建草图模型；

（2）在子模型模式下为每个减振器元件选取合适的数学模型；

（3）在参数模式下设定子模型的各参数；

（4）最后在仿真模式下设定仿真参数并运行仿真，得到液压减振器的响应。

针对AMESim双筒减振器模型，每一个子模块选取也不同，也代表着模拟元件不同。详见表1，例如正弦输入信号的子模型选取为SINO；一般减振器上腔、下腔以及一些孔隙、间隙均选择BRP系列的子模型；复原阀与压缩阀选取的子模型BAP24/MAS005/SPR003A；油性属性选取FP子模型，气体属性选取PNRG子模型；流通阀与补偿阀选取CV000子模型。

图9 AMESim减振器模型

表1 AMESim模拟说明与子模型选取

表2 AMESim模型主要参数

基于AMESim搭建模型完成后，在参数模式下设置子模型参数，具体参数设置详见表2。

3.3 仿真结果与试验对比

激励函数的设置与减振器台架试验完全一致，均采用不同速度下低频和高频振动情况，减振器基于AMESim仿真结果与与台架试验对比，具体地激励函数参数表详见表3。

表3 激励函数参数表

在上述激励下，并且结合表2中参数设计对AMESim模型进行仿真分析，如图10所示，仿真结果与减振器台架试验对比。

4 主要结论

通过利用AMESim软件建立双筒减振器仿真模型，通过与试验台对比，并结合主观评价，支持整车性能主观调校，得到如下几点结论：

（1）通过在不同速度、频率下，与减振器试验台对比，验证仿真模型正确性。

（2）通过有限元仿真计算，赋予复原阀与压缩阀阀片刚度，进行模拟仿真分析，可知复原阀（压缩阀）阀片上常通孔大小直接影响阀片的开阀速度，常通孔越小，油液作用面积越小，开阀速度越慢，如果常通孔过大，两侧无压力差，阀门作用消失。

（3）充气压力过大容易引起减振器的压缩行程减小，阻尼力变大。主观评价时底盘偏硬，影响舒适性。

（4）阀系预紧力应该适中，不宜过大。预紧力过大，减振器所能提供的最大阻尼力和开阀速度都增大，反之减小。

综上所述，通过调整双筒减振器的不同参数，可以达到主观评价以及试验台的标准，并且能够设计出满足不同性能要求的阀片组合形式。

[1] 徐中明,张玉峰,李仕生,等.简式液压减振器AMESim建模与仿真[J].重庆理工大学学报,2010(3):1-6.

[2] 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.

[3] 李世民,吕振华.汽车简式液阻减振器技术的发展[J].汽车实用技术2001(8):10-16.

[4] 周长城.汽车减振器设计与特性仿真[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[5] 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(6):第49卷.

Research on simulation method of shock absorber based on AMESim

Liu Dezhu, Zhao Tanglei, Liu Yanhua, Wang Hai

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The AMESim shock absorber model is based on the hydraulic system model at the component level. Considering the non-linear elastic characteristics of the superimposed disc, combined with the finite element simulation analysis, and then the curve is imported into the AMESim model for system simulation. The simulation results show that the velocity characteristic curve and indicator diagram of the shock absorber are in good agreement with the test data and meet the engineering requirements. Based on AMESim, a double-barrel shock absorber is modeled and simulated and compared with the objective test, which verifies the correctness of the simulation model and greatly shortens the vehicle performance tuning cycle. Based on AMESim model, the effects of several key design parameters, such as gas rebound force, piston gap and throttle hole, on the damping characteristics of the shock absorber are studied, and several important conclusions are drawn. The simulation model can be used to guide the design and performance prediction of the key parameters of the shock absorber.

AMESim;Shock absorber;Modeling and Simulation;Experimental comparison

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.044

U463

A

1671-7988(2019)10-127-04

U463

A

1671-7988(2019)10-127-04

刘德柱，硕士研究生，就职于华晨汽车工程研究院，主要研究领域为底盘设计及仿真分析。