汽車減振器阻尼特性的仿真分析_任衛(wèi)群

1、第18卷增刊2 系2006年8月 Journal of System Simulation Aug., 2006汽車減振器阻尼特性的仿真分析任衛(wèi)群1, 趙 峰1, 張 杰1,2(1.華中科技大學(xué)CAD 中心, 湖北 武漢 430074; 2.萬(wàn)向集團(tuán)技術(shù)中心, 浙江 杭州 311215 摘 要:采用系統(tǒng)仿真方法及MATLAB 軟件,建立汽車減振器的詳細(xì)模型,并進(jìn)行仿真研究。模型能反映減振器的詳細(xì)物理結(jié)構(gòu),如考慮油液特性影響、閥片剛度影響、摩擦力影響等。模型經(jīng)試驗(yàn)校驗(yàn)/阻尼特性計(jì)算精度達(dá)90%,模型精度能滿足實(shí)際工程問(wèn)題的需要。經(jīng)二次開發(fā)形成一套能進(jìn)行參數(shù)化自動(dòng)建模和仿真分析的軟件系統(tǒng),最終在汽

2、車減振器設(shè)計(jì)過(guò)程中形成一套阻尼特性研究的系統(tǒng)完整的方法。關(guān)鍵詞:系統(tǒng)仿真;汽車減振器;阻尼特性 中圖分類號(hào):TP 391.77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1004-731X (2006 S2-0957-04Simulation on Damping Behavior of Vehicle Shock AbsorberREN Wei-qun 1, ZHAO Feng 1, ZHANG Jie 1,2(1. CAD Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Wanxiang Group

3、 Technical Center, Hangzhou 311215, China Abstract: The system simulation method and the MATLAB software were used to build a detailed model of a vehicle shock absorber. The detailed structure includes in the model , such as the hydraulic properties, the valve stiffness and the friction force. The a

4、bsorber model was validated using test data and the precision is above 90%, which can fulfill the engineering requirement . An automated modeling and simulation software package based on MATLAB was developed, which could support a systematic research of vehicle shock absorbers in its design.Key word

5、s: system simulation; vehicle shock absorbers; damping behavior引 言目前汽車懸架中廣泛采用雙向筒式液壓減振器提供懸架阻尼,其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性、平順性等都有重大影響,因此減振器性能預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)方法改善已成為重要研究課題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)參數(shù)然后進(jìn)行試驗(yàn)修正,采用結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的樣機(jī)裝備于要匹配的汽車,由試車員進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)評(píng)價(jià),這個(gè)過(guò)程須對(duì)減振器內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行多次反復(fù)調(diào)整,并經(jīng)多次試制與試驗(yàn),這種完全依賴于樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法不但周期長(zhǎng)、成本高,而且較難獲得最優(yōu)的減振器特性。為克服上述方法缺點(diǎn)、減少減振器樣機(jī)試制及實(shí)

6、車試驗(yàn)費(fèi)用、縮短開發(fā)周期,利用系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行減振器性能預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)優(yōu)化已成必然趨勢(shì),其基本過(guò)程是基于減振器結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型,經(jīng)模擬分析得到阻尼特性,將此特性用于汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)分析,評(píng)價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性等性能,在此基礎(chǔ)上對(duì)減振器特性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此,采用系統(tǒng)仿真方法進(jìn)行減振器研究的核心問(wèn)題是建立準(zhǔn)確反映減振器特性的模型,以便在設(shè)計(jì)階段能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)減振器的阻尼特性。收稿日期:2006-04-29 修回日期:2006-06-01基金項(xiàng)目:國(guó)家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2003AA001031; 國(guó)家自然科學(xué)基金(60574053作者簡(jiǎn)介:任衛(wèi)群(1971-, 男, 湖北人,

7、博士, 副教授,研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真、機(jī)械系統(tǒng)CAE, 汽車動(dòng)力學(xué)與控制; 趙鋒(1980-, 男, 湖北人, 碩士生, 研究方向?yàn)槠噭?dòng)力學(xué)仿真; 張杰(1978-, 男, 湖北人, 博士生, 工程師, 研究方向?yàn)槠噭?dòng)力學(xué)仿真。汽車雙向筒式液壓減振器的仿真模型分為兩類,一類是反映減振器外部特性的黑箱模型1-2,包括恢復(fù)力映射方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等,黑箱模型不能細(xì)致地反映減振器具體結(jié)構(gòu)(如閥片具體參數(shù)調(diào)整對(duì)性能的直接影響,不能完全滿足減振器模型作為性能預(yù)測(cè)工具的需要。另一類是基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)理建模的詳細(xì)物理模型3-4,包含壓力模型和閥片壓力-流速特性,其中壓力模型用一階非線性微分方程表達(dá)流體可壓縮

8、性模型、確定不同的內(nèi)部腔體壓力,閥片的壓力-流速特性可采用測(cè)力計(jì)試驗(yàn)辨識(shí)閥片參數(shù)后解析地確定、或由試驗(yàn)直接測(cè)定得到壓力-流速數(shù)據(jù)、或采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD方法計(jì)算不同閥體元器件壓力-流速特性。國(guó)內(nèi)有北京理工大學(xué)、清華大學(xué)等對(duì)減振器的阻尼特性進(jìn)行了研究5-6。因此,針對(duì)汽車雙向筒式液壓減振器的仿真研究,需要開發(fā)一套系統(tǒng)完整的減振器仿真模型,能詳細(xì)反映減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù),反映減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如閥片調(diào)整對(duì)減振器阻尼特性乃至整車性能的影響。論文針對(duì)萬(wàn)向集團(tuán)實(shí)際生產(chǎn)的減振器,采用系統(tǒng)仿真方法并基于MATLAB 軟件,建立其阻尼特性仿真分析的模型;模型能反映減振器詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù),如考慮流體密度

9、隨壓強(qiáng)的變化,集成閥片剛度的有限元分析結(jié)果等;模型經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,其阻尼特性計(jì)算精度達(dá)90%,能滿足解決實(shí)際工程問(wèn)題的需要;最后在MATLAB 軟件基礎(chǔ)上開發(fā)參數(shù)化自動(dòng)建模軟件系統(tǒng),形成汽車雙向筒式減振器阻尼特性研究的系統(tǒng)完整方法,方便設(shè)計(jì)人員使用。2006年8月 系統(tǒng) 仿 真 學(xué) 報(bào) Aug., 20061 減振器基本結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程萬(wàn)向集團(tuán)實(shí)際生產(chǎn)的一種汽車雙向筒式液壓減振器,其實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 汽車雙向筒式液壓減振器的實(shí)際結(jié)構(gòu)上述基本結(jié)構(gòu)中包含的減振器基本液力系統(tǒng),主要有減振器油液、承載減振器油液的基本液力腔以及連通三個(gè)液力腔的基本閥系。減振器油液,具有液體基本特性參數(shù)?；疽毫η?/p>

10、包括上腔(第I 腔,下腔(第II 腔和補(bǔ)償腔(第III 腔?；鹃y系主要包括復(fù)原閥分總成和壓縮閥分總成,復(fù)原閥分總成包括復(fù)原閥和流通閥,其主要開口部位包括復(fù)原閥片開口(A5_15、流通閥片開口(A19、閥座上兩列常開的通孔(A20、A21,以及復(fù)原閥和流通閥在液力作用下變形造成的 開口res A ,flow A ;壓縮閥分總成包括壓縮閥和補(bǔ)償閥,其 主要開口部位包括壓縮閥片開口(A1_4、補(bǔ)償閥片開口(A16、閥座上兩列常開的通孔(A17、A18,以及壓縮閥和 補(bǔ)償閥在液力作用下變形造成的開口comp A ,equ A 。在減振器實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)減振器活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí),油液從下腔(第II 腔流

11、向上腔(第I 腔以及補(bǔ)償腔(第III 腔,這時(shí)由于流體壓力的作用使得壓縮閥(A1_4打開、流通閥(A19打開;而當(dāng)減振器活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí),油液從上腔(第I 腔以及補(bǔ)償腔(第III 腔流向下腔(第II 腔,這時(shí)由于流體壓力的作用使得復(fù)原閥(A5_15打開、補(bǔ)償閥(A16打開。由于活塞向上和向下運(yùn)動(dòng)時(shí)流體運(yùn)動(dòng)的通路不同,造成所形成的阻尼力有所不同。2 減振器阻尼特性的建模和仿真方法根據(jù)這種雙向筒式減振器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,在減振器模型建立過(guò)程中有以下基本假設(shè):流經(jīng)多孔口的流動(dòng)是湍流流動(dòng),流動(dòng)是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的;忽略孔口處的液體容積;在液體集中的腔室容積內(nèi),壓力瞬時(shí)均勻化,不考慮容積內(nèi)的壓力分布;忽略缸壁的柔性

12、;忽略節(jié)流中的熱量生成,不使用能量方程;忽略導(dǎo)向桿的泄漏面積。根據(jù)這樣的基本假設(shè),著眼于基本液力系統(tǒng)及主要閥系的特性,進(jìn)行適當(dāng)抽象及簡(jiǎn)化,建立減振器的模型,如圖2所示。圖2 汽車雙向筒式液壓減振器的模型上述模型中以一些基本物理量表征減振器油液、基本液力腔及基本閥系的特性,根據(jù)流體的基本物理規(guī)律進(jìn)行壓力、流量等的計(jì)算,最終得到減振器阻尼特性的變化規(guī)律。仿真過(guò)程中,首先按時(shí)間流程計(jì)算每步長(zhǎng)下的運(yùn)動(dòng)速度x&,繼而進(jìn)行各液壓腔壓強(qiáng)p 的預(yù)估(包括1p ,2p ,3p 預(yù)估。 然后計(jì)算各腔的流量(21Q&,23Q &或12Q &,32Q &,進(jìn)而用質(zhì)量守恒方程校核

13、。假設(shè)12Q &,32Q &,01Q &,分別為下腔至上腔、下腔至補(bǔ)償室、上腔至補(bǔ)償室的油液瞬時(shí)容積流量,(21Q&,2V d &&&& (1 上述式中,若21p p >,則012=Q &,021>Q & 若12p p >,則021=Q &,012>Q & 若32p p >,則023=Q &,032>Q & 若23p p >,則032=Q &,023>Q & 粘性液體通過(guò)節(jié)流孔的流量與壓差的關(guān)系一般可用下式描述:n dp

14、 A C Q /12(=& (2 式中d C 是流量系數(shù),A 是通流面積,p 是節(jié)流孔前后壓差,是流體上游密度,Q&是容積流量,n 是經(jīng)驗(yàn)指數(shù),一般取為1.75。根據(jù)以上公式和計(jì)算過(guò)程,通過(guò)壓強(qiáng)p 的修正和流量與壓強(qiáng)計(jì)算的迭代,達(dá)到精確確定各腔壓強(qiáng)的目的。最后根據(jù)上面計(jì)算得到的各腔壓強(qiáng)1p ,2p ,3p 的精確數(shù)值,計(jì)算得到總的阻尼力:(12v sign F p A A p A F f r p p = (3其中A p 為活塞面積,A r 為連桿面積,F f 為摩擦力。根據(jù)以上公式得到運(yùn)動(dòng)速度與阻尼力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。完成所有步長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算,最后得到阻尼特性曲線。2006年8

15、月任衛(wèi)群, 等:汽車減振器阻尼特性的仿真分析Aug., 2006以上的減振器詳細(xì)模型,為能更準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的特性,針對(duì)一些特殊問(wèn)題進(jìn)行了特殊處理。如考慮油液粘濕特性、油液可壓縮性、油液中氣泡產(chǎn)生及其對(duì)油液特性的影響;減振器閥片變形特性對(duì)整個(gè)阻尼特性分析影響顯著,因此閥片變形特性采用有限元方法以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果;在阻尼力計(jì)算中還考慮了摩擦力的影響。以上有關(guān)油液特性、閥片變形特性、摩擦力影響等復(fù)雜因素的考慮,使減振器阻尼特性的描述更為精確細(xì)致、能更準(zhǔn)確地反映實(shí)際物理結(jié)構(gòu)特性的規(guī)律。3 減振器阻尼特性仿真模型的校驗(yàn)減振器阻尼特性的仿真模型需經(jīng)過(guò)校驗(yàn),一般采用在相同輸入條件和運(yùn)行環(huán)境下對(duì)模型與實(shí)

16、際系統(tǒng)輸出之間一致性進(jìn)行比較的方法,評(píng)價(jià)仿真模型的可信度或可用性。具體研究中采取典型的測(cè)試條件,通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得到這些條件下減振器阻尼力的數(shù)值;同時(shí)將這些試驗(yàn)條件作為仿真模型校驗(yàn)的邊界條件,在同樣邊界條件下運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn),將其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較校驗(yàn)。減振器阻尼特性的具體測(cè)試一般采用減振器特性試驗(yàn)臺(tái)(如MTS849試驗(yàn)臺(tái)等進(jìn)行測(cè)試,臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖3所示,試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元能夠采用一定的頻率加載,使得減振器在一定位移范圍內(nèi)往復(fù)振動(dòng),同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)可記錄減振器阻尼力與位移(或速度的關(guān)系。同樣采用與臺(tái)架測(cè)試相同的邊界條件,可得到減振器阻尼力與位移(或速度仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試

17、的比較如圖4所示,圖中點(diǎn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù),曲線為仿真結(jié)果。仿真結(jié)果能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)良好地吻合(局部相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。 圖4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試的比較以上模型是在5.2Hz時(shí)測(cè)試的。在其他頻率加載時(shí)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)阻尼力的最大和最小值(即位移為0、速度最大時(shí)的阻尼力數(shù)值進(jìn)行記錄,然后將仿真分析的結(jié)果與所記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示。由表1可見,仿真分析的相對(duì)誤差基本能控制在10%以內(nèi)(精度90%以上。表1 仿真分析結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的比較試驗(yàn)測(cè)定(N 仿真計(jì)算(N 相對(duì)誤差%1.04(min2.6(max2.6(min5.2(max5.2(min7.8(max7.8(min-365.79 -403.

18、60 10.30 根據(jù)上述與測(cè)試結(jié)果對(duì)比的校驗(yàn),可見仿真模型的精度基本上可以控制在90%以上,能夠滿足工程實(shí)際的需要,從而可確定減振器阻尼特性的仿真模型是可信的。4 自動(dòng)建模與仿真軟件系統(tǒng)的開發(fā)以上建模與仿真分析過(guò)程比較復(fù)雜,在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中需要具有專門訓(xùn)練的分析計(jì)算工程師才能完成;而一般設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中就需要進(jìn)行性能校核。針對(duì)這種需求,基于MATLAB軟件進(jìn)行GUI(圖形用戶界面開發(fā),形成了減振器阻尼特性的自動(dòng)建模與仿真分析系統(tǒng)。系統(tǒng)的流程如圖5所示。 圖5 自動(dòng)分析系統(tǒng)的流程在MATLAB中運(yùn)行自動(dòng)分析軟件,就可以打開自動(dòng)分析軟件的參數(shù)化自動(dòng)建模界面,如圖6所示。在上面參數(shù)輸入界面中

19、,根據(jù)提示逐項(xiàng)輸入所需的輸入?yún)?shù)(所有參數(shù)都有缺省值,如需修改則在原有參數(shù)上修改輸入即可。之后設(shè)置仿真試驗(yàn)的條件,以及設(shè)置仿真試驗(yàn)的參數(shù),就可以運(yùn)行自動(dòng)仿真分析,得到減振器阻尼特性仿真分析的結(jié)果。利用以上的自動(dòng)建模與仿真分析系統(tǒng),設(shè)計(jì)工程師可以不必自行編制軟件來(lái)進(jìn)行分析,而只要輸入設(shè)計(jì)參數(shù),就可得到減振器阻尼特性的分析結(jié)果,修改參數(shù)后可以很快進(jìn)行新的分析、得到結(jié)果,這樣就為理性、高效的設(shè)計(jì)提供了可靠的工具。 圖3 減振器阻尼特性試驗(yàn)臺(tái)架2006年8月系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) Aug., 2006 圖6 自動(dòng)建模界面的參數(shù)輸入5 結(jié)論(1 建立了汽車雙向筒式減振器的詳細(xì)模型,模型除考慮減振器詳細(xì)物理結(jié)構(gòu)外,

20、還能考慮油液特性、閥片變形特性等,能夠更好地反映實(shí)際減振器結(jié)構(gòu)的特性。(2 減振器模型經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,其阻尼特性計(jì)算精度達(dá)90%,能夠滿足解決實(shí)際工程問(wèn)題的需要。(3 采用MATLAB軟件建立了一套汽車雙向筒式減振器自動(dòng)建模與仿真分析的軟件系統(tǒng),形成了一套研系統(tǒng)完整的分析方法,可極大方便設(shè)計(jì)工程師使用。參考文獻(xiàn):1 Duym, S., Schoukens, J., Guillaume, P. A local restoring forcesurface methodC/Proceedings of the 13th International Modal Analysis Conference.

21、 Nashville, Tennessee, 1995: 1392-1399.2 Fash, J. Modeling of shock absorber behaviour using artificial neuralnetworks C/SAE paper 940248, 1994.3 Duym, S. Simulation tools, modeling and identification, for anautomotive shock absorber in the context of vehicle dynamics J.Vehicle System Dynamics (S004

22、2-3114, 2000, 33: 261-285.4 Herr, F., Mallin, T., Roth, S. A shock absorber model using CFDanalysis and Easy5C/SAE Steering and Suspension Technology Symposium. 1999: 267-281.5 俞德孚. 車輛懸架減振器的理論和實(shí)踐 M. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2003.6 李世民. 筒式液阻減振器液-固耦合動(dòng)力學(xué)特性仿真技術(shù)研究D. 清華大學(xué)博士學(xué)位論文, 2004.(上接第944頁(yè)取的權(quán)記數(shù)據(jù)變化不大,與圖6(c相同。當(dāng)T=16時(shí)

23、,對(duì)隱藏的權(quán)記數(shù)據(jù)的提取有較大的影響,但此時(shí)圖像已經(jīng)產(chǎn)生明顯的失真,該圖像不具有實(shí)用價(jià)值。當(dāng)壓縮比達(dá)到12.4時(shí),仍然能夠提取完整的權(quán)記標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)。非IP擁有方對(duì)權(quán)記數(shù)據(jù)的檢測(cè)。從圖5(b上憑人的肉眼分無(wú)法辨出兩幅圖像之間存在的差別。在隱藏權(quán)記數(shù)據(jù)后, PSNR = 129.876,SNR=98.47,說(shuō)明非IP擁有方從表面上根本無(wú)法感知是否有隱藏的權(quán)記數(shù)據(jù)存在。再分析兩幅圖像的直方圖和差分圖像,結(jié)果如圖7所示。圖7a是對(duì)圖5(b上兩幅圖像的差分結(jié)果(經(jīng)過(guò)放大處理,差值為正時(shí)為白點(diǎn),為負(fù)時(shí)設(shè)為黑點(diǎn),兩幅圖像間相差的最大值為diff =±2,該差分圖像的均值為0.0347,該圖非常凌亂,

24、類似均值為零的白噪聲,因此無(wú)法通過(guò)該圖確定否有隱藏的權(quán)記數(shù)據(jù)存在。圖7(b和圖7(c分別為圖5(b上兩幅圖像的直方圖,憑肉眼無(wú)法看出二者的差別,通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理,得到圖7(d的數(shù)據(jù),它表示兩直方圖在相同位置的差別,差別最大的地方不足100,而在這些差別較大的地方的直方圖原始數(shù)據(jù)均超過(guò)2000,差別不到1/20,而且差別也與原始直方圖的分布大致一直,因此通過(guò)直方圖來(lái)確定是否有權(quán)記信息存在的方法也無(wú)法得出正確的結(jié)論。(a (b (c (d圖7 權(quán)記隱藏的檢測(cè)特征分析實(shí)驗(yàn)五抗噪聲實(shí)驗(yàn)。在隱藏權(quán)記數(shù)據(jù)的圖像中分別加入高斯噪聲、椒鹽噪聲(如圖6(d、泊松噪聲等,然后再?gòu)闹刑崛‰[藏的權(quán)記數(shù)據(jù)。圖6(d是加入密度為0.01的椒鹽噪聲后提取權(quán)記數(shù)據(jù)的結(jié)果,權(quán)記數(shù)據(jù)圖像質(zhì)量明顯下降,但還能夠識(shí)別出權(quán)記的存在。當(dāng)噪聲密度加大,超過(guò)0.1時(shí),權(quán)記標(biāo)識(shí)已經(jīng)被噪聲淹沒(méi),此時(shí)無(wú)法提取出正確的權(quán)記圖像。另外兩種噪聲也存在相同的情況。該方法