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CAD 中心, 湖北 武漢 430074; 2.萬向集團技術中心, 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模型,并進行仿真研究。模型能反映減振器的詳細物理結構,如考慮油液特性影響、閥片剛度影響、摩擦力影響等。模型經試驗校驗/阻尼特性計算精度達90%,模型精度能滿足實際工程問題的需要。經二次開發(fā)形成一套能進行參數(shù)化自動建模和仿真分析的軟件系統(tǒng),最終在汽

2、車減振器設計過程中形成一套阻尼特性研究的系統(tǒng)完整的方法。關鍵詞:系統(tǒng)仿真;汽車減振器;阻尼特性 中圖分類號:TP 391.77 文獻標志碼:A 文章編號: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,其動力學特性對汽車操縱穩(wěn)定性、平順性等都有重大影響,因此減振器性能預測與設計方法改善已成為重要研究課題。傳統(tǒng)設計方法主要根據(jù)經驗確定設計參數(shù)然后進行試驗修正,采用結構參數(shù)不同的樣機裝備于要匹配的汽車,由試車員進行實車試驗評價,這個過程須對減振器內部參數(shù)進行多次反復調整,并經多次試制與試驗,這種完全依賴于樣機實驗的設計方法不但周期長、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、減少減振器樣機試制及實

6、車試驗費用、縮短開發(fā)周期,利用系統(tǒng)仿真技術進行減振器性能預測和設計優(yōu)化已成必然趨勢,其基本過程是基于減振器結構建立數(shù)學模型,經模擬分析得到阻尼特性,將此特性用于汽車系統(tǒng)動力學和振動分析,評價汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性等性能,在此基礎上對減振器特性和結構進行優(yōu)化設計。因此,采用系統(tǒng)仿真方法進行減振器研究的核心問題是建立準確反映減振器特性的模型,以便在設計階段能準確預測減振器的阻尼特性。收稿日期:2006-04-29 修回日期:2006-06-01基金項目:國家“八六三”高技術研究發(fā)展計劃(2003AA001031; 國家自然科學基金(60574053作者簡介:任衛(wèi)群(1971-, 男, 湖北人,

7、博士, 副教授,研究方向為系統(tǒng)仿真、機械系統(tǒng)CAE, 汽車動力學與控制; 趙鋒(1980-, 男, 湖北人, 碩士生, 研究方向為汽車動力學仿真; 張杰(1978-, 男, 湖北人, 博士生, 工程師, 研究方向為汽車動力學仿真。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,包括恢復力映射方法、神經網(wǎng)絡方法等,黑箱模型不能細致地反映減振器具體結構(如閥片具體參數(shù)調整對性能的直接影響,不能完全滿足減振器模型作為性能預測工具的需要。另一類是基于內部結構機理建模的詳細物理模型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流體可壓縮

8、性模型、確定不同的內部腔體壓力,閥片的壓力-流速特性可采用測力計試驗辨識閥片參數(shù)后解析地確定、或由試驗直接測定得到壓力-流速數(shù)據(jù)、或采用計算流體動力學(CFD方法計算不同閥體元器件壓力-流速特性。國內有北京理工大學、清華大學等對減振器的阻尼特性進行了研究5-6。因此,針對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,能詳細反映減振器內部結構及參數(shù),反映減振器內部結構(如閥片調整對減振器阻尼特性乃至整車性能的影響。論文針對萬向集團實際生產的減振器,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的內部結構及參數(shù),如考慮流體密度

9、隨壓強的變化,集成閥片剛度的有限元分析結果等;模型經過試驗驗證,其阻尼特性計算精度達90%,能滿足解決實際工程問題的需要;最后在MATLAB 軟件基礎上開發(fā)參數(shù)化自動建模軟件系統(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,方便設計人員使用。2006年8月 系統(tǒng) 仿 真 學 報 Aug., 20061 減振器基本結構及工作過程萬向集團實際生產的一種汽車雙向筒式液壓減振器,其實際結構如圖1所示。 圖1 汽車雙向筒式液壓減振器的實際結構上述基本結構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 腔和補償腔(第III 腔?；鹃y系主要包括復原閥分總成和壓縮閥分總成,復原閥分總成包括復原閥和流通閥,其主要開口部位包括復原閥片開口(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償閥,其 主要開口部位包括壓縮閥片開口(A1_4、補償閥片開口(A16、閥座上兩列常開的通孔(A17、A18,以及壓縮閥和 補償閥在液力作用下變形造成的開口comp A ,equ A 。在減振器實際運動過程中,當減振器活塞向下運動時,油液從下腔(第II 腔流

11、向上腔(第I 腔以及補償腔(第III 腔,這時由于流體壓力的作用使得壓縮閥(A1_4打開、流通閥(A19打開;而當減振器活塞向上運動時,油液從上腔(第I 腔以及補償腔(第III 腔流向下腔(第II 腔,這時由于流體壓力的作用使得復原閥(A5_15打開、補償閥(A16打開。由于活塞向上和向下運動時流體運動的通路不同,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構和應用條件,在減振器模型建立過程中有以下基本假設:流經多孔口的流動是湍流流動,流動是準穩(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,壓力瞬時均勻化,不考慮容積內的壓力分布;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;忽略導向桿的泄漏面積。根據(jù)這樣的基本假設,著眼于基本液力系統(tǒng)及主要閥系的特性,進行適當抽象及簡化,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)律進行壓力、流量等的計算,最終得到減振器阻尼特性的變化規(guī)律。仿真過程中,首先按時間流程計算每步長下的運動速度x&,繼而進行各液壓腔壓強p 的預估(包括1p ,2p ,3p 預估。 然后計算各腔的流量(21Q&,23Q &或12Q &,32Q &,進而用質量守恒方程校核

13、。假設12Q &,32Q &,01Q &,分別為下腔至上腔、下腔至補償室、上腔至補償室的油液瞬時容積流量,(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 & 粘性液體通過節(jié)流孔的流量與壓差的關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 是經驗指數(shù),一般取為1.75。根據(jù)以上公式和計算過程,通過壓強p 的修正和流量與壓強計算的迭代,達到精確確定各腔壓強的目的。最后根據(jù)上面計算得到的各腔壓強1p ,2p ,3p 的精確數(shù)值,計算得到總的阻尼力:(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)以上公式得到運動速度與阻尼力間的對應關系。完成所有步長下對應關系的計算,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以上的減振器詳細模型,為能更準確地反映實際結構的特性,針對一些特殊問題進行了特殊處理。如考慮油液粘濕特性、油液可壓縮性、油液中氣泡產生及其對油液特性的影響;減振器閥片變形特性對整個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確的結果;在阻尼力計算中還考慮了摩擦力的影響。以上有關油液特性、閥片變形特性、摩擦力影響等復雜因素的考慮,使減振器阻尼特性的描述更為精確細致、能更準確地反映實際物理結構特性的規(guī)律。3 減振器阻尼特性仿真模型的校驗減振器阻尼特性的仿真模型需經過校驗,一般采用在相同輸入條件和運行環(huán)境下對模型與實

16、際系統(tǒng)輸出之間一致性進行比較的方法,評價仿真模型的可信度或可用性。具體研究中采取典型的測試條件,通過臺架試驗得到這些條件下減振器阻尼力的數(shù)值;同時將這些試驗條件作為仿真模型校驗的邊界條件,在同樣邊界條件下運行仿真實驗,將其結果與試驗結果進行比較校驗。減振器阻尼特性的具體測試一般采用減振器特性試驗臺(如MTS849試驗臺等進行測試,臺架結構如圖3所示,試驗臺驅動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往復振動,同時試驗臺可記錄減振器阻尼力與位移(或速度的關系。同樣采用與臺架測試相同的邊界條件,可得到減振器阻尼力與位移(或速度仿真實驗的結果,與臺架試驗結果進行比較。仿真結果與試驗測試

17、的比較如圖4所示,圖中點為試驗數(shù)據(jù),曲線為仿真結果。仿真結果能與實驗數(shù)據(jù)良好地吻合(局部相對誤差在10%以內。 圖4 仿真結果與試驗測試的比較以上模型是在5.2Hz時測試的。在其他頻率加載時進行測試,對阻尼力的最大和最小值(即位移為0、速度最大時的阻尼力數(shù)值進行記錄,然后將仿真分析的結果與所記錄的測試數(shù)據(jù)進行比較,結果如表1所示。由表1可見,仿真分析的相對誤差基本能控制在10%以內(精度90%以上。表1 仿真分析結果與測試數(shù)據(jù)的比較試驗測定(N 仿真計算(N 相對誤差%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)上述與測試結果對比的校驗,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 自動建模與仿真軟件系統(tǒng)的開發(fā)以上建模與仿真分析過程比較復雜,在企業(yè)實際應用中需要具有專門訓練的分析計算工程師才能完成;而一般設計工程師在設計過程中就需要進行性能校核。針對這種需求,基于MATLAB軟件進行GUI(圖形用戶界面開發(fā),形成了減振器阻尼特性的自動建模與仿真分析系統(tǒng)。系統(tǒng)的流程如圖5所示。 圖5 自動分析系統(tǒng)的流程在MATLAB中運行自動分析軟件,就可以打開自動分析軟件的參數(shù)化自動建模界面,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。之后設置仿真試驗的條件,以及設置仿真試驗的參數(shù),就可以運行自動仿真分析,得到減振器阻尼特性仿真分析的結果。利用以上的自動建模與仿真分析系統(tǒng),設計工程師可以不必自行編制軟件來進行分析,而只要輸入設計參數(shù),就可得到減振器阻尼特性的分析結果,修改參數(shù)后可以很快進行新的分析、得到結果,這樣就為理性、高效的設計提供了可靠的工具。 圖3 減振器阻尼特性試驗臺架2006年8月系統(tǒng)仿真學報 Aug., 2006 圖6 自動建模界面的參數(shù)輸入5 結論(1 建立了汽車雙向筒式減振器的詳細模型,模型除考慮減振器詳細物理結構外,

20、還能考慮油液特性、閥片變形特性等,能夠更好地反映實際減振器結構的特性。(2 減振器模型經過試驗驗證,其阻尼特性計算精度達90%,能夠滿足解決實際工程問題的需要。(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,可極大方便設計工程師使用。參考文獻: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-固耦合動力學特性仿真技術研究D. 清華大學博士學位論文, 2004.(上接第944頁取的權記數(shù)據(jù)變化不大,與圖6(c相同。當T=16時

23、,對隱藏的權記數(shù)據(jù)的提取有較大的影響,但此時圖像已經產生明顯的失真,該圖像不具有實用價值。當壓縮比達到12.4時,仍然能夠提取完整的權記標識數(shù)據(jù)。非IP擁有方對權記數(shù)據(jù)的檢測。從圖5(b上憑人的肉眼分無法辨出兩幅圖像之間存在的差別。在隱藏權記數(shù)據(jù)后, PSNR = 129.876,SNR=98.47,說明非IP擁有方從表面上根本無法感知是否有隱藏的權記數(shù)據(jù)存在。再分析兩幅圖像的直方圖和差分圖像,結果如圖7所示。圖7a是對圖5(b上兩幅圖像的差分結果(經過放大處理,差值為正時為白點,為負時設為黑點,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,因此無法通過該圖確定否有隱藏的權記數(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,憑肉眼無法看出二者的差別,通過數(shù)據(jù)的計算機處理,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,因此通過直方圖來確定是否有權記信息存在的方法也無法得出正確的結論。(a (b (c (d圖7 權記隱藏的檢測特征分析實驗五抗噪聲實驗。在隱藏權記數(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,然后再從中提取隱藏的權記數(shù)據(jù)。圖6(d是加入密度為0.01的椒鹽噪聲后提取權記數(shù)據(jù)的結果,權記數(shù)據(jù)圖像質量明顯下降,但還能夠識別出權記的存在。當噪聲密度加大,超過0.1時,權記標識已經被噪聲淹沒,此時無法提取出正確的權記圖像。另外兩種噪聲也存在相同的情況。該方法