可调阻尼减振器的数学建模与执行机构的研究.pdf

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沈阳理工大学硕士学位论文可调阻尼减振器的数学建模与执行机构的研究姓名：

王新芳申请学位级别：

硕士专业：

车辆工程指导教师：

陈克201203沈刚理：

大学硕士学位论文摘要阻尼可调减振器是汽车半主动悬架的关键部件，对汽车悬架的减振效果有重要影响j建立了悬架系统物理模型，根据悬架系统受力情况，采用牛顿笫二定律建立悬架系统线性微分方程，基于“天棚”控制原理，分别对安装定阻尼、阻尼两级可调减振器的悬架系统在随机路面下，采用MATLABsIMULINK进行建模仿真，得到汽车的加速度、悬架动挠度和车轮相对动载：

通过比较分析：

采用阻尼两级可调减振器的悬架系统减振效果明显，可提高汽车的行驶平顺性，为设计开发阻尼分级可调减振器和研究汽车半主动悬架提供了重要依据。

根据减振器的工作原理，和小孔流量公式，建立了减振器的数学模型，通过MATLAB的M文件编程，得到减振器的示功图和速度特性曲线，验证所建数学模型的合理性。

对可调阻尼减振器的执行机构进行计算选型，对减振器的可调阻尼进行仿真，验证所选执行机构的可实施性。

关键词：

半主动悬架；可调阻尼减振器；数学模型；性能仿真；执行机构AbstractA$akeypanofsuspensiondanlper，shock如sorberpla声a11importaIltroleinsuspensiond啪pingE陋sedonmephysicalmodelofthesuspenSionsystem，asyStemofdi行erentialequationsisestablishedinthe印plicationofNe叭oniallssecond1awaCcordingt0theforceofsuspensionAcoordingtothe”sky-h00ktfcolltrolp血ciple，suspensiondyn锄icdenection，caraccelerationalldwheelrelativedyll锄icloadareobtainedbysimulatingthesuspensionwithav撕abledampillgshockabsorberandad锄pingshockabsorberunderralldomroadconditions10u曲meMATLABSIMULINKT11ep印ermal【esa11alysisofmevariabled锄pingshockabsorberdampingimportaIltmleinthesuspensionmroughcomparisonwimsuspensiondyIl锄icdenection，caraccelerationandwheelrelative（1yn锄icloadWhichisproVidesa11importantbasisfordesi印aIlddevelopmentd锄叩ing伊adingadjustableshoCkabsorberaIldmecarsemi-activesuspensiontoimprove1evemcleridecomfortAccordingtomework砸ncipleofshockabsorber，alldkeyholesnowfomula，establiShedmematll锄aticalmodeloftheShockabsorb既nlrou曲leMATLABMfilepro蓼舭瑚ingtoget廿1eshockabsorberiI锄ping-displac锄ent69urea11dspeedCharact甜sticcrve，thematllematicalmodelisV谢fiedbymerationalityofmebuildingCalculationaIldsele嘶onofadjustabled锄1pingofactuatorsforshockabsorber；sinmlationmeshockabsorberwithadjustabledaI】叩ingarebotllforcoInplete廿les砌yofactuatorsK0ywords：

semi-actiVesuspension；adjustabledan叩ingshockabsorber；math锄aticalmodel；per南mlaI=Icesimulation；actuators第1章绪论第1章绪论现代汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具，汽车的舒适性和安全性也越来越引起人们的注意。

作为生活中日益重要的运输工具，汽车在行驶过程中不免会受到路面不平度的冲击，这会使汽车产生各种形式的振动。

为保证乘坐人员的舒适性及所载货物的完整性，用悬架系统来缓和车身的冲击载荷、衰减承载系统的振动，该系统影响汽车的行驶安全性、操纵稳定性及乘坐舒适性。

因此，研究悬架的性能使其与汽车相匹配，使其能满足汽车平稳、安全行驶具有重要的意义。

11悬架系统功能概述悬架系统是车架（或承载式车身）和车桥（或车轮）之间弹性连接并传递力和力矩的装置的总称【11。

悬架系统的主要功能：

传递车架与车桥之间的力和力矩、缓和汽车不平路面行驶所受到的冲击、衰减承载系统因此产生的振动，保证汽车的行驶平顺性。

自第一辆汽车问世一百多年来，汽车悬架从结构型式到工作原理一直在不断地改进，但对结构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分构成。

悬架结构一般是由弹性元件、导向机构以及减振器等组成，但有些悬架结构还包括缓冲块、横向稳定杆等。

（1）减振器功能：

减振器是产生阻尼力的主要元件，其作用是迅速衰减汽车的振动，改善汽车的行驶平顺性，增强车轮和地面的附着力。

另外，减振器能够降低车身部分的动载荷，延长汽车的使用寿命。

目前在汽车上广泛使用的减振器主要是筒式液力减振器，其结构可分为双筒式、单筒充气式和双筒液压式三种。

工作原理：

在车轮上下跳动过程中，减振器活塞在工作腔内往复运动，使减振器液体通过活塞上的节流孔，由于液体有一定的粘性和液体通过节流孔时与孔壁间产生摩擦，使动能转化成热能散发到空气中，从而达到衰减振动功能。

沈阳理工大学硕士学位论文

（2）弹性元件功能：

支撑垂直载荷，缓和和抑制不平路面引起的振动和冲击。

弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气弹簧和橡胶弹簧等。

原理：

用具有弹性较高材料制成的零件，在车轮受到大的冲击时，动能转化为弹性势能储存起来，在车轮下跳或回复原行驶状态时释放出来。

（3）导向机构导向机构的作用是传递力和力矩，同时兼起导向作用。

在汽车的行驶过程当中，能够控制车轮的运动轨迹。

作为车辆中的一个重要总成悬架，它把车架（车身）与车轮弹性地联系起来。

悬架的性能关系到汽车的多种使用性能。

悬架需要满足汽车的舒适性及操纵稳定性，但这两方面又是互相对立的。

比如，较软的弹簧可以缓冲大部分的车辆震动，这样可以获得较好的舒适性，需要很大程度上缓冲汽车的震动，但由于较软的弹簧却使汽车在刹车时“点头”及加速时“抬头”以及左右侧倾等不良反应，导致较坏的操纵稳定性。

作为汽车重要性能之一的舒适性，车身的固有频率与其有着重要的关联，同时车辆的悬架特性也与其固有频率相关，对这些有重要影响的汽车悬架作为车架（或车身）与车轴（或车轮）之间连接的传力部件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。

因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。

12悬架系统分类悬架具有不同的结构形式来适应不同行驶状况和不同类型车辆的需要。

悬架按左右车轮的关联程度分为独立悬架和非独立悬架；按控制形式分为被动悬架和主动悬架。

主动悬架按其是否包括动力源分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统【21。

（1）被动悬架系统悬架的刚度和阻尼系数事先按经验或优化设计进行了设计，只能保证在特定的路况和行驶速度下汽车获得最佳的性能，在路面状况发生改变或行驶速度变化时，悬架系统的参数无法根据实际情况进行改进，这就限制汽车获得最佳的平顺性、行驶安全性和乘坐舒适性。

如图11所示为被动悬架示意图。

第1章绪论蠓麓颦麓图11被动悬架不意图

（2）主动悬架系统主动悬架是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬架，具有控制车身运动的功能。

它汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。

关于车辆行驶状况的数据不断的输入电脑使其与设计中设定的阀值进行比较，对悬架的状态进行相应的选择。

同时，由于车轮上有由微电脑独立控制的执行元件，这样就可以保证在任何工况下产生符合悬架运动要求的减振器油压变化。

因此，在车辆上经常备有可供选择的多种驾驶模式，驾驶员只需要选择仪表盘上相应的按钮就可以使悬架处于最佳的状态，以期达到满意的舒适度。

由于车辆制动、拐弯时的惯性会导致弹簧产生变形，此时主动悬架产生一个可以阻止弹簧变形的力来减少车身位置的变化。

悬架传感器会在车辆拐弯时检测出车身的倾斜和横向加速度，与设计时设定的阀值进行比较，为使车身的倾斜减到最小，需要立即确定出在什么位置上将多大的负载加到悬架L【3】Lo主动悬架的基本原理是靠自身的能源通过执行元件对振动进行“主动”干预，即悬架的主动控制就是根据汽车在行驶过程中的设计需求，根据不同的路面状况、不同的行驶速度、不同的承载重量及分配等对悬架弹簧的刚度和阻尼进行动态地自适应调节，以改变减振器的阻尼力的大小，甚至于车身高度的调节，从而使汽车达到最佳的行驶平顺性和乘坐舒适性。

它是在被动悬架系统中附加一个可控制力的装置而成，通常是由执行机构、检测系统、反馈控制系统和能源部分四部分1沈阳理工大学硕士学位论文组成。

它比被动悬架具有更好的平顺性，但其结构复杂、质量大，而且需要消耗一部分的发动机功率，这会降低整车的动力性，还有就是一旦主动悬架的力作用很小时，单靠一个弹簧对汽车的行驶安全性有很大的影响，为此设计出介于被动悬架与主动悬架之间的悬架，称为半主动悬架。

如图12所示为主动悬架示意图。

戎图12主动悬架不意图（3）半主动悬架半主动悬架是用可控阻尼减振器代替执行元件，不用考虑改变悬架的刚度，只需要来考虑改变悬架的阻尼，它由减振器和与其相并连的弹性元件组成。

由于半主动悬架节约了油泵、蓄能器等部件，这使它在工作的时候不消耗车辆的动力，同时它制造了比电流服的液力执行机构简单的可控阻尼器，故其制造和运行成本都大大降低了。

如图13所示为半主动悬架示意图。

纛麓辫舞图13半主动悬架示意图第1章绪论半主动悬架包括阻尼连续可调式和可切换阻尼式两类，前者的阻尼系数在一定的范围内可以连续变化，后者的阻尼系数只能在几个离散的阻尼值之问进行切换。

常见的可切换阻尼式减振器的阻尼值一般设置一定的档位数，通过切换来实现不同的阻尼系数，使悬架达到不同的硬度。

可切换阻尼悬架的设计关键是发展先进的控制阀技术，保证切换时间能足够短，以便使复杂的控制策略的应用成为可能。

但这也将导致阻尼器的制造成本升高，目前这种快速切换阻尼系统在实际应用中仍不多见【41。

13减振器概述汽车平顺性是指保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。

汽车行驶平顺性直接影响乘员的舒适性和所承载货物的安全性，并涉及汽车动力性和经济性的发挥，会对汽车零部件的寿命产生影响，是汽车在同类车中竞争的一项重要指标。

悬架系统的好坏直接关系到平顺性能是否理想，而减振器是悬架系统的重要元件。

减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减，提高车辆的平顺性。

为加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，大多数汽车的悬架系统内部装有减振器，因此目前对半主动悬架的研究主要是可调阻尼减振器的研究。

为尽快的消除车辆的振动要使减振器的阻尼力增大，这就会限制与减振器相并联的弹性元件的作用发挥。

同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接件及车架的损坏。

为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求【l】：

在悬架压缩行程（车桥与车架相互移近的行程）内，为缓和冲击应使减振器阻尼力尽可能小，以便让弹性元件的弹性得到更好的发挥；在悬架复原行程（车桥与车架相对远离的行程）内，为达到迅速减振的目的应使减振器的阻尼力增大；当车桥（或车轮）与车架的相对速度过大时，为避免过大的冲击载荷作用于车辆，应使减振器阻尼力保持在一定的范围内，这就需要减振器能自动加大或减小节流通道截面积【5J。

131可调阻尼减振器国内外现状由于汽车行驶的条件是随机变化的，要使悬架的减振特性总保持最佳状态，沈阳理工大学硕士学位论文就需要悬架的参数能及时做出相应的变化。

随着汽车半主动悬架的研发成功，汽车的舒适性、平顺性和行驶安全性都得以在很大程度上得到提高，同时作为半主动悬架的核心部件的可调阻尼减振器，各大汽车研发部门对其都投入了较大的心血。

减振器的阻尼调节多采用调节节流通孔的截流面积或工作介质的粘度系数，来得到满足需求的阻尼系数，达到车辆更好的减振。

目前国内对阻尼可调减器及半主动悬架做了研究，并且取得了一定的进展，但是由于我国汽车工业相对于其他发达国家起步晚，可调阻尼减振器研究所需要的其它学科技术也要落后很多，所以距可调阻尼减振器的批量生产还有很长的距离。

国内减振器品种单调，适用车型比较有限。

国内减振器产品与国外的相比，在许多方面存在有差距【51：

（1）产品的结构与性能方面（减振器的可拆性与速度特性间的差异）；

（2）产品的可靠性与使用寿命方面；（3）可控制减振器的设计、开发和应用方面；（4）制造技术与工艺设备方面（原材料、减振油、橡胶制品、连杆制造工艺、冲压工艺、粉末冶金制造工艺、贮油筒制造工艺等方面的差异）；（5）测试手段方面；（6）总成装配方面。

减振器是作为一个不可拆元件整体出厂销售的，一旦其中某个小零件发生故障或失效，整个减振器也就报废了。

因而，减振器技术的发展与研究应该成为我国汽车行业的一个重要课题。

随着我国人民生活水平的提高，轿车发展水平必将要求达到国际水平，而作为汽车重要部件的减振器也将要求达到国际水平，因此，为可控减振器的理论研究、技术发展及应用开发都提供了巨大的动力。

132可调阻尼减振器分类减振器从产生阻尼的材料这个角度划分主要有液压和充气两种，还有一种可变阻尼的减振器【11。

（1）液压汽车悬架系统中广泛采用液压减振器。

其原理是，当车架与车桥做往复相对运动时，活塞在减振器的缸筒内往复移动，减振器壳体内的油液便反复地从内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。

此时，液体与内壁的摩擦及液体分子的内摩第1章绪论擦便形成对振动的阻尼力。

（2）充气式减振器20世纪后期以来发展起来的新型减振器中包含充气式减振器。

结构特点：

在工作缸的下部装有一个浮动活塞，高压氮气充在浮动活塞与工作缸筒形成的密闭气室中。

浮动活塞上装有密封圈来实现油气分离。

活塞上有改变节流面积的节流阀。

当车轮与车身有相对运动时，活塞在减振器的工作缸中上下往复运动，在活塞两端产生油压差，压力油推开压缩阀和复原阀来回流动。

通过节流阀对液压油产生较大的阻尼力来实现振动的衰减。

20世纪60年代以前是定阻尼参数减振器阶段，即减振器的衰减效果只在某一工作条件是理想的效果，无法根据实际工况来调节减振器的阻尼特性，这样大大的降低了汽车的平顺性和操纵稳定性。

在减振器发展的初始阶段，曾使用过鼓式减振器，后因其性能不稳定且热衰退性较差被淘汰。

后随着独立悬架的产生，出现了摇臂式减振器。

随着汽车技术的发展，筒式减振器逐渐替代了摇臂式减振器。

筒式减振器又有单筒和双筒，充气与不充气之分：

单筒式减振器有充气和不充气两种，充气式单筒减振器是由一个自由的活塞和工作活塞构成气体压力式阻尼器。

但由于其较长且易受损的外管，未被大量使用；不充气单筒减振器一般作为发动机、驾驶员座椅转向系中的减振器使用。

双筒式减振器用于汽车悬架有两种形式：

充气和不充气的。

双筒式减振器的工作有压缩和伸张两个行程。

按照调节阻尼级别方式的不同分为有级可调阻尼减振器和无级可调阻尼减振器。

（1）阻尼有级可调减振器阻尼有级可调减振器的阻尼可在设计时确定的几个阻尼值之间进行快速切换，即阻尼有级可调减振器是在减振器中使用控制阀，使减振器的节流面积一定范围之间可以进行调节。

阻尼有级可调减振器的阻尼调节方式有很多种方式：

（1）通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在不同档位之间变化；

（2）通过开关电磁阀使节流面积变化，使其产生不同的阻尼值。

虽然阻尼有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，易于实现但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。

在实际车辆应用中有级可调减振器应用较方便。

先进的阀的技沈阳理工大学硕士学位论文术的发展是阻尼有级可调减振器的设计关键。

阻尼档数的增加、切换时间的缩短是阻尼有级可调减振器的目的。

（2）阻尼无级可调减振器阻尼无级可调减振器的阻尼是在一定范围内进行调节的，通过控制策略可以达到设计范围内的任意阻尼【6】。

实现方式：

（1）通过调节节流孔截流面积实现。

利用一些辅助零件来调节节流孔的数量，如在空心活塞杆上做出一系列径向节流孔，然后在活塞杆外或内增加辅助套筒或转动套杆，以便在减振器行程中，使起节流阻尼作用的节流孔数目发生变化，从而自动调节阻尼力的大小【2】。

通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积使通过节流阀的液压油量变化来改变阻尼；

（2）通过调节减振器中油液粘性，使减振液的粘度系数在一定范围内变化。

电流变或磁流变液减振器就是采用这种新型的功能材料体作为减振液，来实现阻尼在一定范围内无级变化。

随着计算机技术在汽车工程领域得到了广泛应用，光电传感器及超声波传感器在汽车技术发展方面发挥了巨大作用，为电流变液体和磁流变液减振器的开发提供了有力技术支持，从而实现减振器特性智能化可调和实时可调，有力地解决了汽车乘坐舒适性与操纵安全性的矛盾。

但在现有水平上电流变液和磁流变液减振器没有一些经济适用的，令人可接受的产品问世，仍处于研制阶段，因此筒式节流孔可调阻尼液压减振器是现有的主要的研究方向【71。

随着人们对减振器性能认识的进一步加深，减振器新技术不断探索，被动减振器的局限性由于可调阻尼减振器的出现实现了突破。

根据不同的路面状况来调节减振器的阻尼力。

由于汽车在不同的行驶工况下对减振器的阻尼特性要求也不同，因此可调阻尼减振器的一系列相关研究成为必要。

14减振器数学模型介绍随着汽车保有量的增加，对汽车平顺性的要求也目益提高，而减振器作为悬架系统的一个重要元件，其主要作用是加速车架与车身振动的衰减，以改善车辆的行驶平顺性。

对于筒式液压阻尼减振器，传统的设计方法大多是根据设计者的实际经验来设计，然后通过做出实物进行多次的试验修正，最终得到成型的产品，但这对设第1苹绪论计者的要求较高，同时也延长了产品的开发周期，增加了消耗，在科技飞速发展的时代，显然不能跟随技术进步的步伐。

为克服上述缺点，减少减振器样机试制及实车试验的费用并缩短开发周期，大多采用建立减振器的数学模型，经仿真分析采用汽车的平顺性的评价指标来评价减振器的特性。

该过程的难点是建立减振器的数学模型。

在20世纪70年代开始国外的学者已经开展了简式液阻减振器工作特性的模拟分析研究，比较有代表的是Lang的工作【8】，他建立了悬架减振器的83参数模型，用于研究其外特性高频畸变现象。

多数文献建立的模型大多利用实验测试结果来获得部分或全部模型参数，因此不便于在设计阶段预测减振器特性。

随着计算技术的发展，采用数值方法建立和求解减振器分布参数模型逐渐成为可能。

减振器通常由活塞及活塞杆、流通阀、压缩室、复原室、补偿室、底阀等组成。

建立物理参数模型时应针对各腔室和节流阀建立表述流体压力流量等参数关系的方程，然后根据流体质量守恒关系将各方程式联系起来。

减振器的动态特性通常以阻尼力与活塞相对于缸筒运动参数的关系来表达，其各类分析模型须尽可能准确地表达出这种关系。

现有减振器数学模型可以分成两类，即参数化模型和非参数化模型。

1参数化模型有两种：

物理参数模型，等效物理参数模型。

（1）物理参数模型是考虑减振器内部油液的流动以及节流阀弹性元件的变形等真实工作状态，建立流体和结构的耦合动力学模型【8】。

这种模型既可用于减振器特性预测和分析，也可用于汽车系统动力学和振动仿真分析。

目前所建立的模型通常以常微分方程表达的。

（2）等效物理参数模型是将减振器抽象成一些具有某种力学特性的典型物理元件的组合系统，建立等效的力学特性分析模型9】。

2基于对减振器实验测试分析的一类模型称为非参数化模型，采用形式上适当的数学函数表达式来逼近实验结果，而忽略减振器的实际结构及内部工作过程，这类建模方法在振动实验模态分析领域得到重视【l01。

非参数化模型也称作黑箱模型，恢复力曲面（RFS）方法是这类建模方法的典型代表111。

目前，基于谐波激振的RFS建模方法已相对比较成熟，基于非谐波激振（如随机激振）的RFS建模方法沈阳理工大学硕士学位论文正处于进一步研究中。

在MATLAB数学软件的仿真下可以得到满足车辆要求的减振器阻尼参数，随之对减振器进行物理模型的建立和数学模型的建立，在通过数学软件的编程来验证所建立模型的准确性。

这样既对悬架的一些主要设计参数进行研究，可以分析具体设计参数对平顺性的影响，从而使仿真结果、性能分析、指标评价直接反映到减振器的设计参数上，最终可改进减振器设计为改善平顺性提供建议，指导设计过程中数学模型结构参数的优化和改进。

15论文的研究目的及内容本课题拟采用理论分析与软件仿真相结合的方式对减振器进行研究，通过理论分析，建立车辆的