基于虛擬樣機(jī)的減振器阻尼特性仿真與調(diào)試

張 杰，諶文思，李伯華，毛利劍，胡三寶

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;2.萬向集團(tuán)公司技術(shù)中心，浙江杭州 311215;3.浙江萬向馬瑞利減震器有限公司，浙江杭州 311215;4.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

在汽車液力筒式減振器設(shè)計階段，調(diào)試閥系的參數(shù)以使其阻尼特性滿足整車要求，這是開發(fā)過程中的重要步驟。傳統(tǒng)的方法主要依賴于試驗(yàn)，對實(shí)物樣件的閥系進(jìn)行反復(fù)試湊(trial-and-error)，這種方法費(fèi)時費(fèi)力，且效率較低。實(shí)力較強(qiáng)的公司如國外的SACHS、國內(nèi)的孔輝科技等開發(fā)出了減振器特性調(diào)試車輛，能夠結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)在試車現(xiàn)場調(diào)試，這種方法的實(shí)用性好，但前期開發(fā)成本較高，對具體結(jié)構(gòu)的依賴性強(qiáng)。

隨著減振器建模［1］和計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，利用 ADAMS［2］、AMESim［3］等軟件開發(fā)減振器的虛擬樣機(jī)(virtual prototyping)［4］日益盛行，它是面向系統(tǒng)級設(shè)計的高效、動態(tài)仿真技術(shù)，可以在無實(shí)物狀態(tài)下方便地實(shí)現(xiàn)減振器多樣化建模，進(jìn)行阻尼特性的仿真計算，并可集成于整車模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計等。筆者采用ADAMS仿真軟件及其View/Hydraulics液壓模塊，進(jìn)行液力減振器的參數(shù)化建模、阻尼特性仿真以及閥系參數(shù)調(diào)試。

1 液力減振器虛擬樣機(jī)的參數(shù)化建模

1.1 減振器液力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖1為某車型雙筒式液力減振器的基本液力結(jié)構(gòu)圖，由貯油筒、工作缸、底蓋以及活塞閥、底閥構(gòu)成了3個腔室(復(fù)原腔Ⅰ、壓縮腔Ⅱ、貯油腔Ⅲ)?；钊偝砂◤?fù)原閥和流通閥，底閥總成包括壓縮閥和補(bǔ)償閥。在減振器進(jìn)行拉伸或壓縮時，油液通過這4個閥系在各液力腔中來回流動，由此產(chǎn)生了阻尼力作用。

圖1 某雙筒式液力減振器的基本液力結(jié)構(gòu)圖

在拉伸行程，油液通過復(fù)原閥系(A1→A2→A3/Ares)由Ⅰ腔流回Ⅱ腔、通過補(bǔ)償閥系(A8→Aequ)由Ⅲ腔流至Ⅱ腔，其路徑如圖1中左邊實(shí)線箭頭所示;在壓縮行程，油液通過壓縮閥系(A5→A6→A7/Acomp)由Ⅱ腔流回Ⅲ腔、通過流通閥系(A4→Aflow)由Ⅱ腔流至Ⅰ腔，其路徑如圖1中右邊虛線箭頭所示。

1.2 液力減振器的簡化數(shù)學(xué)模型

根據(jù)實(shí)際減振器的液力系統(tǒng)構(gòu)成和自身特點(diǎn)，建立流場的能量方程以及連續(xù)性方程，就可以解決減振器內(nèi)部的壓力與流量或流速，以及能量損失之間的關(guān)系［5］，從而預(yù)測減振器工作特性。如圖1所示，設(shè)定油液從復(fù)原腔Ⅰ流入壓縮腔Ⅱ的流量為Q1-2、從壓縮腔Ⅱ流入貯油腔Ⅲ的流量為Q2-3，反之為Q2-1和Q3-2。例如在減振器的拉伸行程，流量Q1-2分為4個部分:流經(jīng)流通閥片開口的流量Q1、活塞阻尼孔的流量Q2、復(fù)原節(jié)流閥片開槽的流量Q3和復(fù)原卸載閥開啟之后的流量Qres;Q3與Qres為并聯(lián)，再與Q1和Q2串聯(lián)。流量Q3-2分為兩部分:流經(jīng)補(bǔ)償常通孔的流量Q8和補(bǔ)償單向閥的流量Qequ。在壓縮行程中的流量情況以此類推。

(1)閥系的流量-壓差關(guān)系。ADAMS/Hydraulics采用簡化的Bernoulli方程計算通過節(jié)流孔的流量，它忽略了單位質(zhì)量液體的沿程機(jī)械能損失和勢能，保留了動能和壓力能［6］。

油液通過閥系節(jié)流口的流量與壓差的關(guān)系，一般可用式(2)描述:

式中:Q為容積流量;Cd=f(Re)為流量系數(shù)，與閥系的特征有關(guān)，須用雷諾數(shù)Re判別其流動狀態(tài)，Cd值為0.7左右［7］;A為流通面積，對于可變節(jié)流孔口，面積A與壓差Δp成指數(shù)關(guān)系;Δp為入口p1與出口p2的壓差;ρ為流體密度;n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，對于大部分減振器的節(jié)流口形式，一般取n=1.75～2即可較好地擬合有關(guān)的特性。

(2)閥系串、并聯(lián)的流量關(guān)系。在減振器液力系統(tǒng)中通常存在閥系的串聯(lián)或并聯(lián)，分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

對于閥系串聯(lián)，由式(2)及圖2(a)可得:

圖2 液力系統(tǒng)的閥系串、并聯(lián)示意圖

對于閥系并聯(lián)，由式(2)及圖2(b)可得:

(3)工作油液的連續(xù)方程。以減振器拉伸行程為例，復(fù)原腔和壓縮腔的流體連續(xù)方程分別為:

式中:VⅠ、VⅡ?yàn)閺?fù)原腔、壓縮腔的油液體積;PⅠ、PⅡ?yàn)閺?fù)原腔、壓縮腔的壓強(qiáng);K為體積彈性系數(shù);Ap為活塞面積;Ar為活塞桿截面積;˙x為活塞的運(yùn)動速度。

1.3 ADAMS環(huán)境下減振器的動力學(xué)建模

建立能夠預(yù)測減振器阻尼特性，并可集成于整車模型進(jìn)行動態(tài)仿真的虛擬樣機(jī)，需要反映其非線性動力學(xué)特性，能夠針對不同結(jié)構(gòu)靈活建模，并可對閥系設(shè)計參數(shù)進(jìn)行適時的調(diào)整。筆者借助于Hydraulics模塊，采用以集總參數(shù)為主、局部結(jié)合分布參數(shù)的方法，搭建其功能化的虛擬樣機(jī);通過定義各流體元件的基本參數(shù)及連接關(guān)系，ADAMS可以自動生成數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行求解。在ADAMS/View軟件環(huán)境下建立的該減振器基本機(jī)械系統(tǒng)和液力系統(tǒng)模型，如圖3所示。

建模時不僅要考慮油液的粘溫特性、可壓縮性和混入氣體的影響，還要考慮閥片的預(yù)緊力、變形特性及閥系節(jié)流特性，同時，機(jī)械摩擦力以及預(yù)充氣體壓力的影響也應(yīng)考慮。根據(jù)減振器建模的需要，進(jìn)行以下基本假設(shè):①各腔室容積內(nèi)的壓力瞬時均勻化，不考慮其分布差異;②活塞與工作缸之間、活塞桿的密封處不存在額外的油液泄露;③工作缸和活塞桿均定義為無質(zhì)量的剛體。

圖3 ADAMS環(huán)境下的減振器動力學(xué)模型

在剛體機(jī)構(gòu)的模型中，工作缸作為固定部件，活塞作為運(yùn)動部件，它們之間通過移動副進(jìn)行約束，通過改變移動副的有關(guān)屬性可以定義活塞與缸體之間的摩擦力。液壓回路模型通過調(diào)用ADAMS/Hydraulics模塊建立，包括雙作用油缸、活塞閥系、底閥閥系、油液和油箱(或蓄能器)5大部分，通過管路將其連接。油缸A11的活塞與剛體模型中的活塞固聯(lián)，油缸的缸體與機(jī)械模型中的工作缸固聯(lián)，以此形成液壓系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的耦合對接。

在液力系統(tǒng)模型中，活塞和底閥的孔A1、A3、A5、A7視為薄壁小孔，A2、A6視為細(xì)長孔，A4、A8視為厚壁小孔;以卸載閥來描述復(fù)原閥Ares和壓縮閥Acomp。以單向閥描述流通閥Aflow和補(bǔ)償閥Aequ。以流體元件A9來描述減振器油液;減振器的補(bǔ)償腔用油箱A10(或者蓄能器)與底閥相連來表達(dá)。各液壓元件的相應(yīng)參數(shù)可以根據(jù)圖紙、經(jīng)驗(yàn)、實(shí)際測試，以及有限元分析計算等方法獲得。

2 減振器阻尼特性仿真計算及模型驗(yàn)證

參照減振器試驗(yàn)規(guī)范［8］，在常溫23℃環(huán)境下，將減振器安裝于MTS849試驗(yàn)臺，底部夾持固定，在活塞連桿端施加位移激勵S=Asin(ωt)。其中:A為振幅，取25 mm;ω為圓頻率，分別取6、8、12、16、20、24;對應(yīng)的活塞速度 v=0.15、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60(m/s)。在不同激振頻率下，測試出該減振器的示功特性曲線，如圖4所示。

在ADAMS環(huán)境下，按照圖3所建立的減振器虛擬樣機(jī)模型，輸入主要液力元件的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行示功特性的仿真。仿真時間可按照t≥2π/ω計算，使其至少運(yùn)行一個多周期;為使數(shù)據(jù)更加精確，仿真步數(shù)取1000左右;求解器設(shè)置為Gstiff。仿真所得的示功特性曲線如圖5所示。

圖4 MTS設(shè)備實(shí)測的該減振器示功特性曲線

圖5 在ADAMS環(huán)境下仿真計算的示功曲線

在各種頻率工況下，該減振器的仿真與試驗(yàn)曲線極值的對比及誤差情況如表1所示。

表1 減振器仿真結(jié)果與實(shí)際測試的示功特性比較

可以看出:在中、低速段，不同激勵下的減振器示功特性曲線極值中，復(fù)原和壓縮行程的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常相近，較好地模擬出了該減振器的阻尼特性，誤差能夠控制在10%以內(nèi)。

3 自動化建模仿真系統(tǒng)的開發(fā)與參數(shù)調(diào)試

ADAMS作為虛擬樣機(jī)仿真的工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，也可以成為用戶進(jìn)行特定分析的二次開發(fā)平臺。ADAMS的二次開發(fā)功能包括View界面的用戶化設(shè)計，設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計變量，利用cmd語言實(shí)現(xiàn)自動建模和仿真控制，通過編制用戶子程序滿足某些特定需求等。

在上述建立減振器虛擬樣機(jī)以及對其阻尼特性仿真計算的基礎(chǔ)上，可以通過二次開發(fā)，定制減振器的參數(shù)化自動建模與仿真分析系統(tǒng)。如圖6所示，在ADAMS/View窗口，定制菜單和對話框?yàn)槿藱C(jī)交互界面，添加了用戶定制菜單absorber→Modeling，此為參數(shù)設(shè)置的入口;使用 Tools→Plugin Manager調(diào)出了Hydraulics模塊;編輯減振器閥系參數(shù)的對話框，包括主參數(shù)和詳細(xì)參數(shù)共兩個層次。設(shè)計人員通過窗口輸入某種減振器的基本設(shè)計參數(shù)及仿真測試參數(shù)之后，該系統(tǒng)能夠自動完成減振器的虛擬樣機(jī)參數(shù)化建模，并驅(qū)動模型進(jìn)行阻尼特性的仿真計算，然后在后處理界面繪制示功圖和速度特性圖等曲線。

圖6 減振器參數(shù)化自動建模仿真分析系統(tǒng)主界面

利用該減振器建模與仿真分析系統(tǒng)可以便捷地進(jìn)行閥系參數(shù)調(diào)試，其主要過程如下:

(1)將減振器設(shè)計所要求的目標(biāo)F(v)曲線與已有模型的曲線進(jìn)行對比，選定較為接近的特性曲線所對應(yīng)的減振器閥系結(jié)構(gòu)。

(2)調(diào)用該減振器的虛擬樣機(jī)模型，設(shè)置初步的參數(shù)，完成自動建模，再進(jìn)行阻尼特性的仿真計算。

(3)根據(jù)仿真所得的速度特性曲線，按照其近似3段線性的特征［9］，從低速區(qū)、中速區(qū)到高速區(qū)，逐級調(diào)整閥系參數(shù)［10］，直至得到基本符合要求的減振器F(v)特性曲線為止。

(4)閥系的設(shè)計參數(shù)確定下來后，再進(jìn)行物理樣機(jī)試制與臺架試驗(yàn)，對實(shí)物樣件進(jìn)行微調(diào)，從而使減振器設(shè)計樣件得到確認(rèn)。

4 結(jié)論

借助于ADAMS/Hydraulics模塊建立的液力減振器虛擬樣機(jī)，經(jīng)過阻尼特性仿真與試驗(yàn)的對比，在中、低速工作區(qū)特性得到了驗(yàn)證。通過定制用戶菜單及參數(shù)輸入界面，可以形成減振器自動化、參數(shù)化的建模與仿真分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠快速完成建模與仿真并針對阻尼特性的閥系調(diào)試參數(shù)。減振器參數(shù)化的虛擬樣機(jī)也可以直接集成于整車模型之中，以閥系參數(shù)作為設(shè)計變量進(jìn)行整車平順性的聯(lián)合仿真與優(yōu)化，有助于改善減振器的外特性，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能。

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