阻尼連續(xù)可調減振器性能研究

丁二名 唐志民 高 松 王海東 汪海波

(上海匯眾汽車制造有限公司 上海 200122)

0 前言

近年來，隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，電控懸架技術作為中高端車型的一大銷售亮點被各大主機廠爭相推廣，并在國內外市場中獲得了極大的反響。阻尼可調減振器是電控懸架系統(tǒng)的關鍵零部件，對汽車懸架的減振性能和控制能力起到至關重要的影響[1-2]?？烧{阻尼減振器包括雙模/四模減振器[3-4]、磁流變液減振器[5]、阻尼連續(xù)可調減振器(即CDC減振器)[6]等幾種類型。其中，CDC減振器是一種能夠實現(xiàn)阻尼力連續(xù)無級調節(jié)的減振器，它主要是在傳統(tǒng)減振器的阻尼回路上串聯(lián)或并聯(lián)一比例電磁閥(即阻尼調節(jié)閥)，通過給電磁閥提供不同的控制電流來實現(xiàn)阻尼力的調節(jié)[7-8]。由于CDC減振器具有優(yōu)越的性能和可控的制造成本，它逐漸成為當前市場上汽車電控懸架的主流產品，如德國ZF公司生產的CDC減振器已成功應用在君威GS車型上。

目前，國外對CDC減振器技術的開發(fā)與應用已逐漸成熟，而國內尚且沒有哪家自主企業(yè)能夠提供整套的CDC減振器解決方案，多數(shù)整車廠出于對質量的考慮也多傾向于進口件。CDC減振器在國內市場中的這種市場現(xiàn)狀已成為目前我國電控懸架系統(tǒng)進一步發(fā)展的主要壁壘之一。

為研究某電磁閥外置式CDC減振器的減振性能，對其結構組成及工作機理進行剖析，利用臺架試驗的方法獲得該減振器在不同控制電流下的阻尼特性曲線，并對其阻尼調節(jié)范圍和變化特點進行分析。試驗結果不僅能夠評估該CDC減振器的阻尼衰減能力，還可為電控懸架系統(tǒng)的調校與精確控制提供前期的技術支持。

1 CDC減振器組成及工作原理

1.1 結構組成

本文所研究的是一種電磁閥外置式的CDC減振器，主要由減振器本體和阻尼調節(jié)閥(即電磁閥)兩部分組成，其結構組成及工作原理如圖1所示。與常規(guī)減振器本體類似，該減振器本體中也包括采用閥片式結構的活塞閥(復原閥+流通閥)和底閥(壓縮閥+補償閥)兩大閥系，不同的是它由三個環(huán)形筒組成，即外筒、中間筒和內筒。三個環(huán)形筒、活塞閥和底閥配合后將減振器內部分為復原腔、壓縮腔和補償腔三個腔室。其中，復原腔中的油液能夠通過內筒上端的孔道自由流入中間筒與內筒之間形成的環(huán)形間隙中，并直接與阻尼調節(jié)閥的進口連通。阻尼調節(jié)閥的出口端通過油道與補償腔相通。補償腔主要是指底閥下端和中間筒與外筒之間的環(huán)形間隙兩部分。

圖1 CDC減振器結構簡圖

1.2 工作過程

該CDC減振器具體的工作過程如下：當處于復原行程時，活塞桿相對減振筒上移，復原腔中的油壓上升，油液由2路被擠壓出去，一路通過活塞上的復原閥進入壓縮腔，另一路通過過流孔流入阻尼調節(jié)閥后再進入補償腔；補償腔的油液在壓差的作用下會通過底閥上的補償流道進入壓縮腔；當處于壓縮行程時，壓縮腔的油液也分2路被擠壓出去，一路通過壓縮閥流入補償腔，另一路通過流通閥進入復原腔，并進一步的流經阻尼調節(jié)閥再回到補償腔。可見，不論是復原行程還是壓縮行程，阻尼調節(jié)閥均會參與到減振器的阻尼調節(jié)過程中，實現(xiàn)車輪上跳或下跳兩種工況下的舒適度調節(jié)。

1.3 電磁閥調節(jié)原理

CDC減振器阻尼調節(jié)閥通常采用的是兩級或三級的比例型電磁驅動溢流閥，如圖2所示為所研究CDC減振器電磁閥拆解圖及等效簡圖。它的工作過程如下：當電磁線圈未通電時，在彈簧1的作用下先導閥芯堵住主閥體的阻尼孔H，此時先導節(jié)流口的流量Qpi幾乎為零，主閥彈簧腔壓力pz1和主閥控制腔的壓力pz2相等，在彈簧力的作用下主閥芯被頂在閥體上，沒有油液流過流過電磁閥，即電磁閥不參與阻尼力的形成；當電磁線圈通電流時，先導閥芯與主閥芯發(fā)生相對位移，主閥控制腔的壓力pz2的一部分壓力被卸荷掉，在上下壓力差的作用下，主閥芯上移，單向閥片發(fā)生上移變形，油液流過單向閥片后，分別從阻尼孔H和主閥芯端面縫隙溢流掉。先導閥芯的位移隨著電磁線圈通電大小呈比例變化，決定著先導閥溢流量Qpv，即控制著主閥控制腔的背壓，進一步地決定著主閥芯的開度和壓降，從而形成連續(xù)可控的阻尼力。

1.4 阻尼建模

減振器的建模過程主要是基于流體力學的相關知識，且壓縮行程和復原行程的建模過程是相似的[9-10]，此處僅以復原行程為例進行說明。圖3所示為該CDC減振器復原行程對應的油液流動圖。對于CDC減振器的阻尼力計算公式可表示為：

Ff=(Ap-Ar)p1-App2

(1)

式中，Ap和Ar分別為活塞和活塞桿的有效面積，m2；p1和p2為復原腔和壓縮腔的壓力，Pa。

在激振速度vf作用下，CDC減振器中復原腔流出流量Q1和壓縮腔流入流量Q2變化可分別表示為[8]：

(a) 拆解圖

(b) 等效簡圖

圖3 CDC減振器復原行程等效液壓原理圖

式中，vf為活塞的相對運動速度，m/s；Ap和Ar分別為活塞和活塞桿的有效面積，m2。

復原閥和補償閥的結構及建模過程與常規(guī)減振器相似，分為開閥前和開閥后兩種工作狀態(tài)，相應的流量壓差關系為：

(3)

式中，Cd為閥口流量系數(shù)；dfg和dbg為復原閥和補償閥的固定節(jié)流口直徑，m；dfv和dbv為復原閥片和補償閥片外半徑，m；wf和wb為開閥后復原閥片和補償閥片的變形量，m。

油液流過單向閥片后，再經主閥和先導閥流入補償腔，故有：

(4)

式中，dcv為單向閥片的外半徑，m；z為單向閥片的開度，m。

阻尼孔H、主閥和先導閥的流量方程分別為：

(5)

(6)

(7)

式中，dmv和dpv分別為主閥和先導閥前阻尼孔H的有效直徑，m；y和x分別為主閥芯和先導閥芯的位移，m。

聯(lián)立上述各式，通過數(shù)學工具matlab軟件可實現(xiàn)各腔油壓的求解，代入式可得復原行程阻尼力與激振速度vf(或位移S)的關系。

2 電流-阻尼特性試驗

2.1 試驗目的

本次試驗的主要目的是獲得該款CDC減振器在不同控制電流下的阻尼特性曲線，找出該CDC減振器的阻尼調節(jié)范圍和阻尼變化特點，為電控懸架的ECU單元調校和整車試驗提供參考依據(jù)。試驗前已單獨測定了該CDC減振器電磁線圈的電流調節(jié)范圍為0～1.75 A。

2.2 試驗臺架及過程

該電控CDC減振器阻尼特性測試臺架實物模型和信號傳遞過程如圖4和5所示。

圖4 CDC減振器測試臺架及組成

圖5 CDC減振器測試系統(tǒng)組成

測試臺架主要分為2個部分組成：示功特性測試系統(tǒng)和阻尼調節(jié)閥電流測控系統(tǒng)。兩者分別獨立工作以簡化系統(tǒng)和減小信號間的相關干擾。其中，示功特性采用的是電液伺服式振動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)伺服電流、阻尼力和位移等信號的輸入與輸出，而電流測控系統(tǒng)是由Simulink上位機+工控機+采集卡模塊組成，主要為阻尼調節(jié)閥提供穩(wěn)定的電流信號并實時采集實際的電流值。電流源模塊采用的是0-3 A的直流穩(wěn)壓電源。

試驗中設定正弦激勵信號的振幅為S=±25 mm，最大激振速度為v=0.524 m/s，先進行3 min試件的預加載實驗[11]。然后控制電流I從0 A開始，每隔0.25 A進行一次阻尼力值的測定，對結果進行保存，直至將控制電流I值增加至1.75 A后停止實驗。

2.3 結果分析

對不同控制電流下的阻尼力進行測試，得到其對應的示功圖如圖5所示，其中零線以上為復原行程阻尼力，零線以下為壓縮行程阻尼力。結果表明：

(1) 試驗曲線連續(xù)變化無畸變現(xiàn)象，復原行程和壓縮行程阻尼力調節(jié)范圍分別約為754～2825 N和917～2430 N；隨著控制電流的增加，復原和壓縮行程的阻尼力均呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。

(2) 電磁閥不參與工作時，阻尼力與速度v呈現(xiàn)出明顯的非線性，當控制電流逐漸增大時，阻尼-速度曲線逐漸被拉直，即阻尼力與速度的關系趨于線性比例關系。這是因為電磁閥不工作時阻尼力主要由減振筒中的復原閥和壓縮閥形成，存在開閥前和開閥后兩種狀態(tài)；當電磁閥參與工作時，其中的閥口開度變大并逐漸在阻尼形成過程中起到主導作用，此時復原閥片和壓縮閥的幾乎不再參與阻尼力的形成。

(3) 當控制電流小于0.75 A時該減振器的阻尼力值較未通電時的變化均小于10%，這主要是因為閥芯開始移動時需求克服一定的油液粘性摩擦力。當控制電流大于1.5 A后阻尼力值也不再有較為明顯的改變，即說明該阻尼調節(jié)閥控制電流的有效范圍為0.75～1.5 A。

(a) 阻尼-位移特性曲線

(b) 阻尼-速度特性曲線

3 結論

本文對一種電磁閥外置式CDC減振器阻尼原理進行了理論研究，通過試驗的方法獲得了該CDC減振器的實際阻尼調節(jié)范圍和調節(jié)特點。結果表明：復原行程和壓縮行程阻尼力可調范圍分別約為754～2825 N和917～2430 N，阻尼調節(jié)閥控制電流的有效范圍為0.75～1.5 A?？刂齐娏鞯脑黾訒棺枘崃χ挡粩鄿p小，且使阻尼力與速度的關系由非線性趨于線性轉換。