双筒减震器数学模型的建立与仿真测试张冰蔚;王笛【摘要】以双筒减震器为研究对象,建立了其在压缩和复原两个行程中所产生的阻尼力的参数化模型,用虚拟仪器技术LabVIEW对其在正弦激励作用下的外特性和阻尼特性曲线仿真,通过改变模型中的相关参数,分析了影响减震器特性的主要因素.搭建了减震器的液压测试平台,利用LabVIEW的DAQ采集卡采集减震器在工作过程中所受到的力与所产生相应的位移信号,经过适当的处理,得出了实际的外特性曲线,并将实验结果与仿真结果进行对比,发现两者能够较好地吻合,验证了该方法的可行性.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2009(023)003【总页数】5页(P225-229)【关键词】双筒式减震器;参数化模型;外特性【作者】张冰蔚;王笛【作者单位】江苏科技大学,机械工程学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,机械工程学院,江苏,镇江,212003【正文语种】中文【中图分类】U483;TP391;TP873减震器作为摩托车的重要组成部分,不仅用来支撑车体的质量,而且能够缓和因道路不平造成对车体的震动和冲击,其性能的好坏影响着摩托车的性能．现阶段等效参数化模型将减震器抽象为具有不同力学特性的物理元件的组合,模型中未考虑减震器的实际结构以及内部工作过程[1]．随着计算机技术的发展,采用计算机仿真的方法建立基于减震器参数的数学模型,可以较准确地确定减震器内部各参数对性能的影响,来改善其性能．本文利用虚拟仪器技术LabVIEW建立双筒减震器等效化的数学模型,通过分析其在正弦激励下压缩和复原两个行程的阻尼力情况,寻找适宜参数来指导减震器的实际生产制造．1 数学模型的建立1.1 工作原理当减震器在压缩行程时活塞下移,减震器油液从压缩室流入复原室,同时有相当于减震器中活塞杆体积大小的油液从压缩室流入补偿室．当减震器在复原行程时,活塞上移,油液从复原室流入压缩室,为了补偿复原室中活塞杆占用的体积,于是有与活塞杆同等体积的油液从补偿室流入压缩室．复原室和压缩室的横截面积不同以及活塞上阀口开启大小不同产生两端压力差的变化使得减震器在压缩和复原行程产生大小不同的阻尼力．当减震器油液通过活塞或是底阀上的固定和可变节流孔时,会在节流孔两端出现压力差,从而产生阻尼力[2]．其工作原理见图1．图1 双筒减震器工作原理示意图Fig.1 Working principle of double cylindervibration damper1.2 参数化测试模型要建立完全精确的减振器模型是非常复杂和困难的,在保证模型足够精度的前提下作以下假设[3]:① 同一瞬时减震器各腔室内压力处处相等;② 活塞与缸筒、活塞杆与导套之间没有液体泄漏;③ 油液的体积弹性模量不变,且不计油液压力变化引起结构件的弹性变形;④ 在一个压缩、复原工作循环内,减振器的油液温度保持不变;⑤ 不计油液流动产生的惯性和势能变化的影响.图2 减震器结构示意简图Fig.2 Structure for double cylinder vibration damper本文对减震器结构简化后,建立了简化的参数化测试模型．减震器结构示意简图如图2．其阻尼器参数(仿真面板中参数)如下：A1,A2,A3,A4分别为1,2,3,4阻尼孔的截面积；Cd1,Cd2,Cd3,Cd4分别为1,2,3,4阻尼孔的流量系数；r1,r2为双筒外筒的外径和内径；hpre为自由状态时外筒气柱长度；ρ为油液密度；μ为动力系数；n为阻尼孔数目；L为阻尼孔厚；sD为活塞截面积；sd为活塞杆截面积；p0为标准大气压强；Fw为综合阻尼力估计值.在测试模型中,p1为复原腔油液压强,p2为压缩腔油液压强,p3为贮油腔气体压强．减震器在自由状态时,假设压强p3为一个标准大气压,且假设装有理想气体．Q23,Q21,Q12,Q32 分别是压缩腔到贮油腔的流量、压缩腔到复原腔的流量、复原腔到压缩腔的流量、贮油腔到压缩腔的流量;V1，V2分别为复原腔内腔体积和压缩腔内腔体积.活塞下移过程中,即在压缩行程时,A1,A3打开,此时从压缩腔到贮油腔的流量(1)式中，x(t)为活塞运动的位移,为活塞运动的速度.从压缩腔流到复原腔的流量(2)当油液流经阻尼孔时,将产生节流损失[4](3)(4)式中，Δp1,Δp2 分别为腔与腔之间由于节流损失产生的压力差．又因为油液在阻尼孔中,由于粘性的影响,将产生层流损失[4](5)(6)式中，分别为腔与腔之间由于层流损失产生的压力差．所以(7)(8)由式(7，8)得(9)阻尼力为F=p2 sD+p1(sD-sd)(10)代入并整理得压缩阻尼力Fy为(11)减震器在自由状态时,设封闭气体为理想气体,压强为一个标准大气压p0．压缩或拉伸时由气体状态方程可知pV的乘积为恒定值．所以p0 V1=p3 V2(12)推导可以得出(13)代入式(11)得(14)同理，活塞上移过程中,可得复原阻尼力Ff为(15)另外,系统中还存在着与位移相关的附加综合阻尼力(含蠕变阻力和结构阻尼)．当相对位移较大时介质耦合将产生附加综合阻尼力,将其归为结构的结合部存在滑动摩擦F2=Fw x(t)(16)与系统相关的摩擦阻尼力[5]为(17)因此,总的阻尼力可表示为F=Fy/f+F2+F3(18)从而得出的复原阻尼力和压缩阻尼力的公式2 基于虚拟仪器的仿真系统LabVIEW是图形化的编程语言和开发环境,是标准的数据采集和仪器控制软件,利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器[6]．本文利用该软件对所得出的数学模型进行参数化仿真．激励采用幅值为25 mm,频率为3.18 Hz的正弦信号,采样一个周期,模拟出该模型的的示功图及摩擦力曲线(图3)．图3 双筒减震器阻尼力模型仿真系统Fig.3 Simulation system of double-shock absorber damping force model利用LabVIEW软件对减震器阻尼特性进行模拟,分别绘出了示功图(力-位移)和速度特性曲线(力-速度)．考虑液压减震器的阻尼特性是以液体的流体特性为基础,一般分为复原和压缩两种工况,程序编制时两种工况需要采用不同的系数．从图3中可以看出:示功图曲线内面积为一个循环内阻尼力所做的功,理想的纯阻尼力液压减震器其示功图饱满端正;速度特性图为一条折线．如果考虑减震器中弹性阻力和摩擦力,则示功曲线产生倾斜且两边有竖线;速度特性曲线成两段“U”型,且k越大,开口越大．摩擦阻力在整个循环进程中一直存在,两头为静摩擦力,中间为动摩擦力[7]．从图3中可以看出静摩擦力大于动摩擦力．由于摩擦阻力的存在使得示功曲线两头产生了突变,说明摩擦力在摩托车减震器中是不可忽视的因素．3 实验研究与测试数据分析3.1 试验系统设计图4 试验台总体结构框图Fig.4 Total structure of test-bed该试验系统采用液压缸产生正弦激励,驱动减振器,用装在减振器上的力传感器来获得减振器的阻尼力,用位移传感器来获得减振器活塞杆与缸筒的相对运动位移,通过信号调理模块,用数据采集系统采集力信号和位移信号,送入计算机内分析和显示,得出示功图和速度特性曲线．此数据采集系统采用带有数据采集卡PXI-6251的PXI 机箱及LabVIEW8.5所开发的测试软件．数据采集卡的接口端子板位于PXI机箱外部．3.2 测试数据分析操作试验台按行程为50mm、速度为0.5m/s加振,在往复运动3～5次内采样,可得示功特性图和速度特性曲线(图5)．图5 某双筒减振器外特性测试图Fig.5 Measured external features of a double-shockabsorber damping比较仿真结果与试验结果可以发现，其中存在失真,失真可能是由于未考虑油的可压缩性、环境温度与系统相关的摩擦阻尼计算误差、试验设备造成的误差及试验本身因外界干扰引起的误差.在以后建立模型时应进一步考虑其它非线性因素,增加对阀系尺寸影响因素与外界干扰因素的考虑,从而可建立更加真实准确的模型．示功特性和阻尼特性是评价减震器性能的重要标准[8]．示功特性是指减震器阻尼力-位移(F-S)之间的关系,它表示减震器在压缩和复原两个行程中阻尼变化的特性．阻尼特性是指减震器的阻力与缸筒相对活塞杆的运动速度(F-V)之间的关系特性,它反映了减震器阻尼力随着振动速度变化的规律．减震器的示功特性与阻尼特性的测试条件为[9]:使减震器置于某一位移及频率的条件下,采用正弦激励的方式,让减震器活塞相对于工作缸做往复谐波运动．从模拟曲线可以看出,由所列模型得到的示功图与标准规定的图形大体一致,复原阻力大于压缩阻力,50 mm行程力大约260 N,和文献[10]一致,说明所建模型基本上符合减震器的结构特征．4 结论1) 结合流体理论和弹性理论建立了摩托车双筒减振器的参数化模型,并用LabVIEW 软件进行外特性仿真和分析,采用液压缸的实验系统对减震器进行测试,经过对比发现，仿真结果与测试结果能较好的吻合,验证了模型的正确性和合理性,为双筒减振器的设计提供了依据.2) 从实验分析可以发现,引起减振器性能显著变化的因素有油液粘度及减震器的物理结构．阻尼孔直径是影响减振器阻尼特性的最敏感因素,阻尼孔直径增大则阻尼力减小,反之阻尼力增大.3) 最大复原阻尼力大于最大压缩阻尼力,因此要为压缩和复原行程配置合适的阀系.4) 仿真结果与试验结果比较存在的失真可能是由未考虑油的可压缩性、环境温度与系统相关的摩擦阻尼计算误差及试验本身的误差引起,进一步考虑其它非线性因素,建立更加真实准确的模型有待进一步研究．参考文献(References)[1] 单春贤,仲敏波,吉恒松,等. 摩托车筒式减震器液压阻尼特性的模拟与仿真[J].江苏大学学报：自然科学版,2007，28(1):25-28.Shan Chunxian,Zhong Minbo,Ji Hengsong, et al.Simulation of hydraulic damping characteristic for motorcycles cylindrical shock absorber[J]. 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