减振器阻尼比的确定

减振器阻尼比的确定 2010年第12期 (总第233期) 农业装备与车辆 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING No.1220lO (TotMly233) doi:10.3969/j_issn.1673—3142.2010.12.008 减振器阻尼比的确定 顾信忠,张铁山 (南京理T大学机械工程学院,江苏南京210094) 摘要:基于2自由度悬架模型,研究减振器阻尼对平顺性的影响,进而确定阻尼比.根据系统的微分方程,用 Simulink建立了零均值白噪声路面速度谱输入的非线性悬架系统模型,进行重复多次仿真得出系统响应量的数 值序列.计算到平顺性指标.绘制其等值线图,可以观测压缩行程和复原行程阻尼对平顺性的影响,从而确定合 适的阻尼. 关键词:非线性悬架系统;Simulink;平顺性;减振器 中图分类号:U463.82;TP311.13文献标识码:A文章编号:1673—3142(2010)12—0028—04 DeterminationofDampingRatioofAutomotiveShockAbsorbers GUXin-zhong,ZHANGTie-shan (SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjin g210094,China) Abstract:TheinfluenceofshockabsorberSdampingratioonrideina2DOFmodelisstudied,f orthepurposeoffindingoutthe bestrelativedampingcoefficients.Accordingtothedifferentialequationsofthesystem.anon linearsuspensionsystemmodelwith zeromeanwhitenoisevelocityinputisbuiltwithSimulink.Thenumericalresponsematrixes ofthesystemareobtainedbyrepeatof simulation.Therideindexesarecalculatedandplotted,aimatshowingtheinfluenceofdampi ngratioonride.Thenwecan determinedampingratioseasily. Keywords:nonlinearsuspensionsystem;Simulink;rid.;shockabsorbers 1引言 减振器是悬架系统的重要部件,其参数选择的 合理性直接影响汽车的行驶平顺性和稳定性.一些 悬架设计的文献中仅给出阻尼选取的大致范围,设 计过程中减振器参数的选取主要凭借设计人员的 经验作大致的计算.获得压缩行程和复原行程的平 均阻尼比,然后按照一定比例(0.25—0.5)【lJ分别确 定压缩行程和复原行程的阻尼比,往往取不到最 佳的阻尼值. 国内很多学者在这方面作了积极的研究.文 献『2—4]是基于线性模型,分析了悬架阻尼对车身 加速度,相对动载,动挠度等响应量的均方根值的 影响.文献『5]将悬架简化成两个自由度的振动系 统.采用改进的非高斯闭合法计算路面谱激励下 车身振动加速度均方根值,车轮与路面间相对动 载及悬架的穿越频率,在此基础上提出对汽车悬 架非线性阻尼进行优化设计的方法. 收稿日期:2010—10—22 作者简介:顾信忠(1980一),男,硕士研究生,研究方向:机电液一 体化. 一 28一 为了兼顾乘坐舒适性和行驶安全性,减振器 在压缩和复原的过程中的阻尼系数并不相等,即 减振器具有非线性阻尼特性,所以悬架系统是非 线性系统,要得到其响应量解析解是相当困难的. 本文基于Simulink建立了非线性阻尼特性的两自 由度悬架模型.通过仿真得到系统响应的数值解, 既可以减少以线性阻尼近似计算带来的误差,又 避免文献『5]中复杂的公式计算.结合Matlab编 写的程序进行多次重复仿真,可以观测压缩行程 和复原行程的阻尼对平顺性的影响. 2悬架系统的模型建立 2.1系统运动方程 本文采用常用的1/4车辆的2自由度模型, 如图l所示 图1自由度悬架模型 顾信忠等:减振器阻尼比的确定 根据牛顿第二定律可以得到系统微分方程: Jm2z'2+k(z1)+c(z2-z1)=o,1, e,nIl—k(Z2--Z1)一c(z2-z1)+Il}(zl-q)=0 其中m.——非簧载质量;m厂簧载质量(车身 质量;——悬架刚度;广一轮胎刚度;c——减振 器阻尼系数. 2.2路面输入模型的建立 为了对汽车进行时域仿真,需要建立路面激 励的时域模型.由参考文献[5]知,车轮所受的路 面激励可描述为: (t):(,)dt(2) 其中g(f)——路面激励;a——由路面等级确定 的常数,对于C级路面,仅=0.1303m,;(,)——白 噪声.其协方差满足: R(.r)=E[(,)(,)]=Q(t-~-) f1t----'/" 6(){0?7-(3) Q=2otvp 其中时间常数;由路面等级所确定 的常数,对C级路面,p=0.006m.在Simulink中 搭建如图2所示模型,即可模拟得到车轮在C级 路面上的输入,设汽车以v=3Om/s行驶时,输入信 号如图3所示. 图2路面输入模型 . I.I!.懒 图3路面输入的仿真信号 2.3非线性阻尼子系统的建立 为了模拟减振器的非线性阻尼特性.本文采用 两段线性函数来近似,其阻尼力可以表示为: : Z2--Z1)=2',(-)2--Z'|<(4) 【c2__z1)=2'后m2(z2-z1)i2-zl>/0 其中c,.——压缩行程的阻尼系数和阻尼比; cf,复原行程的阻尼系数和阻尼比.子系统以 相对速度r输入,使用if模块来判断其正负,以 确定减振器是工作在压缩行程还是复原行程,分 别乘以不同的阻尼系数c或c,.则阻尼系统输出 分段线性函数的阻尼力.搭建的系统如图4所示. Subsystem1 图4非线性阻尼模型 2.4悬架模型的建立 根据上述的运动微分方程,路面输入激励,非 线性阻尼子系统.建立2自由度悬架系统模型如 图5所示.系统中Scope,Scopel,Scope2分别用于 取出车身垂直加速度:信号,相对动载荷信 号和悬架动挠度信号[. 图5悬架系统振动模型 为了研究压缩行程和复原行程的阻尼对平顺 性的影响,将,视为两个独立的变量,设压缩行 程和复原行程的阻尼比的变化范围为0.05—0.5,将 其划成若干等分,从workspace分别对,进行多 次赋值,每进行一次赋值系统仿真一次,再将仿真 结果输出至workspace.得到系统响应量序列.显然 仿真的次数越多,越能精确地反应实际情况. 3平顺性计算 车身加速度是评价汽车平顺性的主要指标, 用以衡量乘坐舒适性;悬架动挠度与悬架上下 行程的限位块设置有关.配合不当会增加悬架撞 击限位块的机率.使平顺性变坏;车轮与路面间的 动载荷影响路面与车轮间的附着效果,从而 影响车辆的行驶安全性.进行平顺性分析时需要 计算这三个量的均方根. 一 29— 2019年第l2期农业装备与车辆工程 以路面激励的时域信号输人,仿真得到是系 统的响应量z:(),厂d(f),(t)的时域信号序列,且 都是随机信号.通过傅立叶变换将其转化成频域 信号(吐,),(?),().对于单轮输人系统而 言,频域响应量乘以自身共轭向量序列再除以频 率带宽,当频带宽度足够小时,可以得到各响应量 的功率密度,即: ((5)G;:()二(5) 同理,可以计算(),G().由随机振动 理论可知,路面随机激励下,车身加速度,悬架动 挠度及相对动载荷取正负的概率相同.均值为零. 因此方差就等于均方值,其值可由功率谱密度对 频率积分求得.即: ;:=fGj:(?)(6) 同样可以计算出2.均方值的积分上 限为+...但悬架系统的响应量的能量密度在高频 范围内非常小,文中取积分上限为o~=500rad/s,以 便于数值计算. 4算例 以某微型汽车前悬架系统模型为例.非簧载 质量m=27kg,簧载质量m=270kg,悬架刚度= 10650N/m,轮胎刚度k,=lO6590N/m.取压缩复原 行程阻尼比=?(0.05,0.5),即: Cy=2~,/Ii}m2?[169.573,1695.73](N?s/m), cy--2~fkV'kmz?[169.573,1695.73](N?s/m). 将区间等分为90份,得到91个阻尼系数值, 进行91x91次仿真,得到8281个响应量均方值, 绘制响应值的变化特性图. 5分析 1)开始时.随着阻尼的增大.低频区车身垂直 加速度迅速减小;当阻尼达到一定值后,虽然低频 区的加速度幅值仍在减小,但是高频区的加速度 增大更快.所以车身垂直加速度的均方根值先减 小后增大,如图6所示. 在减振器复原行程(被拉伸的过程)中,大阻 尼可以将更多的非簧载质量m等效到车身质量 m上,有利于减少车身的垂直加速度,换言之就 一 30一 摊鞲_仃栏阻尼比 图6车身垂直加速度的均方根值 是有更大的阻尼力阻止车身向上运动:在减振器 压缩行程中,大阻尼则将更多的车身质量m等效 到非簧载质量m(即悬架质量)上,悬架通过轮胎 与路面接触.因为轮胎刚度远大于悬架刚度,所以 此时车身减速度变大.压缩和复原行程的阻尼对 车身的加速度影响并不相同,表现在图上为等值 线不关于左下右上对角线对称. 2)减振器阻尼增大,耗散的能量会增加,悬架 动挠度在车身和悬架共振区的峰值都降低,因而 动挠度的均方根值一直降低. 无论悬架向上还是向下运动,阻尼耗散的能 量都与振幅的平方成正比,压缩行程和复原行程 阻尼对动挠度的影响相同.等值线关于左下右上 对角线对称,如图7所示. 鞴仃崔阻比 图7悬架动挠度的均方根值 3)减振器和悬架弹簧并联安装,当阻尼增大 时,悬架运动会受到更大的阻力,绝对位移量受到 限制.相对于车身位移量也减小,从而相对动载荷 值也减小(相对动载荷等于相对位移量与悬架刚 度之积),如图8所示. 可见.平顺性的参数是相互关联的,若选取较 大的阻尼.悬架动挠度快速减小,路面输入的振动 可以快速衰减.但是车身的垂直加速度不一定是 最小值,可能会把较大的路面冲击传到车身;若选 顾信忠等:减振器阻尼比的确定2010年l2月 仃崔15tt~E比 图8相对动载荷的均方根值 取较小的阻尼,悬架振动衰减缓慢,路面冲击引起 的振动会持续很长时间,乘员感到不舒服.且小阻 尼时悬架动挠度增大,悬架会频繁撞击限位块,影 响车辆的平顺性;为了安全稳定行驶,要尽量减少 轮胎脱离路面的机率,当相对动载荷均方根值 时,车轮脱离路面的概率为0.15%[. 为了综合评价悬架的平顺性,将阻尼变化范 围分成9个区域,各参数特性如表1. 表1相对阻尼对平顺性的影响 阻尼比囊羹羹辜羹睾0?O5,0?2相对动载荷高相对动载荷中相对动载荷中 阻尼比辜萋军0?2,O.35?相对动载荷中相对动载荷中相对动载荷低 阻尼比囊蓑辜熹0.35,O?5相对动载荷中相对动载荷低相对动载荷低 由表1可见,复原行程阻尼比在0.2,0.5范围 内.压缩行程阻尼比在0.2,0.35范围内相对比较 合理.. 需要指出的是,因为算例中的平顺性参数没 有考虑频率加权,所以均稍大于参考值. 6结论 通过simulink仿真得到响应量的时域信号, 编程计算平顺性指标,然后根据平顺性综合选取 阻尼值.设计者可以很方便地选择满足不同使用 要求的悬架阻尼.为悬架设计提供理论指导.若建 立更多自由度的模型.可以直接计算出加权加速 度均方根值或加权振级,用以评价乘坐舒适性. 参考文献 [1]吉林工业大学汽车教研室.汽车设计[M].机械工业出版社, 1981. [2]赵六奇,易庆红.车辆悬架与减振器阻尼的匹配研究[J].兵工 坦克装甲车与发动机分册,1994,(1):29—36 [3]张振华,董明明.2自由度车辆悬架线线性模型最佳阻尼比的 解析分析[J].北京理工大学,2008,12(28):1057—1059. [4]史广奎,李槟,孟宪民.汽车设计中减振器阻尼比的确定[J].汽 车工程,1995,6(17):367—373. [5]毕凤荣,郝志勇,谢庆森等.汽车悬架系统非线性阻尼的优化 设计[J],天津大学,2002,1(35):78—82 [6]倪晋尚0气车悬架平顺性优化及仿真试验分析[D],南京:南京 航空航天大学.2006. [7]赵玲.基于SIMULINK的汽车悬架系统动态仿真LJ],机械, 2002,增刊(29):11—13. 东风农机公司提前完成全年目标任务 2010年前1O个月,东风农机共完成手拖 65290台,轮拖36700台,实现销售收入15.1亿元, 出口创汇4694万美元,利润9364万元,分别比去 年同期增长18.3%,21.2%,26%,51.7%和72.7%,已 经超过去年全年指标.预计全年可产销手拖7.5 万台,轮拖4.1万台,实现销售收入l6.5亿元,出 口创汇5400万美元. 今年上半年,由于国补 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 迟迟不到位,使农 机市场启动迟缓.下半年企业又遇到了持续高温 和节能限电等特殊困难的影响.面对风云变幻的 市场形势,东风农机紧紧依托广大经销商,紧贴市 场操作,千方百计做好国补,采取一地一策,一品 一 策,促进有效销售,压降经营风险,争取到了主 动权.在上半年大部分市场尚未启动的情况下,争 取到了更多资金回笼.同时有效组合优势资源,加 大有效产出.通过在3,5月开展劳动竞赛,充分发 挥干部员工的积极性和创造性.最大限度地挖掘 潜力,加班加点,抓有效产出;在八九月份面对持 续高温和节能限电时精心组织产出,在有限的工 作时间内千方百计提高效率.使东风农机的轮拖 月产能力迈上了新台阶.顺利完成了各项生产经 营目标. 一 31—