双筒阀片型减振器的阻尼特性及动力学研究

摘要

与小汽车、客车和载重车相比，农用车辆、林业车辆、拖拉机和部分工程车辆等都存在着剧烈的振动现象。随着车辆行驶速度的逐渐提高，这一问题愈加的突出，同时随着车辆向着大型化、高速化、舒适性方向发展，车辆的舒适性已经成为消费者关注的主要内容之一。研究表明，减振器是车辆进行振动的衰减的重要元件。基于车辆对减振器阻尼特性的要求，结合当前国内外在减振器方面的研究现状，选用减振器的主流使用型号S30型阀片式减振器，研制了可拆卸式阻尼可调减振器以及试验台架。对减振器的结构进行深入分析，基于流体力学理论，建立了减振器的理论数学模型。对减振器的活塞阀系节流阀片的变形进行理论分析，采用有限元方法和流固耦合计算方法对节流阀片的变形进行深入研究，对小挠度理论中，减振器节流阀片计算公式中的阀片变形系数进行了修正。选择CAISIM软件，分析减振器复原阻尼大小、阻尼特性的非对称性和减振器阻尼的不同数学模型，对汽车动力学的影响，主要完成的工作和取得的结论归纳如下:
　　1、减振器内特性的阻尼特性研究。在分析减振器阻尼结构的基础上，建立减振器阻尼数学模型。设计并研制了可拆卸式的阻尼可调减振器，对影响减振器阻尼特性的活塞节流孔直径、节流阀片的片数、限位阀的外径和旁通可调节节流孔直径进行了详细的试验研究。研究结果表明，活塞节流孔直径、限位阀的外径和旁通可调节节流孔直径对减振器阻尼特性的影响较大。其中，当节流阀片的数量超过一定范围时，其数量的增加，对减振器阻尼的影响较小。限位阀的外径的调整，是对减振器阻尼调节影响最大。旁通节流孔直径在0～φ3mm范围内，复原阻尼力减小幅度最大，在φ3mm～φ4mm范围内次之，当旁通孔直径大于φ4 mm时，其阻尼力变化不再明显。
　　2、采用有限元方法，对减振器节流阀片变形量的研究。根据减振器的工作过程，结合减振器实体结构尺寸和试验结果，对减振器节流阀片的变形计算进行深入分析。根据减振器实体建立减振器单片阀片与叠加阀片的有限元模型，采用ANSYS平台的STRUCTURE模块，对减振器阀片的变形大小进行细致研究。研究结果表明，采用小挠度理论及大挠度理论对减振器阀片的变形量进行计算都有其局限性。定义新的变形系数:“Cn”，对减振器阀片的变形计算公式中的阀片变形系数进行修正。
　　3、采用流固耦合方法，对减振器节流阀片变形量的研究。基于流体力学和固体力学等相关理论，建立减振器节流阀片变形计算的流固耦合模型。运用ANSYS平台的STRUCTURE模块、FLUENT模块和SYSTEM COUPLING模块，对减振器节流阀片的变形进行单向流固耦合和双向流固耦合仿真，进一步的分析了阀片在流体载荷作用下的变形规律。并对三种不同方法计算减振器阀片变形的大小进行比较分析。研究结果表明，采用有限元法对阀片变形的计算数值较流固耦合计算的数值最大。
　　4、减振器阻尼特性对汽车动力学特性影响规律的研究。基于CARSIM软件，开发了减振器阻尼特性对汽车动力学影响的模拟试验程序，选取四种不同的典型工况，分别进行了减振器复原阻尼的大小、减振器阻尼特性的非对称性和减振器不同数学模型对汽车动力学的影响。研究结果表明，通过阶跃输入的路况时（小障碍和大坡），减振器的复原阻尼力大小对车辆的振动影响较大。随着复原阻尼力的增加，车辆的振动能量减少，车辆的舒适性增强。车辆在粗糙的路面上（搓板路）运动时，随着减振器复原阻尼的减少，车辆的振动先减小后增加，说明对地在粗糙路面上运动时的汽车，阻尼过大过小都会引起振动情况的加剧。车辆进行双移线运动时，随着减振器的阻尼值增加，车辆垂向振动和俯仰振动能量减少，车辆的侧倾角、摇摆角、摇摆角速度、动载荷均受其影响较小。采用非对称阻尼的车辆，较采用对称性阻尼时的车辆舒适性有明显增强。建立了减振器的三种数学模型:线性模型，两段非对称模型和多项式模型。随着减振器数学模型复杂程度的增加，车辆的振动响应值越接近减振器实际阻尼特性引起的响应值。其中，两段非对称模型和多项式模型的响应值较为接近。
　　通过本课题的研究，为非公路车辆及公路车辆悬架设计中的减振器选型，减振器的结构设计，可调减振器的结构设计，被悬架的匹配，可控制悬架中可调阻尼的变化区间的设置和控制策略的制定，以及车辆减振理论的发展提供了理论基础和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 车辆振动的危害

1．1．2 车辆悬架中阻尼的作用

1．2 减振器技术概述

1．2．1 阻尼不可调减振器

1．2．2 阻尼可调减振器

1．3 国内、外技术研究现状

1．3．1 减振器理论研究现状

1．3．2 减振器节流阀片技术研究现状

1．3．3 减振器内部流场技术研究现状

1．3．4 减振器流固耦合仿真技术研究现状

1．3．5 减振器对车辆动力学影响的技术研究现状

1．4 课题研究的意义

1．5 课题研究目标和内容

第二章 减振器阻尼理论分析及试验研究

2．1 减振器阻尼力分析

2．1．1 减振器的结构及工作原理

2．1．2 基本假设

2．1．3 减振器数学建模所涉及的基本理论

2．1．4 复原阻尼构件分析

2．1．4 压缩阻尼力分析

2．1．5 减振器阻尼力的数学模型

2．2 试验用减振器设计

2．3 减振器测试系统设计

2．3．1 减振器试验台的机械部分

2．3．2 减振器阻尼测试系统设计

2．4．试验方案设计

2．5 试验结果及分析

2．5．1 节流孔直径对阻尼力的影响

2．5．2 复原阀片数对阻尼力的影响

2．5．3 限位阀外径对阻尼力的影响

2．5．4 旁通节流孔直径对阻尼力的影响

2．6 本章小结

第三章 减振器节流阀片挠度的有限元分析

3．1 节流阀片挠度的理论计算方法

3．1．1 小挠度理论

3．1．2 大挠度理论

3．2 基于小挠度理论的减振器复原阀片的挠度计算

3．2．1 参数的选择

3．2．2 力学模型

3．2．3 计算结果

3．3 减振器阀片变形的有限元分析

3．3．1 有限元法的基本思想

3．3．2 有限元模型的建立

3．3．3 仿真设置过程中的关键概念

3．3．4 仿真结果及分析

3．3．5 单片阀片理论计算与有限元仿真结果的比较

3．4 叠加阀片的有限元计算

3．4．1 单片阀片与拆分成两片叠加阀片挠度仿真云图

3．4．2 单片阀片与两片叠加阀片挠度仿真结果分析

3．4．3 单片阀片与拆分成多片阀片仿真云图

3．5 减振器阀片挠度计算公式的修正

3．6 本章小结

第四章 基于流固耦合方法的减振器节流阀片研究

4．1 流固耦合的基本概念

4．1．1 流固耦合数值方法

4．1．2 流固耦合仿真软件的选用

4．2 基于FLUENT与STATIC STRUCTURE的单向流固耦合仿真

4．2．1 仿真流程的设计

4．2．2 建模、化分网格及参数设置

4．2．3 仿真结果

4．2．4 仿真结果与有限元数值解的对比分析

4．3 基于SYSTEM COUPLING的双向流固耦合仿真

4．3．1 仿真流程的设计

4．3．2 建模与化分网格及参数设置

4．3．3 仿真结果

4．4 有限元计算与单、双向流固耦合计算结果比较分析

4．4．1 单向流固耦合与双向流固耦合计算结果比较分析

4．4．2 双向流固耦合计算结果与有限元法计算结果比较分析

4．5 本章小结

第五章 减振器特性对车辆动力学影响的模拟试验

5．2 仿真模型的建立

5．1 车辆动力学常用软件分析

5．2．1 整车参数

5．2．2 转向系统

5．2．3 轮胎

5．2．4 悬架系统

5．3 车辆坐标系

5．4 模拟试验工况的选取

5．5 基于CARSIM软件的车辆动力学模拟试验结果及分析

5．5．1 减振器复原阻尼力对汽车动力学的影响

5．5．2 减振器阻尼非对称性对汽车动力学的影响

5．5．3 减振器数学模型对汽车动力学的影响

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 主要创新内容

6．3 后续研究建议及展望

参考文献

致谢

博士研究生期间发表的论文及专利