【正文】 實(shí)現(xiàn)車身的高度調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)剛性懸架功能等等。為了能對(duì)油氣懸架的性能進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)，需要把油氣懸架抽象、簡化成物理模型，然后根據(jù)物理模型， 應(yīng)用 剛體力學(xué)理論．建立油氣懸架的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。建立符合懸架系統(tǒng)實(shí)際，便于分析、計(jì)算的數(shù)學(xué)模型一直是國內(nèi)外車輛動(dòng)力學(xué)研究的主要方法和重要課題，也是油氣懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 。把 油氣懸架的阻尼孔簡化為一固定節(jié)流孔，把鋼球開啟、閉合的結(jié)構(gòu)簡化為一 單向閥。 1 活塞桿 2 缸筒 3 單向閥 4 阻尼孔 5 活塞 6 浮動(dòng)活塞 圖 4 油氣懸架物理模型 2. 圖中符號(hào)含義 P1， A1， V1 I 腔油液壓力、截面積和容積 P2， A2， V2 II 腔油液壓力、截面積和容積 P， A， V 蓄能器氣體壓力、氣體容積 Q1 流經(jīng)單向閥和阻尼孔的流量 A01 阻尼孔面積 A02 單向閥有效過流面積 x， v 懸架缸位移、速度 F 懸架缸活塞桿輸出力，拉力為正，壓力為負(fù) 油氣懸架在外部信號(hào)激勵(lì)下，活塞組件和缸筒之間要產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) ，假設(shè)活塞桿固定不動(dòng)，只是缸筒相對(duì)于 活塞運(yùn)動(dòng)。 油氣懸架活塞桿的輸出力方程 ： 1122 APAPF ???? （ 1） 式中： F 油氣懸架活塞桿輸出力 1P I 腔油液壓力 2P II 腔油液壓力 1A I 腔截面積 2A II 腔截面積 根據(jù)節(jié)流小孔理論 ， 流經(jīng)阻尼孔和單向閥的節(jié)流孔流量方程 ： )(}))](2121([CQρ{210201d112 vs ig nvs ig nAAPP ????? （ 2） ρ 油液密度 01A 阻尼孔面積 02A 單向閥有效過流面積 dC 流量系數(shù) v 缸簡相對(duì)于活塞的輸入速度 1Q 通過阻尼孔和單向闊的流量，且 1Q 由下式表示 ： vA?? 21Q （ 3） 蓄能器內(nèi)氣體狀態(tài)方程： rssr VPVP ??? （ 4） 令活塞從靜平衡位置向上移動(dòng)距離 x，蓄能器內(nèi)氣體體積為： V= Vs+ xΔA ? （ 5） 3. 流量系數(shù) dC 的確定 按照?qǐng)D 4 所示的物理模型， II 腔與 III 腔之間的節(jié)流孔通常是直徑為 d 的小孔，如下圖 5 所示： 圖 5 短管型節(jié)流孔 考慮活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性剛度，其壁厚需要一定的厚度；為了工藝簡單，通常采用直通孔作為節(jié)流孔。節(jié)流孔長細(xì)比 L／ d0． 5，稱為薄壁節(jié)流小孔；長細(xì)比 L／ d4，稱為細(xì)長節(jié)流小孔；介于薄壁節(jié)流小孔和細(xì)長節(jié)流小孔之間的節(jié)流孔稱為短孔 （ L／ d4)。液體經(jīng)過短孔的流量系數(shù) dC 不能套用薄壁小孔的平均流量系數(shù)，而是需要根據(jù)短孔的情況確定。 液體在節(jié)流孔內(nèi)的流動(dòng)分為層流和紊流。一般來說， eR 2300 為層流， eR 2300 則為紊流。流量系數(shù) dC 的取值范圍一般在 0． 60— 0． 816 之間。需要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算時(shí)，可用經(jīng)驗(yàn)公式 (6)和 (7)直接計(jì)算。對(duì)理想氣體，氣體多變指數(shù) r 在等溫過程時(shí) r=l，絕熱過程時(shí)r=。 通過 對(duì)隨時(shí)間和溫度的油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，蓄能器內(nèi)氣體 的壓縮量最大可達(dá)到 20％。 5. 油氣懸架性能的計(jì)算機(jī)仿真 公式 (1)~(5)建立了描述油氣懸架性能的復(fù)雜非線性數(shù)學(xué)模型。依據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，借助于現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)，編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行仿真 ， 求得其數(shù)字解是目前常用的方法之一。所編制的計(jì)算機(jī)仿真程序和仿真結(jié)果的正確性，還需經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)踐的檢驗(yàn)。仿真不受試驗(yàn)條件限制，可以進(jìn)行試驗(yàn)中不易實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)驗(yàn)證?？s短試驗(yàn)過程時(shí) 間 。本文所采用的仿真軟件／ Simulink3． 0 版本包含有控制系統(tǒng)工具箱 (Control SystemsToolbox)、優(yōu)化工具箱 (Optimization Toolbox)、信號(hào)處理工具箱 (Signs]Processing Toolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(Neural Network Toolbox)等。軟件編程及運(yùn)行均基于 WINDOWS 環(huán)境。在 MATLAB 環(huán)境下，用戶只需輸入待仿真油氣 懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸、信號(hào)的頻率、位移或速度的幅值。 在 modle 1 中，不論是節(jié)流孔還是單向閥，其流量系數(shù)均按 q= 計(jì)算 ， 氣體狀態(tài)方程的指數(shù) r 按絕熱狀態(tài)取為 。 用油氣懸架的位移特性和速度特性曲線圖，即油氣懸架 活塞 桿輸出力與相對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)的位移及速度之問的關(guān)系曲線圖表示油氣懸架的性能 。同時(shí)以 I 腔、 II 腔壓力、蓄能器內(nèi)氣體壓力等中間值輸出，以便與試驗(yàn)測(cè)試值對(duì)比，有利于確定正確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)有指導(dǎo)作用。研究的目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)阻尼力的減振器模型來作為 學(xué)生 型方程式賽車 團(tuán)隊(duì)的 一個(gè)設(shè)計(jì)工具。 這個(gè)模型考慮到了減振器中每一個(gè)單獨(dú)的流通路徑，并且建立了對(duì)每一個(gè)流通路徑的流通阻力模型。這些方程產(chǎn)生一個(gè)可以用牛頓的迭代方法求解的非線性方程組。應(yīng)用一個(gè)震動(dòng)測(cè)力計(jì)使模型與真實(shí)的減振器數(shù)據(jù)聯(lián)系起來以驗(yàn)證準(zhǔn)確性。 一、 減振器功能特性 要理解減振器的工作過程第一步是要弄清楚減振器的各個(gè)組成部件是如何相互作用產(chǎn)生阻尼力的。減振器的參數(shù)特性通常由力 速度和力 位移曲線給出。 有許多類型的汽車懸架減振器，其作 用通常是用來緩和沖擊。眾所周知，一個(gè)彈簧振子系統(tǒng)在沒有能量耗散時(shí)會(huì)做永久的簡諧振動(dòng)，其中彈簧與振子的勢(shì)能與動(dòng)能分別地相互轉(zhuǎn)化。減振器的功能就是消除系統(tǒng)動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。在這篇論文的目的中，單筒的不帶蓄能器的減振器將被用于實(shí)驗(yàn)。有的 減振器裝配后仍可以被調(diào)節(jié)。相反地，在賽車中使用的減振器通常有一定程度的可調(diào)節(jié)性。 圖 1 單筒減振器的組成 圖 1 顯示了單筒減振器的主要組成元件，外部可調(diào)減振器。減振器的外罩包含了所有的內(nèi)部元件。氣室與壓縮腔通過一個(gè)浮動(dòng)活塞分開。減振器中應(yīng)用最多的氣體是氮?dú)?，因?yàn)槠洳慌c油液發(fā)生反應(yīng)。 壓縮腔是位于浮動(dòng)活塞與連桿活塞之間的那一部分體積。壓縮腔與復(fù)原腔完全地被油液充滿，在這里應(yīng)用的是典型的是 5W 重的油液。桿密封裝置同時(shí)阻止灰塵和其他污染物進(jìn)入復(fù)原腔影響內(nèi)部油液的流動(dòng)。這個(gè)密封裝置將壓縮腔與復(fù)原腔分隔開來。在未對(duì)減振器施加彎曲應(yīng)力時(shí)，它們?cè)试S一定的裝配誤差。 減振器有兩個(gè)典型的工作行程：壓縮行程與復(fù)原行程。圖 2 所示的是壓縮行程模型。由于油液具有很強(qiáng)的不可壓縮性，活塞桿進(jìn)入復(fù)原腔，復(fù)原腔和壓縮腔中油液和活塞桿的體積之和必然增大。單筒減振器同時(shí)具有壓縮氣室以保持一個(gè)提升的油液壓力的優(yōu)點(diǎn)，這可以幫助阻止油液空穴的形成。這個(gè)小的壓力改變意味著一個(gè)幾乎相同的壓力施加在壓縮腔力的液壓油液上。 氣室中的壓力顯示出一個(gè)氣體彈簧效果。氣體彈簧效果是與活塞速度無關(guān)的，但與位移十分相關(guān)，并與加速度有微弱的關(guān) 聯(lián)。 壓縮行程中總的流量是三個(gè)流通路徑的綜合。復(fù)原腔中的壓力用 Pr 表示，壓縮腔中的壓力用 Pc 表示。流通路徑和各腔壓力在圖 2 中顯示并在下面解釋。常通孔流通路徑開始于壓縮腔活塞桿的終點(diǎn)處，結(jié)束于復(fù)原腔活塞一面的活塞桿處。針閥可以通過圖 1 所示的常通孔調(diào)節(jié)器旋入或旋出。改變針閥的幾何形狀或尺寸也可以改變常通孔的流量。 第二條流通路徑是活塞孔流通路徑。活塞孔流通路徑由壓縮閥片或閥片組控制。復(fù)原閥中的孔取消了在活塞中開一個(gè)流通路徑的必要，并且這是一個(gè)允許閥流通的簡單的方式，降低了活塞制造的復(fù)雜性。 不同的壓力引起不同的閥片變形。速度增大，閥片變形增大，從而液流流通面積增大。 第三條流通路徑是在活塞與套筒內(nèi)壁之間密封裝置的泄露。長時(shí)間的使用會(huì)使密封裝置退化，增大泄露流通量，并且降低減振器的阻尼力。 復(fù)原行程流通圖 圖 3 所示 的是復(fù)原行程工作過程。壓縮腔和復(fù)原腔中油液和活塞桿的體積之和因?yàn)榛钊麠U的撤出而減小，氣室中的氣體擴(kuò)張。前面討論的所有的閥，常通孔和泄露孔仍然存在，只是方向與原來相反。所有的由常通孔引起的低速阻尼屬性都可以有壓縮行程移植到復(fù)原行程。復(fù)原行程的壓力關(guān)系是 PrPvPc。如前所述，復(fù)原速度的增大將會(huì)導(dǎo)致閥片變形和液流面積的增大。只有方向復(fù)原行程與壓縮行程是相反的。減振器具有不同的位移，速度和加速度。這些都將成為建立減振器工作模型的基礎(chǔ)。為了評(píng)估減振器的工作狀況，在減振器測(cè)力計(jì)上測(cè)試成為一種規(guī)范。這種減振器測(cè)力計(jì)是施加一個(gè)按正弦規(guī)律變化的位移。位移的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別是速度和加速度。圖 4 至 6 顯示了基本的 FV圖像與相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)曲線。這有時(shí)候被稱作連續(xù)的速度輸出特性（ CVP）。壓縮行程中速度是負(fù)的，而復(fù)原行程中，減振器度增大，速度是正的。習(xí)慣上使用的是 Roehrig 測(cè)試測(cè)力計(jì)，在這篇報(bào)告中將會(huì)始終使用到它。復(fù)原力是負(fù)的，壓縮力為正。這是由于減振器的 滯后效果造成的。也就是說，當(dāng)減振器加速和減速時(shí)其產(chǎn)生不同力是不同的。然而，這種效果并不是傳統(tǒng)的科學(xué)文獻(xiàn)中定義的滯后性。 圖 46 上還有標(biāo)記有 14 的點(diǎn)。點(diǎn) 1 是循環(huán)的開始。從點(diǎn) 1 至點(diǎn) 2 減振器速率不斷增大，進(jìn)行的是壓縮行程。這通常對(duì)應(yīng)于壓 縮行程中力的峰值。從點(diǎn) 2 至點(diǎn) 3，速率開始下降。這時(shí)的位移達(dá)到負(fù)的最大值，這意味著減振器被充分壓縮，速度降至零。在點(diǎn) 4，復(fù)原行程的力達(dá)到峰值，位移再次變?yōu)榱?，所以減振器擴(kuò)張至復(fù)原行程的一半。在點(diǎn) 1，減振器回到完全張開狀態(tài)，速度減為零。因此，這個(gè)力在速度為零時(shí)其值也為零。圖 7 顯示了典型的 FD曲線。 圖 7 全過程力 位移特性 FD 圖像使用慣用的力符號(hào)，壓縮時(shí)為正，復(fù)原時(shí)為負(fù)。在 FV 圖像中同樣的滯后作用是產(chǎn)生這種不對(duì)稱性的原因。一個(gè)理想線性彈簧在 FD 圖像中產(chǎn)生的剛度 K 是一條傾斜直線。一個(gè)理想的 線性阻尼器在 FV 圖像中會(huì)產(chǎn)生一條傾斜的剛度直線，在FD 圖像中是一個(gè)橢圓。 二、文獻(xiàn)回顧 進(jìn)行文獻(xiàn)回顧有兩個(gè)主要目的：第一個(gè)目的是通過研究減振器功能的參數(shù)化模型的發(fā)展過程，對(duì)單獨(dú)的內(nèi)部元件和內(nèi)部液流在過去如何被參數(shù)化獲得一個(gè)更好的理解。理解產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因和如何使之最小化在減振器設(shè)計(jì)中具有起決定作用的重要性。 三、減振器規(guī)格 這項(xiàng)研究 中所使用的減振器是 Tanne 賽車產(chǎn)品中的一個(gè) Tanner 外部可調(diào)減振器 Gen 2。 Tanner Gen 2 的最初用途是四分之一微型車競(jìng)賽中，但是它的尺寸，價(jià)格和可用的阻尼力范圍使其也可以應(yīng)用在 學(xué)生 型方程式賽車 中。圖 8 顯示了一個(gè) Tanner Gen 2 減振器的三維模型。減振器行程大約是 3 英尺。端蓋上面有螺紋可以拆除從而使得拆裝容易?；钊怯蓹C(jī)械鋁制成的，并且具有 6 個(gè)液流孔。 圖 9 Tanner Gen 2 鋁質(zhì)活塞 活塞液流孔具有 ，用來將活塞裝配到活塞桿上的孔直徑是 。這種活塞設(shè)計(jì)比起Ohlins 和 brand 牌的減振器復(fù)雜性要小很多，并且這種簡單的設(shè)計(jì)生產(chǎn)起來要便宜許多。在沒有任何閥片時(shí)， 6 個(gè)孔在壓縮和復(fù)原行程都允許液流通過。如圖 10 所示 . 圖 10 Tanner Racing G2 的一套碳纖維閥片組 Tanner 賽車上的一套閥片組包含碳纖維閥片。閥片有孔的位置與活塞上 可以用來在壓縮行程與復(fù)原行程中開通一條液流通路的孔是一致的。閥片的排列可以為 Tanner Gen 2 減振器創(chuàng)造無窮的可能。 用來調(diào)節(jié)常通孔的有螺紋的針閥可以旋轉(zhuǎn) 圈。調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)越大，常通孔開度越大。 減振器油液用的是 Tanner Tuned 振動(dòng)油。 英語原文 DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL VERIFICATION OF A PARAMETRIC MODEL OF AN AUTOMOTIVE DAMPER A Thesis by KIRK SHAWN RHOADES ABSTRACT This thesis describes the implementation of a parametric model of an automotive damper. The goal of this research was to