文|无邪

编辑|无邪

被动减震器是为标准负载条件设计的。然而，如果弹簧质量小于标准质量，则舒适性和道路保持能力会受到影响。实验证明，当车辆质量变化100 kg 时，弹簧质量加速度增加50%。为了从减震器中获得一致的阻尼性能，必须改变其刚度和阻尼特性。

(资料图)

介绍

被动流体减震器为车辆的舒适性和操控性提供了简单有效地解决方案。它们通过节流孔对粘性流体进行节流，将振动能转化为热能， 并广泛应用于车辆悬挂系统中 。此外，可以通过改变流体流动面积来调整流体阻尼器以改变隔振性能。

用于分析被动悬架的二自由度四分之一汽车模型，簧载质量（m 1）代表底盘和车身，而非承载质量（m 2）包括悬架和轮胎。四分之一汽车模型已用于数值模拟，以评估所提出系统的隔振性能。

而较低的簧载质量加速度提供更好的舒适性，反之亦然。

等式(3)意味着除了激励频率之外，加速度还取决于簧载质量。已对四分之一汽车模型进行了仿真，以评估簧载质量变化对舒适性的影响。

从中可以看出，被动悬架为最大承载质量提供了更好的舒适性。然而，随着簧载质量的减小，更高的加速度会降低车辆的舒适性。

汽车设计为通过计算悬架参数（即刚度和阻尼系数）来支持最大质量。然而，从等式（3）可以看出，随着簧载质量的变化，被动减震器不会提供一致的性能。

可变悬架系统概述

如图所示，可变刚度和阻尼悬架系统由两个弹簧和一个可调流体阻尼器组。

可以通过改变盖件的位置来改变可调阻尼器处的流通面积。活塞上有八个节流孔。可以改变盖件的位置以改变活塞孔口中活动孔的数量，范围为0到8。活动孔口数量的变化会改变流体阻尼器的阻尼系数“ C ”。通过改变流体阻尼器的阻尼特性实现了可变刚度。

可调流体阻尼器的详细信息如下：

•活塞和气缸直径：60 mm；

•活塞孔直径：1.6 mm；

•油粘度：50 cst。

原型中使用的弹簧的详细信息如下：

•弹簧材质：弹簧钢；

•弹簧刚度1（k 1）：13.32 k N/m；

•弹簧 2 ( k 2 ) 的刚度：32.7 k N/m。

该系统充当两个并联连接的弹簧，整个活塞孔被阻塞（即零活动孔），导致等效刚度为“ k 1  +  k 2 ”。然而，随着活塞上有效孔数的增加，可调阻尼器提供的阻尼最小，这导致等效阻尼接近“ k 1 ”。原型可以实现八种不同的刚度设置。

设计注意事项

等式（9）表明随着“ C ”的值接近“∞”，等式（9）的最后两项变为零，导致等效刚度为“ k 1  +  k 2 ”。而较低的“ C ”值导致等式 (9)的最后两项变得重要。这会将等效刚度降低到小于“ k 1  +  k 2 ”的值。从上面的分析可以看出，等效刚度可以通过“ C ”的变化来控制。

如图所示的原型给出了可变刚度的设置。此外，它还可以在簧载质量和非簧载质量之间增加一个可调节的流体阻尼器，以设计一个具有可变刚度和可变阻尼的减震器。

可变刚度的数值模拟

为了说明可变刚度系统的基本性能，图中所示的自由度系统进行了仿真。

传输率的模拟结果表明峰值位置随阻尼系数的变化而变化。与较高的阻尼强度相比，较低的阻尼系数提供较大的传输率。由于“Z 0 /F 0 ”比率是刚度的倒数。下图表明所提出的布置可以实现系统等效刚度的变化。

D c是气缸直径，D r是活塞杆直径，P c是压缩室压力，Pr是回弹室压力。

使用 MATLAB Simulink 和 Simscape 对原型进行了数值模拟。控制微分方程 (4)和(5)用于在 Simulink 中构建四分之一汽车模型。流体元素已在 MATLAB Simscape 中建模。四分之一汽车 Simulink 模型中的相对速度和位移用于 Simscape 模型中以计算流体阻尼力，这再次用于 Simulink 模型中。MATLAB Simscape 具有用于孔口值和环形间隙等流体元素的自定义库，这为仿真提供了更大的灵活性。

实验

原型照片如图所示。四个弹簧 (1) 的刚度均为 3.33 N/mm，并联连接时，刚度为 (3.33 × 4 = 13.32 N/mm)。再串联另一个刚度为32.77N/mm的弹簧(2)和可调阻尼器。阻尼器的细节如图所示，其活塞带有直径为 φ 1.6 mm 的孔。原型阻尼器可以提供四种不同力的水平。

下图所示的测试装置已用于测量设备的位移、加速度和力传递率。两个往复运动的质量通过滚柱轴承沿支撑杆引导，以最大限度地减少摩擦。较低的往复运动质量由电动机（7.5 kW 功率）通过拨叉机构驱动。称重传感器安装在下质量块和上质量块下方以测量力传递率。快速变换（FFT）测振仪（SVAN-958）用于记录测试频率范围内的簧载质量位移和加速度。

实验期间的垂直速度为 0.14–0.79 m/s。这些接近于车辆减震器的中低颠簸速度，分别为 0.2–0.4 和 0.4–0.8 m/s。1称重传感器的测量范围为5N及以上。

仿真结果

通过数值模拟和实验计算簧载质量加速度和位移的频率响应。输入激励在 1–8 Hz 频率范围内是谐波的。

实验结果遵循与模拟结果相似的趋势，这验证了理论模型的准确性。最大簧上质量位移出现在共振频率处，然后减小。等效刚度（在 6 Hz 时）由等式 (5)计算并给出。

表 2显示原型的刚度变化高达 33%。此外，可以通过改变可调阻尼器的阻尼系数来增加刚度变化。从表2中还可以看出，随着活塞孔数的增加，阻尼系数减小，等效刚度减小。另一方面，活塞孔的有效数量越少，阻尼系数和等效刚度就越高。

下图针对所公开的设置在阻尼器中耗散的能量的模拟结果。能量耗散随着活动孔口数量的增加而增加。

设想的系统包括与螺旋弹簧并联连接的线性粘滞阻尼器。这将导致刚度是动态的而不是静态的。因此，需要研究动态刚度。动态刚度被研究为同步或非同步。同步刚度与机器激励和相同频率的输入激励有关。

动态刚度的理论模拟已经在活塞孔中进行。下图显示了具有不同阻尼器配置的原型的动态刚度。可以观察到，12 孔打开设置的值随频率增加。对于两个开孔设置，在大约 8 Hz 时观察到最大动态刚度。此外，该值在更高频率下增加。还进行了数值模拟以揭示具有固定弹性配置的被动系统的动态刚度。它在大约 5 Hz 处显示峰值，然后降低。此外，它在较高频率下显示出增加的刚度。如图所示，峰值动态刚度与自然频率不一致。此外，所提出系统的曲线性质与被动解决方案的曲线性质相同。

但是，峰值阻尼系数不会保持不变，而是如下图所示变化。阻尼系数在系统的共振频率附近最大（即在 4.5 Hz 处设置，原型上有八个开孔）。阻尼系数的增加可归因于悬浮质量的共振运动。在设计实际尺寸的减震器时，已考虑到可调阻尼器中的能量耗散。

已执行数值模拟以计算不同设置的可调阻尼器的簧载质量和非簧载质量之间的时间滞后。表 3给出了 4 孔和 12 孔打开条件的模拟结果。从仿真结果可以看出，在频率低于 4 Hz 时，阻尼器设置越软，相位滞后越高。然而，在更高的频率下，相位滞后会因阻尼器设置更柔和而减少。

实际尺寸变刚度系统的设计

在验证原型可变刚度系统后，本节讨论了具有可变刚度和阻尼的实际尺寸减震器的设计。车辆和悬架质量的实际尺寸版本设计如下：

簧上质量 ( m 1 ): 275–400 kg;

非簧载质量（m 2）: 25 kg；

轮胎质量（m 3）: 10 kg；

弹簧刚度 ( k 1 ): 12,500 N/m；

弹簧刚度 ( k s ): 12,500 N/m.

用于模拟实际尺寸减震器的数值模型和改进的四分之一汽车模型如图所示。

此外，该曲线与具有固定能量耗散特性的被动减震器的曲线进行了比较。

比较了所提出的可变刚度系统和传统被动解决方案的力-位移曲线。

提出的系统根据车辆支撑的簧载质量调节悬架阻尼系数。很明显，阻尼系数的降低降低了峰值阻尼力并提高了簧载质量加速度。减震器提供较低的阻尼系数值" C 1"，这降低了峰值阻尼力。这导致簧载质量处的加速度传递性更好。另一方面，如图所示，具有固定阻尼配置的被动阻尼器提供更高的阻尼力，从而导致更高的簧载质量加速度。

实际尺寸设计中的刚度设置

实际尺寸的减震器设计用于根据簧载质量的变化提供可变阻尼系数。如图所示，阻尼器的阻尼系数“ bs ”将根据以下步骤中的频率变化。

刚度变化已达到适合本申请的程度。即使簧载质量变化 100 千克，所提出的设计也将比其被动设计表现更好。然而，随着“ C 1 ”和“ k 1 ”值的进一步变化，可以实现等效刚度的更大变化。

在实际尺寸设计的 Simulink 模型上进行仿真，以揭示等效刚度沿频率范围的变化。下图显示了不同“ C 1 ”值的仿真结果。

实现所需阻尼策略的阀门模型

流体阻尼器中的能量耗散是通过限制孔口节流粘性流体来实现的。此外，弹簧加载阀中的可变流动面积确保可变阻尼强度。

对于单级阀模型给出了压缩和回弹室如图所示。

具有可变刚度和阻尼的实际尺寸减震器的仿真结果

前面讨论了阻尼器 1 和 2 的弹簧刚度和阻尼系数的详细信息。减震器的模型如图所示。

此外，传统被动减震器的簧载质量加速度绘制在下图中。可以观察到，可变刚度和阻尼解决方案将使加速度传递率提高高达 15%（传统减震器加速度：5.0 m/s 2，建议的解决方案加速度：4.3 m/s 2，在 6 Hz 下，簧载质量为275 公斤）。

从中可以观察到，加速度增加到一定频率。此后，加速度的变化率减小并再次增大。一定频率范围内加速度的变化归因于反共振频率的存在。

均方根( RMS ) 轮胎挠度是用于评估汽车减震器的操控性或轮胎不适感的标准。29 , 30零RMS轮胎挠度可实现最佳操控性，而较高的挠度会降低车辆转弯和操控能力。图中将所提出的解决方案的 RMS 轮胎挠度与传统流体阻尼器的挠度进行比较。可以观察到，所提出的解决方案在轮胎不适方面提供了高达 10% 的改善（传统减震器：7.1 毫米，所提出的解决方案：6.5 毫米，在 6 赫兹下，簧上质量为 275 千克）。如图所示，所提出的减震器的峰值传递率将低于传统流体减震器的峰值传递率。

实际尺寸减震器的装配

实际尺寸的减震器将与称重传感器、LPC2138 微控制器、步进电机和用于打开和关闭节流孔固定孔的机构一起安装在车辆中。如下图显示了实际尺寸减震器的实时框图。微控制器和步进电机将使用 24 V 直流电源运行，该电源将由开关模式电源 (SMPS) 提供。微控制器将模拟电压信号转换为数字信号，进一步过滤以获得车辆静止时的质量。因此，在车辆在道路上行驶期间，控制器将不会处理来自称重传感器的动态信号。数字信号将决定步进电机轴的旋转度数。相应地，步进电机将被提供脉冲数。

步进电机、弹簧和可调阻尼器的布置如图所示。对于来自控制器的每个脉冲，步进电机将旋转 1.8°。对于每个脉冲，将使用具有 50 个齿数的齿轮将此旋转运动放大到 7.2°。此外，这种旋转运动将用于操作改变活塞孔中固定孔数量的机构。

本文介绍了可变刚度系统的设计和数值模拟。原型中使用了螺旋弹簧和可调流体阻尼器，以在 43.5 至 53.8 kN/mm 之间改变刚度。在 MATLAB Simscape 中进行了数值模拟，并进行了实验以验证理论模型。

理论模型已用于实际尺寸减震器的设计。可调阻尼器的配置已经确定，以确保一致的阻尼性能，无论簧载质量如何变化。已使用单级和两级阀模型推导出详细的阻尼器配置。四分之一汽车模拟已被用于量化舒适性和操控性评估。仿真结果表明，与传统的流体被动减震器相比，所提出的系统将在加速度传递性和轮胎不适方面提供 15% 的改进。

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