车用液压减震器的设计与仿真分析

车用液压减震器的设计与仿真分析摘要：本文分析的是适用于中国一般城市道路使用的双作用筒式减震器。减震器是机动车整个悬架系统中的重要部件，它可以减缓路面的不平稳带来的振动冲击，以此来保证机动车驾驶过程中的舒适程度。在分析了双筒液压减震器的工作原理的基础上建立其数学模型。根据机动车具体结构参数确定开阀点等参数。之后，通过MATLAB/Simulink将建立好的数学模型编辑成仿真系统模型，从而设计出整个减震器模型，并对系统进行仿真模拟。最后，对减震阻尼系统的一些主要参数进行仿真分析。关键词：减震器，模拟，数学模型，阻尼特性IThedesignandsimulationanalysisofautomotivehydraulicshockabsorberAbstract:Itispresentedinthepaperatwo-wayroleoftheshockabsorbertubewhichisusedfortheurbanroadinChina.Theshockabsorbersisanimportantpartoftheautomobilesuspensionsystem.Itcanslowdownthevibrationimpactinducedbytheunsteadyroadsurfacetoensurethecomfortdegreeindriving.Themathematicalmodeisestablishedbasedontheanalysisofoperatingprincipleofautomotivehydraulicshockabsorbers.Accordingtothestructureofthemotorvehicle,someparametersaredetermined,suchasblowoffpoint.Then,simulationsystemmodelissetupbasedonthemathematicalmodethroughMATLAB/Simulink.AndthenwedesignwholeShockabsorbermodel.Finally,wesimulateandanalyzesomemajorparametersofthedampingsystem.Keywords:Shockabsorber,Simulation,Mathematicalmodel,DampingcharacteristicII目录1绪论.11.1本设计的目的及意义.11.2减震器国内外发展状况.11.3主要研究内容.32减震器各个部分模型分析和构建.42.1减震器结构及工作原理.42.2模型构建的前提条件和要求.52.3减震器各个阀系的模型与分析.62.4各个阻力模型分析和构建.162.5阀片刚度计算的分析.162.6若干模型构建过程中的细节（开阀点、限位高度、温度）.192.7章内小结.203基于Matlab/Simulink的减震器仿真模型建立.213.1仿真工具简介.213.2减震器仿真流程图.223.3减震器各个仿真模型.233.4本章小结.304摩托车后减震器的仿真结果分析.314.1减震器仿真性能.314.2减震器各个参数对阻尼特性影响.345全文总结及展望.37参考文献.3801绪论1.1本设计的目的及意义在机动车发展过程中，人对于机动车的认识不断提高，从一项简单的代步工具慢慢演化出各种高品质的要求，如机动车的动力性能、适程度、在陡峭路面的平稳性能、油性能等各种性能。作为机动车重要配件的减震器，也要紧跟机动车发展的步伐，这就为减震器的更新发展带来了挑战。汽车在路面上行驶，不可能绝对的平坦，由于路面的不平整必然导致汽车车体振动，这就极大的影响了汽车的舒适性，使乘车人员感到不适，减震器就是为了减小振动带来的影响而产生的，不仅仅如此，减震器还具备了以特点：衰减振动，提高平顺性；货物不易损坏和乘车人员不易疲劳，提高舒适性；低对相关零件冲击载荷减少磨损，提高使用经济性；改善轮胎接地性抑制行驶跳动，提高安全性；车辆在急加速、刹车、转弯时，提高操作稳定性。本文所要研究的减震器是双筒式液压减震器，该减震器类型有成本低、寿命长、质量轻等优点，广泛应用于各种机动车上，而减震器的关键特性就是其阻尼特性，这是判定一个减震器性能好坏的直接条件。由于科技进步和计算机软件的发展，软件的数学建模仿真在各种领域起到至关重要的作用，它可以使整个设计过程周期变短，成本降低，因此本设计也是通过Matlab/Simulink这一计算机软建立减震器阻尼模型并对这一模型进行仿真模拟和分析。1.2减震器国内外发展状况在机动车发展的开始，车速是很慢的，所以对于机动车本身，人对它的要求很简单，仅仅可以驾驶即可，所以机动车起初没有减震器，而只是装有弹簧，在陡峭的路面，弹簧吸收能量变形，之后再化为动能释放，缓解路面带来的抖动，但弹簧只是起到延时动能的作用，如果没有消振的系统，那么机动车会上下运动，这就导致了初期机动车受到路面一次振动后，在之后的行驶中仍然上下抖动不停，使人感到极其不适应。之后由于汽车没有减震器，人们开始觉得在驾驶过程中很不舒适，于是人们想到了在车体上加装阻尼器，来缓解路面导致的颠簸，于是最初的减震器诞生了。起初的减震器很简陋，外形也很奇特，主要靠摩擦片和轴销的预紧力来产生阻力以缓冲振动，但是动、静摩擦因数的不同导致这种减震器性能极差，与1此同时这种减震器的耐久性也很差，使用时间很短。在1908年，世界上第一个液压减震器诞生，制造者是Handoille。时至今日，减震器的发展已经经历了一百多年，减震器技术取得了长足进步，根据不同的需求，也发展出各种各样的类型，成为机动车必备的重要部件，总之，减震器已经成为了一个重要的专业行业。减震器的发展过程中，由于不同的工作要求，减震器发展出了各种各样的类型，常见类型主要有：单筒式减震器、双筒式减震器（均有充气和液压两种）、旁路式减震器、阻尼可调式减震器、双重减震器、蓄能式减震器。下面简单介绍几种减震器：（1）单筒式减震器：单筒式顾名思义，它只有一个缸体，较为常见的单筒式缸体内主要填充氮气，压强约为2.5Mpa。这种减震器有两个活塞，上活塞产生阻尼力，下活塞分离油液和气体。减震器优点：1）质量轻，可降低载重量。2）因为是单筒，所以散热较一般的减震器较优秀。减震器缺点：1）缸体尺寸较长，不适用大多数机动车。2）缸体内气体压强很高，容易泄漏。（2）阻尼可调式减震器：阻尼式的特点是阻尼可以根据路面情况要求来调节阻尼。由于阻尼可调的方法有很多种，所以阻尼可调减震器又可分为机械调节，电流调节，磁流调节，速度加速度调节等类型。下面简单介绍这几种调节：机械调节：它主要是对整个减震系统的各种零部件结构进行一些可调节的设计，通过这种办法满足路面需求，这种调节有自动式和人工手动两种，它的优点是结构简单，成本低。而缺点是调节后的效果很不理想。电流调节、磁流调节：电流调节和磁流调节的原理是通过改变电场和磁场来改变减震油的粘度等特性来改变阻尼特性，这种调节方式还在国内外的研究中，距离投入实际应用还有一定的距离，优点是精确和调节效果理想，缺点是减震油可靠程度和成本过高。（3）双通液压式减震器：双通液压式是现今大部分机动车体上最常用的减震器类型。它是减震器类型中的典范，它有压缩阀、流通阀、复原阀、补偿阀和上腔下腔储油腔组成。双筒，顾名思义，它由两个缸体组成，即储油缸和工作压缩缸。它的优点是：1）制造简单，结构合理2）尺寸大小相对合适，可安装在大多数车体3）性能稳定，可适用大范围的阻尼要求。因为以上种种优点，它得到了广泛应用，但是它也有很多不足之处，例如，在较差得路面情况中，2它表现的会比较差强人意，舒适性大大降低，产生响声。为此，减震器缸体中冲入气体成了一个主要的解决此类问题的方法。（4）旁路减震器、双重减震器、蓄能减震器：这几种减震器都还在研发过程中，而且大部分此类减震器都是满足特殊的需求，国内没有此类减震器投入生产。1.3主要研究内容本文主要使用了SDH125的减震器参数，通过运用液压动力学和材料力学的相关知识，对该车的减震器进行数学建模和仿真分析，并且得到仿真分析示功图。设计需要满足以下要求：（1）在投入使用过程中保证其性能的稳定可靠；（2）可以满足常用路面的性能要求；（3）有合格的使用时长；（4）具有一般的舒适性。减震器系统中，流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其预紧力较小。当阀上的压差足够时，只要很小的油液速度，阀便能开启；压缩阀和伸张阀是卸载阀，其预紧力较大，只有压差达到一定程度时，阀才能开启。根据以上要求，本文设计的基本步骤有：（1）分析车体减震器和各个系统结构的工作原理，为分析和建立数学模型做好充分准备工作。（2）总结了解减震系统中各个阀系的工作原理和过程，并准确的给出各个阀系的数学模型，之后经过具体数学分析给出Simulink模块模型。（3）通过对阀片的分析了解，运用材料力学的相关知识，对各个阀系的阀片等工作零件进行开度的分析并建立数学模型，进行分析。（4）在Simulink中运用相关知识连接相关的模块，建立综合模型，生成示功图。（5）通过建立的仿真模型，分析各个参数对阻尼特性的影响，分析减震器系统的优化。32减震器各个部分模型分析和构建2.1减震器结构及工作原理本设计要研究的是摩托车后减震器，它采用的减震器类型是双筒式液压减震器，本减震器主要有四阀（压缩阀，补偿阀，流通阀，复原阀）三腔（上腔，下腔，储油腔）和活塞杆等结构组成，如图2.1。减震器主要通过阻尼小孔和阀片弹性产生的节流作用从而产生的阻尼力来衰减振动从而达到减震作用。图2.1双筒式液压减震器原理示意图减震器的工作过程主要有两个：压缩行程，复原行程。下面简单介绍两个工作过程：复原行程：即减震器活塞相对于油腔往上运动如图2.2，复原行程发生于车体进入凹坑或离开凸起时。此时油液有两部分，其中一部分，从上腔经活塞上的阀流入下腔，另一部分由储油腔经底阀流入下腔。因为开始时油液压力不足以打开阀系的阀片，所以分为开阀前和开阀后两个过程。活塞处开阀前，上腔油液先流过复原孔，然后通过活塞垫片的原缺口流入下腔（压力为Pfy1，Pfy2）；开阀后，上腔油液从复原孔通过垫片由油压作用产生的缝隙进入下腔（压力为Pfy3，Pfy4）。底阀阀系处开阀前，储油腔油液从底阀阀系的垫片缺口经过底阀阀系的阻尼孔流进下腔（压力为Pbc1，Pbc2）；开阀后，储油腔油液从底阀阻尼孔通过底阀垫片由油压作用产生的缝隙进入下腔（压力为Pbc3，Pbc4）。压缩行程：即减震器活塞相对于油腔往下运动如图2.3，压缩行程发生于车体离开凹坑或进入凸起时。此时油液有两部分，其中一部分，从下腔经活塞上的阀流入上腔，另一部分由下腔经底阀流入储油腔。因为开始时油液压力不足4以打开阀系的阀片，所以分为开阀前和开阀后两个过程。活塞处开阀前，下腔油液先流过活塞垫片的原缺口复原孔，然后通过复原孔流入上腔（压力为Plt1，Plt2）；开阀后，下腔油液从复原孔通过垫片由油压作用产生的缝隙进入上腔（压力为Plt3，Plt4）。底阀阀系处开阀前，下腔油液从底阀阀系的阻尼孔经过底阀阀系的垫片缺口流进储油腔（压力为Pys1，Pys2）；开阀后，下腔油液从底阀垫片由油压作用产生的缝隙通过底阀阻尼孔进入储油腔（压力为Pys3，Pys4）。图2.2复原行程图2.3压缩行程2.2模型构建的前提条件和要求为了简化减震器的建模过程，方便计算仿真，需要以实际模型为前提建模时列出若干必要前提条件：（1）除了因阀系和阻尼孔的阻尼力造成的能量损失外，其他损失予以忽略。（2）因为腔内工作油压力在持续周期变化，而且其压力很大，直接导致减震器的零件变形情况很复杂。并且由于减震器工作的功能转换过程使系统的油液和构件温度变化很大。基于以上情况，为了方便计算和仿真，因压力、温度等变化引起的构件变形不计入仿真中。（3）系统内的压力随工作时间变化而变化，并且某一确定时刻系统的压力值为定值。（4）油液满足流动连续性原理，工作中油液特性和温度恒定。（5）因为油液质量很小，其重力势能远小于其他能量（如动能，压力能），5所以重力势能予以忽略。（6）减震器在工作中，一个循环（一个压缩行程、复原行程）的减震油的温度是不发生变化的，但是循环之间的温度是无规律升高的。为了建模仿真的简化，减少误差，将温度规定为一定值不变。（7）整个系统假定为构件间不会发生减震油的泄漏。（8）因为系统的行程类型为正弦激励中点处速率为零，所以对于一个循环过程的中点处的变化（如压力，减震油流量）忽略不计。（9）按正常工作温度进行仿真分析，减震油的蒸发损耗不计。上述对于系统的假定条件一般对于整体仿真模拟影响不大，故列出予以忽略。2.3减震器各个阀系的模型与分析2.3.1阀系建模模型准备本设计研究的是某125型摩托车的后减震器，在对其进行仿真分析时，需要分析循环过程中的详细细节，应用液压动力学知识，总结出各个位置阻尼力关系，建立出仿真数学模型。图2.4阻尼力计算简化模型图2.4为活塞处大体数学模型，阻力主要由阀片缝隙节流和活塞处阀系阻尼及其摩擦力综合形成，各个阻力主要由系统中各个零件结构参数，活塞处的运动速率，油液特性系数还有温度等原因发生变化。经图2.4分析得出公式：6frorPCAPAF)(prb转换可得：frorPCprbfroescpcrbAPAAP)()()(=frorrP此公式中：F系统的阻尼力；活塞横截面积；pA活塞杆面积；大气压；rAoP系统下的腔压力；储油腔的压力；cPrs系统上腔的压力；活塞上下处的压力差；rb2底阀上下处的压力差；系统活塞运动的摩擦力；1f和活塞油液流量Q1有关；和底阀油液流量Q2有关；rcPcP)(1rpAvQ2活塞油液流量；底阀油液流量；1Q2Q活塞的运动速率；v通过液压动力学基础可知，分析建立本系统的数学模型时，可将系统内油液流动分为三个部分：管径，小孔，缝隙流动。油液流动为管径流动时，压力为：2g）n（vgACQP压力损失系数（取0.82）；管径个数；vC管径横截面积；油液密度；gA管径内流量；Q油液流动为小孔流动时，压力为：k3hn12QbLPk减震油在小孔处宽度；孔的流量；kbk减震油在孔处高度；减震油动力粘度；h孔处的减震油长度；kL7油液流动为缝隙流动时，压力为：f3hn12QbLPf减震油在缝隙处宽度；缝隙的流量；fbf减震油在缝隙高度；缝隙的减震油长hL2.3.2复原阀的模型分析和构建为了便于分析理解，列出活塞的具体结构图和复原阀的工作结构图：图2.5活塞结构图图2.6复原阀工作结构图因为开始时油液压力不足以打开阀系的阀片，所以分为开阀前和开阀后两个过程。复原阀处开阀前，上腔油液先流过复原孔，然后通过活塞垫片的原缺口流入下腔（压力为Pfy1，Pfy2），所以总压力由Pfy1，Pfy2两部分组成，则可列下式：21fyfyPP由系统内零件结构可知，复原阀的孔长与孔径之比l/d为2.8，则通过液压动力学知识得减震油在此处为管径流动，即：8211）（2nACQPdvfy压力损失系数（取0.82）；管径个数；vC2复原阀孔横截面积；油液密度；2dA复原孔内流量；1Q在复原阀片缺口处，减震油长度远远大于流动的宽度和长度，则可列出：13122yhnQbPf减震油在缺口处宽度；孔的流量；1b1阀片厚度；减震油动力粘度；h孔处的减震油长度；缺口个数；121n当活塞移动速率达到一定大小时，复原阀片开启，产生缝隙。开阀后，上腔油液从复原孔通过垫片由油压作用产生的缝隙进入下腔（压力为Pfy3，Pfy4）。则可列出：12fKAP4131dfybQ23）（2nACQPdvfy活塞凸起的内径；阀片的等效弯曲变形刚度；13d1K油液在复原阀片的有效面积；阀片开度；2A凸起宽度；13b综上所述，复原阀处开阀后的总压力为：43fyfyPP2.3.3补偿阀的模型分析和构建当车体和车轮呈远离或远离趋势时，减震系统进入复原行程，下腔容积变大，上腔容积变小，因为活塞上的杆体占据了上腔容积，下腔增大容积大于上腔减小容积,所以导致储油腔减震油流入下腔，与此同时，补偿阀开始进行工作。9为了便于分析理解，列出底阀阀系的具体结构图和补偿阀阀的工作结构图：图2.7底阀阀系结构图图2.8补偿阀结构工作图因为开始时油液压力不足以打开阀系的阀片，所以分为开阀前和开阀后两个过程。底阀阀系处开阀前，储油腔油液从底阀阀系的垫片缺口经过底阀阀系的阻尼孔流进下腔（压力为Pbc1，Pbc2），所以总压力由Pbc1，Pbc2两部分组成，则可列出下式：2bc1bcPP在补偿阀中，阀片缺口处的减震油高度远远小于油液宽和长度，根据液压动力学知识可知，油液流动状态为缝隙流动，则可列出下式：1023411hnQbPbc缝隙处宽度；缝隙流量；43b2减震油在缝隙高度（阀片厚）；缝隙的减震油长；h41阀体缺口个数；43n由系统内零件结构可知，补偿阀的孔长与孔径之比l/d为2.9，则通过液压动力学知识得减震油在此处为管径流动，即：241）（nACQPvfy压力损失系数（取0.82）；补偿阀管径个数；vC管径横截面积；油液密度；4A管径内流量；2Q当活塞移动速率达到一定大小时，补偿阀片开启，产生缝隙。开阀后，储油腔油液从底阀阻尼孔通过底阀垫片由油压作用产生的缝隙进入下腔（压力为Pbc3，Pbc4）。则可列出：4bc3bcPP由系统内零件结构和通过液压动力学知识得减震油在孔中为管径流动，即：213）（nACQPvbc压力损失系数（取0.82）；补偿阀管径个数；vC2管径横截面积；油液密度；21A管径内流量；Q阀片处，减震油分为内圈（压力位Pbc41）和外圈（Pbc42）两处流动，则可得：2bc42F-KAP1121341dQbPbc23142bc又由条件可知：212Q则联立以上方程可得：432122）d（bcPbQ阀系内凸的内径；阀片的等效弯曲变形刚度；21d2K油液在补偿阀片的有效面积；阀片开度；A外凸起宽度；阀系内凸的外径；21b21d内凸起宽度；2.3.4流通阀的模型分析和构建图2.9流通阀的工作结构图为了便于分析理解，列出流通阀的具体工作结构图（图2.9）。因为开始时油液压力不足以打开阀系的阀片，所以分为开阀前和开阀后两个过程。12活塞处开阀前，下腔油液先流过活塞垫片的原缺口复原孔，然后通过复原孔流入上腔（压力为Plt1，Plt2），所以总压力由Plt1，Plt2两部分组成，则可列出下式：2lt1ltPP在流通阀中，阀片缺口处的减震油高度远远小于油液宽和长度，根据液压动力学知识可知，油液流动状态为缝隙流动，则可列出下式：311lthnQbP缝隙处宽度；缝隙流量；1b3减震油在缝隙高度（阀片厚）；缝隙的减震油长；h1阀体缺口个数；1n由复原阀处的建模可知，此处小孔内减震油流动为小孔流动，则可列出：2132lt）（nACQPv压力损失系数（取0.82）；补偿阀管径个数；vC管径横截面积；油液密度；1A管径内流量；3Q开阀后，下腔油液从复原孔通过垫片由油压作用产生的缝隙进入上腔（压力为Plt3，Plt4）。所以总压力由Plt3，Plt4两部分组成，则可列出下式：4lt3ltPP由系统内零件结构和通过液压动力学知识得减震油在孔中为管径流动，即：2312lt）（nACQPv阀片处，减震油分为内圈（压力位Pbc41）和外圈（Pbc42）两处流动，则：3lt42F-KAP3141dQbPbc1332142dQbPbc又由条件可知：3213Q则联立以上方程可得：4lt31232）d（Pb阀系内凸的内径；阀片的等效弯曲变形刚度；31d3K油液在补偿阀片的有效面积；阀片开度；A外凸起宽度；阀系内凸的外径；31b312d内凸起宽度；22.3.5压缩阀的模型分析和构建为了便于分析理解，列出压缩阀的具体工作结构图（图2.10）。图2.10压缩阀结构工作图因为开始时油液压力不足以打开阀系的阀片，所以分为开阀前和开阀后两个过程。底阀阀系处开阀前，下腔油液从底阀阀系的阻尼孔经过底阀阀系的垫片缺口流进储油腔（压力为Pys1，Pys2），所以总压力由Pys1，Pys2两部分组成，则可列出下式：21ysysPP由系统内零件结构可知，补偿阀的孔长与孔径之比l/d为2.7，则通过液14压动力学知识得减震油在此处为管径流动，即：2411ys）（2nACQPv压力损失系数（取0.82）；补偿阀管径个数；vC管径横截面积；油液密度；41A管径内流量；Q在压缩阀中，阀片缺口处的减震油高度远远小于油液宽和长度，根据液压动力学知识可知，油液流动状态为缝隙流动，则可列出下式：43412ys2hnQbP缝隙处宽度；缝隙流量；43b4减震油在缝隙高度（阀片厚）；缝隙的减震油长；h12阀体缺口个数；43n开阀后，下腔油液从底阀垫片由油压作用产生的缝隙通过底阀阻尼孔进入储油腔（压力为Pys3，Pys4），所以总压力由Pys3，Pys4两部分组成。则可列出下式：43ysysPP2413）（2nACQv压力损失系数（取0.82）；补偿阀管径个数；vC管径横截面积；油液密度；41A管径内流量；Q4ys4KAP4ys1234dbQ底阀阀系外突起内径；压缩阀片的等效弯曲变形刚度；412d4K油液在复原阀片的有效面积；阀片开度；凸起宽度；4A4412b152.4各个阻力模型分析和构建2.4.1对于摩擦力分析摩擦力模型的建立涉及到很多方面，如活塞的运动、减震油的动力粘度、系统内部压力的变化、甚至涉及到了减震器的安装精度各个零件的配合等。有液压动力学的相关知识，在系统处于低速时的摩擦力模型为：）（tanref12mx-fricfricVF是当时的最大值；max-fricFsV05.ref2.4.2对于储油腔气体压力分析由气体动力学知识可知：tVPO活塞运动方程：ASsin2A为活塞行程，为频率。所以体积为：rotSAV综合以上各式，可求出气压为：tsin2rooAVPP2.5阀片刚度计算的分析2.5.1阀片弯曲理论16图2.11阀片弯曲示意图在各种车用双筒减震系统中，阀的开启关闭都是通过液压压差使阀上的弹性发片发生弹性弯曲来实现的，而阀片的弯曲往往又是很复杂的过程，下面就这一问题进行分析（阀片弯曲变形如图2.11所示）：由弹性力学可得下列式：Drdfrd222p)1(h2ED力学弹性模量；泊松比；ED零件的弯曲变形刚度；r任意半径；h当量厚度；综上所述，可得出阀片开度方程：43321plnrfBB、四个系数通过求解得出。1B234B2.5.2弯曲变形模型建立分析由上一节分析，开度方程为：43321plnrfBB设方程特解为：4*则可得：3h16)(EPB所以得出：17DE64prh16）-（q3f3p433214lnrBBD由材料力学知识和构件的固有条件可知：当时：br；0brM0brQ当时：a；fardfar由以上的条件可以得出：；2121ACFBDB8p2b；1213ACFB3a32a144lnr6praBD具体的系数如下：；2b1r-a2rA；1C1C；63-lnr28p2bb1bDF；13aab2r由此计算可知，阀片的开度计算公式是很复杂的，所以对于阀片开度的建模，还需要进一步的简化研究。阀片开度随半径r变化规律如图2.1218图2.12阀片任意半径处开度（）pa1M通过对上式的整体观察研究，其可以简化为下式：3rhfG弯曲变形系数；rG为进一步简化，令，则可得：r3fhKGAfFK其中，A为受力的总面积。2.6若干模型构建过程中的细节（开阀点、限位高度、温度）2.6.1开阀点由于减震器中阀片存在预紧力，所以在油液低速运动状态下，油液的压差不足以是阀片开启；而当油液达到一定速度时，阀片由于压差发生弯曲，阀系打开，而此时油液的速度，就是开阀点，其计算过程如下（复原阀）：12fKAP1941312dfyPbQ)(1rpAvF1为阀片的预紧力，K为当量刚度，由条件即可求得的大小，此01大小即为开阀点。2.6.2限位高度由于油液达到开阀点后，阀片开启，随着油液的速度不断地增大，油液压差也会不断增大，最终导致阀片的开度不断增大，而由于力学性能和工作系统要求等条件影响，阀片达到一定开度后则不会再继续增大，此处开度即为限位高度。如：补偿阀的最大限位高度为3.6mm。其他各处限位高度均由性能决定。2.6.3温度减震器的温度条件极为复杂，而其影响最大的参数是油液的动力粘度，由液压动力学知识可知，一定温度内，油液粘度与温度关系为：n50tv其中：为50时减震油运动粘度。50vn可由表2.1求得：表2.1动力粘度与的对应值50v50v2.56.89.5122130384554606876n1.391.591.721.791.992.132.242.322.422.492.52.2.56由以上分析可知，选择油液时，应当选择粘度随温度变化较小的。2.7章内小结本章分析了工作原理，建立了四个阀系的数学模型，并且分析了阀片开度，限位高度，温度等各种阀系中的具体问题，基本完成了液压减震器的基本数学建模过程，接下来要进行的，就是在软件上实现各种仿真模块的建立和最后各种参数的分析。203基于Matlab/Simulink的减震器仿真模型建立3.1仿真工具简介MATLAB是美国的MathWorks公司出品的数学软件。主要用于算法的开发、数据的可视化、数据分析和数值计算等。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。Simulink是MATLAB的重要组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在Simulink中，简单的模块连接构建代替了复杂的公式建立模拟。Simulink适用范围广，真实客观，一目了然，计算速率很高，在更改调试时也方便快捷。因为Simulink的种种优势，它已经广泛适用于各种仿真模拟和数学建模的设计中。而且有大量的软件与Simulink相互交互，总之，Simulink已经成为一款广泛应用的重要工具。要使用Simulink也很简单，只需要打开Matlab，单击Matlab上方的Simulink图标即可（如图3.1）。图3.1进入Simulink界面方法21单击Simulink图标后，即可出现Simulink模块库。（如图3.2）图3.2Simulink模块库打开Simulink的模块库（如图3.2）之后新建一个文件，即可在新建的文件中进行各种模块的组建封装等工序。3.2减震器仿真流程图在系统仿真之前，需要对整个仿真过程进行流程图的编写，在减震阻尼系统工作中，可由第一章原理分析得出两个工作过程，即复原行程和压缩行程，而这两个行程在模拟仿真中可以通过速度的正负来区分。基于以上信息，可编写流程图如图3.3所示。22否是图3.3系统总流程图3.3减震器各个仿真模型3.3.1压缩行程、复原行程模型细节开始输入结构参数绘制阻尼特性图输出计算数据按压缩行程计算按复原行程计算输入模拟参数0输出结果23由第二章现有数学模型，通过对复原行程复原阀的分析理解，建立复原阀Simulink模块图如图3.4所示。图3.4复原阀Simulink数学模型图由第二章现有数学模型，通过对复原行程补偿阀阀的分析理解，建立补偿阀Simulink模块图如图3.5、图3.6所示。图3.5补偿阀Simulink数学模型图（上）24图3.6补偿阀Simulink数学模型图（下）由第二章知识，通过对压缩行程流通阀的分析理解，建立流通阀Simulink模块图如图3.7所示。图3.7流通阀Simulink数学模型图由第二章知识，通过对压缩行程压缩阀的分析理解，建立压缩阀Simulink模块图如图3.8、图3.9所示。25图3.8压缩阀Simulink数学模型图（上）图3.9压缩阀Simulink数学模型图（下）3.3.2摩擦力模型细节作用于减震器系统的摩擦力如第二章分析，最终化简为一表达式：）（tanref12mx-fricfricVF在Simulink中根据摩擦力公式建立摩擦力模型，该模型以正弦波做位移，通过调节参数来分析摩擦力的变化。模型如图3.10所示。26图3.10摩擦力Simulink数学模型图3.3.3计算阀片开度模型阀片开度模型主要用作观察不同半径处阀片开度的变化，根据第二章对阀片开度的分析，得到开度表达式：=+1ln+23ln+33+4通过对开度表达式的分析理解，其各个系数的Simulink模块图如图3.11、图3.12所示。图3.11D的模型图图3.12模型图1F图3.13模型图2F27图3.14模块图图3.15模块图1A2A图3.16模块图pf图3.17模块图图3.18模块图2B1B28图3.19模块图图3.20模块图3B4B图3.21总体模块图pf图3.11至图3.21就是整个开度计算系统所需要的模块，整个系统的建立大致步骤就是先将必须的系数计算模块建立起来，有：、。之后1A21F2根据这些模块计算出公式需要的系数，有：、。之后根据1B234Bpf表达式将系数连接起来即可。293.3.4总体仿真模型总体的仿真模块就是根据减震系统的关系将之前做好的各种模块连接，建立完整的减震器系统Simulink模型。根据压缩阻尼力，复原阻尼力，其他阻力三大模块整合成整体的Simulink模块，具体模块如图3.22所示。图3.22减震系统阻尼模型图3.4本章小结本章主要是利用第二章总结的各种数学模型对减震器系统进行建模，最主要的几个模块就是摩擦力模块、压缩阻力模块、复原阻力模块和阀片开度计算模块。为之后的仿真分析建立了前提基础，对于之后的变量分析，可能还需要对这些基本模型进行一些细微调节。304摩托车后减震器的仿真结果分析4.1减震器仿真性能4.1.1摩擦力仿真对摩托车后减震器进行静摩擦力的仿真分析，操作时，按照50mm的行程，规定速度为0.005m/s，仿真时间设定为100s（如图4.1、图4.2），则可绘制出静摩擦力的仿真示功图（如图4.3）。图4.1仿真时间设定图4.2仿真波形设定31图4.3静摩擦力仿真结果由图4.3仿真结果分析可知，静摩擦力的变化是比较小的，是在误差允许范围的，所以静摩擦力可以应用于仿真模型。4.1.2示功图仿真结果运用建立好的减震器系统阻尼模型，对其进行示功特性的仿真分析，根据一般的路面状况，假设活塞运动为一正弦波，行程为50mm，整个行程中，活塞最大速度为1m/s（设置过程如图4.4），再根据SDH125摩托车后减震器的主要结构参数（表4.1），则可得出示功图（如图4.5）。图4.4减振阻尼系统参数调节32表4.1减震器主要参数图4.5减震阻尼系统示功图从图4.5可以看出，该减震器的各个位移处和速度处的阻尼力与一般摩托车后减震器的性能要求的示功曲线基本一致，总体符合实际情况下的工作，误差相对来说比较小，但仍有一些速度点处的工作阻尼力略有瑕疵。4.1.3速度特性仿真结果对减震器速度特性进行仿真，测试范围为0m/s至1m/s，仿真参数调节如图4.4，由此可得仿真结果如图4.6、图4.7所示。参数尺寸参数尺寸垫片活塞杆直径压缩阀阀片工作缸内径20复原阀阀片14.660.1复原孔补偿阀阀片1960.2补偿孔42流通阀阀片1960.2压缩孔42补偿阀鞍型垫片流通孔流通阀鞍型垫片16.590.2复原节流阀片0.21.8活塞20612压缩节流阀片0.21.633图4.6复原行程速度特性图图4.7压缩行程速度特性图由图4.6、图4.7可知，减震器的阻尼力随速度的增大而增大，符合实际情况，并且速度和阻尼力的关系近似于直线，证明仿真结果较真实，且误差较小。4.2减震器各个参数对阻尼特性影响4.2.1复原阀孔个数对阻尼力的影响通过之前第三章建立好的阻尼模型，设定速度为1ms，以复原阀的节流孔个数为变量分析复原阀孔的数目对阻尼力的影响。分为压缩行程和复原行程两个部分，进行模拟仿真。图4.8复原孔对阻尼力影响（1）图4.9复原孔对阻尼力影响（2）复原行程压缩行程34由图4.8、图4.9分析可知，活塞上的复原节流孔个数和减震器的阻尼力大小成反比，且在复原孔数增大过程中，孔数对阻尼力的影响也逐渐减小，综上所述，阻尼孔的个数也是影响减震器性能的重要参数。4.2.2活塞阀系阀片缺口个数对阻尼力的影响通过之前第三章建立好的阻尼模型，设定速度为0.3ms，以活塞阀系上的阀片缺口为变量分析阀片缺口的数目对阻尼力的影响，分为压缩行程和复原行程两个部分，进行模拟仿真。图4.10阀片缺口数目对阻尼力影响（1）图4.11阀片缺口数目对阻尼力影响（2）通过图4.10、图4.11可知，活塞阀系上的缺口个数与阻尼力大小成反比，且缺口数目较小时，数目对于阻尼力的影响较大。4.2.3摩擦力对减振阻尼系统的影响图4.12摩擦力大小对阻尼力的影响通过之前第三章建立好的模型，设定速度为0.7m/s，以摩擦力大小为变量复原行程压缩行程复原行程压缩行程35分析模拟摩擦力大小对阻尼力的影响。通过对图4.12的分析可得，摩擦力相对于阻尼力较小，其对于阻尼力的影响就是阻尼力随摩擦力增大而增大，由于摩擦力的增加是线性的，所以摩擦力的影响比较小。4.2.4储油腔压力对减振阻尼系统的影响利用第二章的储油腔气压知识和第三章的减震阻尼系统模型，设定速度大小为0.7m/s，此时以储油腔压力大小为变量，分析储油腔压力对阻尼力的影响。（如图4.13）图4.13储油腔压力大小对阻尼力的影响由图4.13可分析得，减震器内，储油腔压力与复原行程阻尼力成反比，而与压缩行程阻尼力成正比，并且储油腔压力对阻尼力的影响相对较小。复原行程压缩行程365全文总结及展望减震器随着机动车产业的进步而不断更新换代，世界各地的机械工程师都在为减震器的舒适性、安全性、平稳性等各种性能不断优化提高做出自己的努力。本文也是选择了SDH125型机动车的后减震器进行设计分析。建立数学模型、建立仿真模型，之后进行仿真模型、仿真分析，在这整个过程中，每个环节都进行了大量的查阅，认真的审核检查，细致的分析和谨慎的参数选择。而在减震器的设计制造中，面临的主要问题有：一是在减震器中有很多的液压相关的结构和零件，这就导致在制造装配时对于零件的精度要求很高，也使得在平时使用后的维修、护理等环节比较严苛困难；二是有些油液容易发散到空气中，使得液压系统的工作油液发生变化，减震器工作性能会受到影响；三是减震器与其他部件的结合需要特定的结构和元件，由于其他的结构和元件在选择、制造、装配时的不合理会导致减震器工作的不稳定，甚至发生故障。我国的减震器制造水平正随着国家的发展不断地进步中，在现今的机动车领域里，常见家用轿车和摩托车等车型已经几乎被国内减震器市场占领，而高端的车型中，也有不少“中国制造”。于此同时，我们也进行着高端减震器技术的研发，我国的减震器行业也正向着国际先进水平稳步前行。减震器的发展一定是向着结构合理、造价适宜、性能稳定、舒适可靠、操作简单等方向发展的，而符合这一方向的，就近几年的发展来看，减震器应该会向着可调阻尼减震器的方向发展，因为它相较于普通的双筒式减震器而言，可以应对不同路面的阻尼要求，起到自动调节的作用。在这次设计里，我努力完成各方面的工作，通过这些过程，我收获到了很多有价值的知识和经验，比如，通过查阅大量文献，我学会了如何在大量信息中提取出有价值的，需要的关键信息。在设计建模过程中，提高了自己的计算分析、图形构建、任务规划等能力，与此同时提高了对于液压动力学和材料力学等学科的知识水平。虽然在整个过程中，我努力让自己的设计完善准确，但是由于我对于设计相关知识的匮乏和能力有限，此次设计必然出现了很多错误和不恰当的地方，希望各位老师多多包涵和指导。37参考文献1张洪欣.汽车设计M机械工业出版社2陈桂明，张明照等编著.应用MATLAB建模与仿真M科学出版社3钟麟，王峰编著.MATLAB仿真技术与应用教程M.国防工业出版社4张森，张正亮等编著.MATLAB仿真技术与实例应用教程M.机械工业出版社5王望予.汽车设计M.H北京:机械工业出版社,2006.6齐晓杰,吴涛,安永东.汽车液压与气压传动M.H北京:机械工业出版社,2005.7周松鹤,徐烈恒.工程力学M.H北京:机械工业出版社,2003.8陈淑梅.液压与气压传动M.2011.9黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真M，北京：国防工业出版社，200610陈家瑞.汽车构造M.北京:机械工业出版社,201111任