汽车减振器阻尼特性的仿真分析_任卫群(精)

第18卷增刊2 系
统仿真学报© V ol. 18 Suppl.2
2006年8月 Journal of System Simulation Aug., 2006
汽车减振器阻尼特性的仿真分析
任卫群1, 赵峰1, 张杰1,2
(1.华中科技大学CAD 中心, 湖北武汉 430074; 2.万向集团技术中心, 浙江杭州311215
摘要:采用系统仿真方法及MATLAB 软件,建立汽车减振器的详细模型,并进行仿真研究。

模型能反映减振器的详细物理结构,如考虑油液特性影响、阀片刚度影响、摩擦力影响等。

模型经试验校验/阻尼特性计算精度达90%,模型精度能满足实际工程问题的需要。

经二次开发形成一套能进行参数化自动建模和仿真分析的软件系统,最终在汽车减振器设计过程中形成一套阻尼特性研究的系统完整的方法。

关键词:系统仿真;汽车减振器;阻尼特性中图分类号:TP 391.77 文献标志码:A 文章编号:1004-731X (2006 S2-0957-04
Simulation on Damping Behavior of Vehicle Shock Absorber
REN Wei-qun 1, ZHAO Feng 1, ZHANG Jie 1,2
(1. CAD Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;
2. Wanxiang Group Technical Center, Hangzhou 311215, China
Abstract: The system simulation method and the MATLAB software were used to build a detailed model of a vehicle shock absorber. The detailed structure includes in the model , such as the hydraulic properties, the valve stiffness and the friction force. The absorber model was validated using test data and the precision is above 90%, which can fulfill the engineering requirement . An automated modeling and simulation software package based on MATLAB was developed, which could support a systematic research of vehicle shock absorbers in its design.
Key words: system simulation; vehicle shock absorbers; damping behavior
引言目前汽车悬架中广泛采用双向筒式液压减振器提供悬架阻尼,其动力学特性对汽车操纵稳定性、平顺性等都有重大影响,因此减振器性能预测与设计方法改善已成为重要研究课题。

传统设计方法主要根据经验确定设计参数然后进行试验修正,采用结构参数不同的样机装备于要匹配的汽车,由试车员进行实车试验评价,这个过程须对减振器内部参数进行多次反复调整,并经多次试制与试验,这种完全依赖于样机实验的设计方法不但周期长、成本高,而且较难获得最优的减振器特性。

为克服上述方法缺点、减少减振器样机试制及实车试验费用、缩短开发周期,利用系统仿真技术进行减振器性能预测和设计优化已成必然趋势,其基本过程是基于减振器结构建立数学模型,经模拟分析得到阻尼特性,将此特性用于汽车系统动力学和振动分析,评价汽车的操纵稳定性、平顺性等性能,在此基础上对减振器特性和结构进行优化设计。

因此,采用系统仿真方法进行减振器研究的核心问题是建立准确反映减振器特性的模型,以便在设计阶段能准确预测减振器的阻尼特性。

收稿日期:2006-04-29 修回日期:2006-06-01
基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2003AA001031; 国家自然科学基金(60574053
作者简介:任卫群(1971-, 男, 湖北人, 博士, 副教授,
研究方向为系统仿真、机械系统CAE, 汽车动力学与控制; 赵锋(1980-, 男, 湖北人, 硕士生, 研究方向为汽车动力学仿真; 张杰(1978-, 男, 湖北人, 博士生, 工程师, 研究方向为汽车动力学仿真。

汽车双向筒式液压减振器的仿真模型分为两类,一类是反映减振器外部特性的黑箱模型[1-2],包括恢复力映射方法、神经网络方法等,黑箱模型不能细致地反映减振器具体结构(如阀片具体参数调整对性能的直接影响,不能完全满足减振器模型作为性能预测工具的需要。

另一类是基于内部结构机理建模的详细物理模型[3-4],包含压力模型和阀片压力-流速特性,其中压力模型用一阶非线性微分方程表达流体可压缩性模型、确定不同的内部腔体压力,阀片的压力-流速特性可采用测力计试验辨识阀片参数后解析地确定、或由试验直接测定得到压力-流速数据、或采用计算流体动力学(CFD方法计算不同阀体元器件压力-流速特性。

国内有北京理工大学、清华大学等对减振器的阻尼特性进行了研究[5-6]。

因此,针对汽车双向筒式液压减振器的仿真研究,需要开发一套系统完整的减振器仿真模型,能详细反映减振器内部结构及参数,反映减振器内部结构(如阀片调整对减振器阻尼特性乃至整车性能的影响。

论文针对万向集团实际生产的减振器,采用系统仿真方法并基于MATLAB 软件,建立其阻尼特性仿真分析的模型;模型能反映减振器详细的内部结构及参数,如考虑流体密度随压强的变化,集成阀片刚度的有限元分析结果等;模型经过试验验证,其阻尼特性计算精度达90%,能满足解决实际工程问题的需要;最后在MATLAB 软件基础上开发参数化自动建模软件系统,形成汽车双向筒式减振器阻尼特性研究的系统完整方法,方便设计人员使用。

2006年8月系
统仿真学报 Aug., 2006
1 减振器基本结构及工作过程
万向集团实际生产的一种汽车双向筒式液压减振器,其实际结构如图1所示。

图1 汽车双向筒式液压减振器的实际结构
上述基本结构中包含的减振器基本液力系统,主要有减振器油液、承载减振器油液的基本液力腔以及连通三个液力腔的基本阀系。

减振器油液,具有液体基本特性参数。

基本液力腔包括上腔(第I 腔,下腔(第II 腔和补偿腔(第III 腔。

基本阀系主要包括复原阀分总成和压缩阀分总成,复原阀分总成包括复原阀和流通阀,其主要开口部位包括复原阀片开口(A5_15、流通阀片开口(A19、阀座上两列常开的通孔(A20、A21,以及复原阀和流通阀在液力作用下变形造成的开口res A ,flow A ;压缩阀分总成包括压缩阀和补偿阀,其主要开口部位包括压缩阀片开口(A1_4、补偿阀片开口(A16、阀座上两列常开的通孔(A17、A18,以及压缩阀和补偿阀在液力作用下变形造成的开口comp A ,equ A 。

在减振器实际运动过程中,当减振器活塞向下运动时,油液从下腔(第II 腔流向上腔(第I 腔以及补偿腔(第III 腔,这时由于流体压力的作用使得压缩阀(A1_4打开、
流通阀(A19打开;而当减振器活塞向上运动时,油液从上腔(第I 腔以及补偿腔(第III 腔流向下腔(第II 腔,这时由于流体压力的作用使得复原阀(A5_15打开、补偿阀
(A16打开。

由于活塞向上和向下运动时流体运动的通路不同,造成所形成的阻尼力有所不同。

2 减振器阻尼特性的建模和仿真方法
根据这种双向筒式减振器的结构和应用条件,在减振器模型建立过程中有以下基本假设:流经多孔口的流动是湍流流动,流动是准稳态的;忽略孔口处的液体容积;
在液体集中的腔室容积内,压力瞬时均匀化,不考虑容积内的压力分布;忽略缸壁的柔性;忽略节流中的热量生成,不使用能量
方程;忽略导向杆的泄漏面积。

根据这样的基本假设,着眼于基本液力系统及主要阀系的特性,进行适当抽象及简化,建立减振器的模型,如图2所示。

图2 汽车双向筒式液压减振器的模型
上述模型中以一些基本物理量表征减振器油液、基本液力腔及基本阀系的特性,根据流体的基本物理规律进行压力、流量等的计算,最终得到减振器阻尼特性的变化规律。

仿真过程中,首先按时间流程计算每步长下的运动速度x
&,继而进行各液压腔压强p 的预估(包括1p ,2p ,3p 预估。

然后计算各腔的流
量(2
1−Q
&,23−Q &或12−Q &,3
2−Q &,进而用质量守恒方程校核。

假设12−Q &,32−Q &,0
1−Q &,分别为下腔至上腔、下腔至补偿室、上腔至补偿室的油液瞬时容积流量,
(2
1−Q
&,2
3−Q &则反之,根据上腔和下腔的质量守恒,有: 11221112110(d V Q Q Q dt
ρρρρ−−−=−−&&& ((3212223321122−−−−+−+=Q Q Q Q dt
V d &&&&ρρρρ (1 上述式中,若21p p >,则012=−Q &,021>−Q & 若12p p >,则021=−Q &,01
2>−Q & 若32p p >,则023=−Q &,032>−Q & 若23p p >,则032=−Q &,02
3>−Q & 粘性液体通过节流孔的流量与压差的关系一般可用下式描述:
n d
p A C Q /12(ρ
∆=& (2 式中d C 是流量系数,A 是通流面积,p ∆是节流孔前后压差,
ρ是流体上游密度,Q
&是容积流量,n 是经验指数,一般取为1.75。

根据以上公式和计算过程,通过压
强p 的修正和流量与压强计算的迭代,达到精确确定各腔压强的目的。

最后根据上面计算得到的各腔压强1p ,2p ,3p 的精确数值,计算得到总的阻尼力: ((12v sign F p A A p A F f r p p ⋅−⋅−−⋅= (3
其中A p 为活塞面积,A r 为连杆面积,F f 为摩擦力。

根据以上公式得到运动速度与阻尼力间的对应关系。

完成所有步长下对应关系的计算,最后得到阻尼特性曲线。

2006年8月任卫群, 等:汽车减振器阻尼特性的仿真分析Aug., 2006
以上的减振器详细模型,为能更准确地反映实际结构的特性,针对一些特殊问题进行了特殊处理。

如考虑油液粘湿特性、油液可压缩性、油液中气泡产生及其对油液特性的影响;减振器阀片变形特性对整个阻尼特性分析影响显著,因此阀片变形特性采用有限元方法以得到更为准确的结果;在阻尼力计算中还考虑了摩擦力的影响。

以上有关油液特性、阀片变形特性、摩擦力影响等复杂因素的考虑,使减振器阻尼特性的描述更为精确细致、能更准确地反映实际物理结构特性的规律。

3 减振器阻尼特性仿真模型的校验
减振器阻尼特性的仿真模型需经过校验,一般采用在相同输入条件和运行环境下对模型与实际系统输出之间一致性进行比较的方法,评价仿真模型的可信度或可用性。

具体研究中采取典型的测试条件,通过台架试验得到这些条件下减振器阻尼力的数值;同时将这些试验条件作为仿真模型校验的边界条件,在同样边界条件下运行仿真实验,将其结果与试验结果进行比较校验。

减振器阻尼特性的具体测试一
般采用减振器特性试验台(如
MTS849试验台等进行测试,台架
结构如图3所示,试验台驱动单元能
够采用一定的频率加载,使得减振器
在一定位移范围内往复振动,同时试
验台可记录减振器阻尼力与位移(或
速度的关系。

同样采用与台架测试
相同的边界条件,可得到减振器阻尼
力与位移(或速度仿真实验的结果,
与台架试验结果进行比较。

仿真结果与试验测试的比较如图4所示,图中点为试验数据,曲线为仿真结果。

仿真结果能与实验数据良好地吻合(局部相对误差在10%以内。

图4 仿真结果与试验测试的比较
以上模型是在5.2Hz时测试的。

在其他频率加载时进行测试,对阻尼力的最大和最小值(即位移为0、速度最大时的阻尼力数值进行记录,然后将仿真分析的结果与所记录的测试数据进行比较,结果如表1所示。

由表1可见,仿真分析的相对误差基本能控制在10%以内(精度90%以上。

表1 仿真分析结果与测试数据的比较
ω试验测定(N 仿真计算(N 相对误差%
1.04(max 94.05 101.37 7.78
1.04(min
-132.98 -121.68 8.50
2.6(max
340.95 331.80 2.68
2.6(min
-172.21 -170.19 1.17
5.2(max
565.73 542.10 4.20
5.2(min
-280.40 -295.10 5.30
7.8(max
762.12 780.59 2.42
7.8(min
-365.79 -403.60 10.30 根据上述与测试结果对比的校验,可见仿真模型的精度基本上可以控制在90%以上,能够满足工程实际的需要,从而可确定减振器阻尼特性的仿真模型是可信的。

4 自动建模与仿真软件系统的开发
以上建模与仿真分析过程比较复杂,在企业实际应用中需要具有专门训练的分析计算工程师才能完成;而一般设计工程师在设计过程中就需要进行性能校核。

针对这种需求,基于MATLAB软件进行GUI(图形用户界面开发,形成了减振器阻尼特性的自动建模与仿真分析系统。

系统的流程如图5所示。

图5 自动分析系统的流程
在MATLAB中运行自动分析软件,就可以打开自动分析软件的参数化自动建模界面,如图6所示。

在上面参数输入界面中,根据提示逐项输入所需的输入参数(所有参数都有缺省值,如需修改则在原有参数上修改输入即可。

之后设置仿真试验的条件,以及设置仿真试验的参数,就可以运行自动仿真分析,得到减振器阻尼特性仿真分析的结果。

利用以上的自动建模与仿真分析系统,设计工程师可以不必自行编制软件来进行分析,而只要输入设计参数,就可得到减振器阻尼特性的分析结果,修改参数后可以很快进行新的分析、得到结果,这样就为理性、高效的设计提供了可靠的工具。

图3 减振器阻尼特性
试验台架
2006年8月系统仿真学报 Aug., 2006
图6 自动建模界面的参数输入
5 结论
(1 建立了汽车双向筒式减振器的详细模型,模型除考虑减振器详细物理结构外,还能考虑油液特性、阀片变形特性等,能够更好地反映实际减振器结构的特性。

(2 减振器模型经过试验验证,其阻尼特性计算精度达90%,能够满足解决实际工程问题的需要。

(3 采用MATLAB软件建立了一套汽车双向筒式减振器自动建模与仿真分析的软件系统,形成了一套研系统完整的分析方法,可极大方便设计工程师使用。

参考文献:
[1] Duym, S., Schoukens, J., Guillaume, P.. A local restoring force
surface method[C]//Proceedings of the 13th International Modal Analysis Conference. Nashville, Tennessee, 1995: 1392-1399.
[2] Fash, J.. Modeling of shock absorber behaviour using artificial neural
networks [C]//SAE paper 940248, 1994.
[3] Duym, S.. Simulation tools, modeling and identification, for an
automotive shock absorber in the context of vehicle dynamics [J].
Vehicle System Dynamics (S0042-3114, 2000, 33: 261-285.
[4] Herr, F., Mallin, T., Roth, S.. A shock absorber model using CFD
analysis and Easy5[C]//SAE Steering and Suspension Technology Symposium. 1999: 267-281.
[5] 俞德孚. 车辆悬架减振器的理论和实践 [M]. 北京: 兵器工业出
版社, 2003.
[6] 李世民. 筒式液阻减振器液-固耦合动力学特性仿真技术研究
[D]. 清华大学博士学位论文, 2004.
(上接第944页
取的权记数据变化不大,与图6(c相同。

当T=16时,对隐藏的权记数据的提取有较大的影响,但此时图像已经产生明显的失真,该图像不具有实用价值。

当压缩比达到12.4时,仍然能够提取完整的权记标识数据。

非IP拥有方对权记数据的检测。

从图5(b上凭人的肉眼分无法辨出两幅图像之间存在的差别。

在隐藏权记数据后, PSNR = 129.876,SNR=98.47,说明非IP拥有方从表面上根本无法感知是否有隐藏的权记数据存在。

再分析两幅图像的直方图和差分图像,结果如图7所示。

图7a是对图5(b上两幅图像的差分结果(经过放大处理,差值为正时为白点,为负时设为黑点,两幅图像间相差的最大值为diff =±2,该差分图像的均值为0.0347,该图非常凌乱,类似均值为零的白噪声,因此无法通过该图确定否有隐藏的权记数据存在。

图7(b和图7(c分别为图5(b上两幅图像的直方图,凭肉眼无法看出二者的差别,通过数据的计算机处理,得到图7(d的数据,它表示两直方图在相同位置的差别,差别最大的地方不足100,而在这些差别较大的地方的直方图原始数据均超过2000,差别不到1/20,而且差别也与原始直方图的分布大致一直,因此通过直方图来确定是否有权记信息存在的方法也无法得出正确的结论。

(a (b (c (d
图7 权记隐藏的检测特征分析
实验五抗噪声实验。

在隐藏权记数据的图像中分别加入高斯噪声、椒盐噪声(如图6(d、泊松噪声等,然后再从中提取隐藏的权记数据。

图6(d是加入密度为0.01的椒盐噪声后提取权记数据的结果,权记数据图像质量明显下降,但还能够识别出权记的存在。

当噪声密度加大,超过0.1时,权记标识已经被噪声淹没,此时无法提取出正确的权记图像。

另外两种噪声也存在相同的情况。

该方法能够抵抗中等强度的噪声攻击,具有一定的应用价值。

因为,当噪声大时图像的质量也下降非常快,也丧失了使用价值。

5 结论
数字媒体的知识产权保护技术是当前信息处理领域的热点技术。

本文提出隐藏、分散和加密三层结构的权记信息隐藏技术。

利用混沌序列加密权记信息,将DWT引入权记隐藏、分散过程,同时采用混沌序列控制隐藏、分散过程,得到一种高强度的知识产权保护权记保护实现系统。

该系统能够有效保护数字媒体的全部及各个有意义的局部信息;同时能够有效阻止盗用者去掉权记信息;具有较好的抗信道干扰和数据篡改的能力;具有较好的抗压缩性能,具备广阔的应用前景。

参考文献:
[1] 罗永, 成礼智, 徐志宏, 等. 基于带参数整数小波变换可见数字水
印 [J]. 软件学报, 2004, 15(2: 238-249.
[2] 李道远, 常敏, 袁春风. 基于小波变换的数字水印综述 [J]. 计算
机工程与应用, 2003, 23(23: 65-67.
[3] 李华, 朱光喜, 朱耀庭. 基于视觉特性和小波分解的数字水印隐
藏方法 [J]. 通信学报, 2000, 21(6: 37-41.
[4] Fabien A P Petitcolas, Ross J Anderson, Markus G Kuhn.
Information Hiding-a survey [J]. Proceeding of the IEEE, 1999, 87(7: 1062-1077.
[5] Cox I J, Kilian J. Leighton T. et al. Secure spread spectrum
watermarking for multimedia [J]. IEEE Trans. On Image Processing,
1997, 6(12: 1673-1687.
[6] 尹显东, 姚军, 李在铭. 一种基于小波变换域和混沌序列的图像
加密算法 [J]. 信号处理
, 2005, 21(3: 261-266.。