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液壓減振器/ 減振支柱的分類和發展歷程

發布時間:2020-09-15 09:50人氣:

液壓減振器是汽車空氣懸架系統的阻尼部件,對迅速耗散振動能量起著關鍵作用。針對液壓減振器模型的研究方法與針對空氣彈簧的研究方法有類似之處,也可大致分為多物理參數化建模、簡化參數化( 力元)建模、非參數化( 黑箱) 建模和混合建模方法。
 
集成式液壓減振支柱( 簡稱減振支柱,下同) 一般是指螺旋鋼彈簧或空氣彈簧與液壓減振器的集成式產品,如圖3 所示為某型鋼彈簧液壓減振支柱和空氣彈簧液壓減振支柱。由于采用了集成式設計方法,懸架零件數量減少,重量減輕,有效節省了安裝空間,還便于實現電子控制。從理論上講,集成式減振支柱的輸出力和采用分散設計時的輸出力大小一樣,力作用點稍有變化,但由于阻尼力和彈簧力是耦合在一起的,給懸架分析、標定帶來一定困難。馬莉等[31] 通過特性方程推導,解耦出了減振支柱空氣彈簧部分的靜剛度特性,并通過臺架試驗、數據分析,驗證了靜剛度特性方程的正確性。目前,減振支柱特別是空氣彈簧液壓減振支柱在國內尚沒有產品目錄、技術標準和專用試驗方法。
 
圖3 集成式液壓減振支柱[30]
液壓減振器/ 減振支柱的分類和發展歷程
 
可變阻尼液壓減振器、可變剛度和阻尼的空氣彈簧液壓減振支柱一直是汽車智能懸架的核心部件,下面就這部分內容進行簡要分類和介紹。
 
1) 行程敏感、負載敏感液壓減振器/ 減振支柱:這是一類通過結構變化或者負載關聯方式獲得可變(自適應) 阻尼的液壓減振器/ 減振支柱,本質上屬于被動式液壓減振器/ 減振支柱的范疇,無需傳感器和電子控制。圖4 是一種行程敏感(stroke-dependent) 液壓減振器及其阻尼力-速度特性[11,30]。當車輛承受額定負載在良好路面上勻速行駛時,減振器活塞振動平衡位置處于中部區域,由于缸筒內壁在此區域內開有旁通槽,因此減振器阻尼力較小,特性較軟,車輛能獲得較好的舒適性;當車輛處于側傾、縱傾或振動較大工況,或處于重載或空載工況時,減振器活塞振動平衡位置處于兩端區域,由于缸筒內壁在此區域內沒有旁通槽,因此減振器阻尼力較大,特性變硬,車輛此時又能獲得良好的操縱穩定性;一般由于旁通槽的加工工藝保障,減振器在軟、硬阻尼切換區域能獲得良好的過渡特性。行程敏感液壓減振器/ 減振支柱適合配置于承載變化范圍大又具有良好舒適性和安全性的商用車輛懸架中。
 
圖4 一種行程敏感液壓減振器及其阻尼力- 速度特性[11,30]
液壓減振器/ 減振支柱的分類和發展歷程
圖5 所示是在奧迪A6(參數|圖片)[9] 空氣懸架中配置的一種氣動阻尼控制(pneumatic damping control, PDC) 負載敏感(load-dependent) 空氣彈簧液壓減振支柱的結構原理圖。減振器的工作原理是:主壓力缸筒通過孔道與副壓力缸筒相通,油液在副壓力缸筒與儲油缸之間的流動則由一個PDC 閥來控制;PDC 閥實際上是一個由氣囊氣壓控制的節流閥,氣壓增大,節流口關小,直至關閉;氣壓減小,節流口增大,直至最大。當車輛因承載減小或者底盤控制高度降低而引起氣囊氣壓減小時,PDC 閥節流口增大,引起減振器阻尼力減小,特性變軟;反之則引起減振器阻尼力增大,特性變硬。也就是說,不管車輛負載怎么變化,懸架阻尼總能與空氣彈簧剛度自適應形成匹配,使得車輛具有良好的舒適性和操縱穩定性。
 
圖5 一種氣動阻尼控制(PDC) 負載敏感空氣彈簧液壓減振支柱[9]
液壓減振器/ 減振支柱的分類和發展歷程
由于行程敏感、負載敏感型液壓減振器/ 減振支柱無需傳感器和電子控制,成本低、可靠性高,還能獲得自適應阻尼特性,近年來,國外通過結構創新[30]不斷有新型被動式可變阻尼減振器產品推出,其研發熱度有增高的趨勢。
 
近年來,隨著國外產品進入中國市場,國內學者開展了一些有意義的消化和科研工作,譬如針對行程敏感液壓減振器[32-33] 和PDC 空氣彈簧液壓減振支柱[34]的研究,其主題包括多物理參數化建模、阻尼特性仿真、臺架實驗與驗證分析。
 
2) 電控液壓減振器/ 減振支柱:早期的電控減振器[35] 產品采用微小電機控制與活塞桿同軸的閥桿轉動,從而改變活塞上轉閥節流孔的大小,實現對阻尼的調節,這種結構的減振器/ 減振支柱產品目前還有應用。江浩斌等[36-37] 研究了這種結構減振支柱的多物理參數化建模、特性仿真、臺架實驗驗證以及采用這種減振支柱的半主動懸架汽車的動力學仿真分析。
 
隨著加工制造工藝和電磁閥技術的發展,近十幾年又出現了以副壓力缸筒作為分流控制源、以電磁閥控制節流的結構形式,如圖6a 所示是一種連續阻尼控制(continuous damping control, CDC) 液壓減振器[30]。該減振器由一個反比例電磁閥連續控制處于副壓力缸筒和儲油缸之間節流口的大小,從而實現對阻尼力的連續調節。當反比例電磁閥無控制電流或失效時,其節流口關閉,減振器相當于常規被動式減振器,此時阻尼特性最硬;當反比例電磁閥有控制,電流逐漸增大時,其節流口開啟并逐漸增大,此時阻尼特性變軟,直至最軟。圖6b 所示為該減振器的阻尼特性變化范圍[30],在深色區域內,減振器特性較硬,車輛以獲得良好操縱穩定性為主;在淺色區域內,減振器特性較軟,車輛以獲得良好舒適性為主。圖6c 所示則是在CDC 減振器基礎上設計的一種CDC 空氣彈簧液壓減振支柱[30],空氣彈簧帶有附加氣室,因此該減振支柱剛度、阻尼都可以變化,是當前汽車主動控制懸架中最先進的減振支柱產品之一。
 
圖6 連續阻尼控制(CDC) 液壓減振器、空氣彈簧液壓減振支柱[30]
液壓減振器/ 減振支柱的分類和發展歷程
Witters 等[38] 基于神經網絡方法對某CDC 液壓減振器進行了黑箱建模,通過最優實驗設計、回歸向量選擇和參數估計進行了模型辨識。王洪成[39] 研究了CDC 液壓減振器的參數化建模、仿真與臺架實驗分析,并針對某車型研制了半主動懸架控制系統硬件和軟件,進行了實車道路試驗。李明[40] 也研究了CDC液壓減振器的原理、結構,進行了阻尼特性臺架試驗和實車道路試驗。任欣[41] 則基于計算流體動力學(computational fluid dynamic, CFD) 方法,分析了某半主動葉片式減振器上配置的比例閥的流量、開度與驅動電流的動態關系,實驗驗證了分析結果的正確性,為減振器的設計和控制提供了基礎。
 
奔馳系列車型上使用了一種類似以上CDC 減振器結構的半主動電控減振器,其不同點是采用了兩只開關型電磁閥,對兩套外置式活塞及閥門進行組合控制,一共能獲得四檔阻尼特性。近年來,部分國內學者針對這種減振器進行了學習、研究。此外,近5 年針對電、磁流變半主動減振器/ 減振支柱產品的研發進展很快??梢灶A見將來該類產品和油壓式減振器/ 減振支柱產品一樣,能批量應用于汽車懸架系統。由于這部分研究涉及另外一個主題,本文不再論述。
 
綜上所述,傳統固定阻尼特性的液壓減振器向可變阻尼特性液壓減振器方向發展,向集成式減振支柱方向發展??諝鈴椈梢簤簻p振支柱當前的發展趨勢是:空氣彈簧帶小型附加氣室,基點靜剛度2~3 級可調;液壓減振器具有有級或連續可調阻尼,通過行程敏感、負載敏感或電子控制方式與剛度形成實時最佳匹配;減振支柱總體具有水平控制、底盤升降和剛度阻尼自適應控制等功能。
 
以上技術都來源于國外,國內在常規液壓減振器技術方面已有規模和基礎,但在減振支柱尤其是可變剛度和阻尼的支柱方面,目前處于起步階段,只有部分企業在進行研究、試制。其難點在于電磁閥、空氣彈簧和液壓減振器的集成工藝以及上批量后產品質量的控制問題。雖然減振支柱目前在國內還沒有產生有效的市場驅動,也沒有批量產品和產品標準,但其發展和普及已是大勢所趨,在未來具有很好的應用前景。

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