获第一汽车集团公司和长春孔辉汽车科技股份有限公司的支持,本课题对一款外置先导溢流阀控制的半主动减振器的关键理论展开研究,旨在掌握该类型减振器的关键结构、技术、理论,为开发类似的减振器提供相应参考。相关减振器的核心问题主要集中于外置式先导溢流阀和半主动控制策略两方面。先导溢流阀的性能优异,零部件少,结构紧凑,动态响应快。然而,由比例电磁铁驱动的先导阀、圆环形阀片控制的溢流阀、垫片阀组成的先导溢流阀是一个涉及材料学、电磁学、流体力学、弹性力学、运动学等众多学科的复杂耦合系统。先导溢流阀的复杂性及鲜有文献深入揭示其结构、性能、机理等关键问题给设计、建模、分析等方面带来了困难。为了掌握关键技术,本文围绕着递减规律的压力-流量特性、快速动态响应能力两方面的中心任务,并按照模块化的思路逐步解决了各部分结构、技术、基础理论等方面的难题,完成了减振器、整车试验,形成了较为完善的分析方法和开发过程。本文研究的主要内容和成果如下:(1)从减振器整体结构、机理层面分析了减振器的主要部件、外部先导溢流阀在实现递减规律的阻尼特性和快速动态响应能力方面所发挥的作用。(2)以先导阀阀芯所受各种作用力为线索来对先导阀建模和分析,继而分析阀芯的位移特性和先导阀的流量特性。结合非线性数学模型、金相分析、试验等复合分析方法深入揭示比例电磁铁结构、材料等方面在实现全程恒力特性方面的作用。采用CFD(计算流体动力学)方法系统研究了复杂先导阀所受稳态液动力、粘性力、瞬态液动力规律,为先导阀的稳态、瞬态分析奠定基础。结合电磁力、液体作用力,并利用先导阀芯的稳态、瞬态位移逆向确定弹簧系数。基于先导阀新颖的过流面积、流量系数计算方法及位移特性,理论流量和试验结论取得了较好的一致性,先导阀在较小先导流量和较大弹簧刚度下具备良好的稳态位置保持能力及快速动态响应能力。大约4-6毫秒的动态响应时间为整个阀的快速动态响应提供了良好的调节基础。(3)在圆环形阀片控制溢流阀开度方面进行了深入的基础理论研究,建立了基于几何非线性薄板理论的溢流阀稳态、动态特性模型。推导了描述圆环形薄板静挠度的卡门方程,并根据阀片承受的集中载荷、局部均布载荷、全局均布载荷建立了复杂的多组方程组。为了理论上能够求解控制方程并减少方程组的数目,成功提出了集中载荷按照双曲正切函数转换为分布载荷的方法以及局部均布载荷按照双曲正切或者幂函数转换为全局分布载荷的方法。引入边界条件无约束非线性优化来求解稳态大挠度方程。与著名的摄动法和有限元方法相比,该方法简单、精度高、具备处理更加复杂边界条件及载荷的能力。利用提出的载荷转换方法及新解法,成功求解了控制溢流阀用薄板的挠度特性及溢流阀的开度规律。溢流阀开度的有限元模型不仅用来验证新方法在计算开度方面的可靠性,而且描述了利用有限元程序分析溢流阀开度的相关细节。建立了完善的圆环形薄片控制溢流阀瞬态开度的非线性振动数学模型,引入了调和微分积法来获得瞬态解。结合调和微分求积法和集中力等效转换方法,本文成功求解了双四阶、强非线性、耦合的柱坐标偏微分系统,获得了和有限元方法一致的薄板瞬态挠度和溢流阀开度。通过稳态、瞬态理论分析可知,该溢流阀展现了独特的特征:压力越大,开启越困难,开度越小,响应时间越短;“大压力-小开度或者小压力-大开度”的特性是溢流阀开启后递减规律的重要保证;低于1毫秒的动态响应时间是减振器阻尼快速切换的重要保证之一。(4)基于先导溢流阀的理论分析、仿真结论、局部试验结果建立了整个阀的计算模型。由理论流量和试验结果对比可知理论分析、建模、相应的新数值方法具有较好的可靠性。最终完成了减振器阻尼特性、整车的平顺性和操纵稳定性试验。从减振器试验来看,理论分析和阻尼特性吻合。从整车试验来看,该减振器对整车的性能有着较大程度的改善。