汽車液壓減震器閥片阻尼力優(yōu)化分析

劉仁武 謝智峰

江西科技學(xué)院人工智能學(xué)院，中國·江西 南昌 330098

1 引言

汽車液壓減震器在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成，彈簧和阻尼器；彈簧主要起支撐的作用，阻尼器主要起到減緩彈性元件快速伸縮的作用，可以給車身以及車架帶來一定的緩沖保護(hù)作用。液壓減震器在工作過程中主要由拉伸行程和壓縮行程組成。在壓縮行程中，與上支座連接的車身推動(dòng)活塞桿往下運(yùn)動(dòng)，活塞桿會(huì)推動(dòng)活塞壓縮處于壓力筒里的液壓油，下腔液壓油在壓力作用下會(huì)經(jīng)過流通閥流回上腔，而部分液壓油需經(jīng)過壓縮閥流回貯油缸體，這樣會(huì)降低活塞桿向下運(yùn)動(dòng)的速度來起到減震作用。在拉伸行程中，活塞桿會(huì)在彈簧復(fù)原的作用下往上方運(yùn)動(dòng)，此時(shí)液壓油會(huì)通過伸張閥流回下腔，此時(shí)由于下腔存在真空，因此需要位于底部的補(bǔ)償閥來補(bǔ)償一定的液壓油，補(bǔ)償閥是與貯油缸相連的，這樣一來通過伸張閥的阻尼作用來減緩活塞向上運(yùn)動(dòng)的速度以達(dá)到減震作用[1]。

2 阻尼力概述

2.1 示功特性

阻尼力本身由阻尼器件在運(yùn)動(dòng)或與外界發(fā)生動(dòng)作的過程產(chǎn)生，液壓減震器所產(chǎn)生的阻尼力是其儲(chǔ)存在減震器儲(chǔ)油缸里的液壓油在工作缸內(nèi)的流動(dòng)過程中會(huì)經(jīng)過閥系節(jié)流孔以及相關(guān)槽來形成壓差所導(dǎo)致。

如圖1所示，主要體現(xiàn)出減震器的示功特性，其中，Py 為壓縮行程的阻力；Pf 為伸張行程也稱復(fù)原行程的阻力；Pymax 是壓縮行程中所產(chǎn)生的最大阻尼力；Pfmax 是復(fù)原行程中所產(chǎn)生的最大位移，S 為活塞相對位移，以壓縮或還原行程的中點(diǎn)作為以下坐標(biāo)系的位移原點(diǎn)。因此，可知當(dāng)活塞相對位移最大的時(shí)候此時(shí)阻尼力為零，當(dāng)相對位移為零的時(shí)候即達(dá)到壓縮極限時(shí)此時(shí)壓縮的阻尼力和復(fù)原的阻力是最大的。

圖1 減震器示功特性圖

2.2 速度特性

阻尼器除了可以通過圖1中的示功特性圖表現(xiàn)出來，當(dāng)然還可以通過速度特性表現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)特性，如圖2所示，其中橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)分別為活塞相對缸體的運(yùn)動(dòng)速度以及活塞產(chǎn)生的阻尼力也可直接稱作阻力，該曲線的斜率被稱為該阻尼器件的阻尼系數(shù)，由于不同阻尼器件中所構(gòu)成閥系結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致在不同的工作狀態(tài)有不同的阻尼系數(shù)，因此會(huì)導(dǎo)致活塞在不同閥系結(jié)構(gòu)下運(yùn)動(dòng)的速度變化率不一樣。

圖2 速度特性圖

由圖2可以得出阻尼力、阻尼系數(shù)以及活塞相對速度的計(jì)算公式，其計(jì)算公式如下所示：

式中，p——阻尼力；

C——阻尼系數(shù)；

V——活塞與缸筒相對運(yùn)動(dòng)速度；

N——比例指數(shù)。

3 壓縮行程阻尼力計(jì)算

為了更好地分析液壓減震器內(nèi)部的各閥以及孔的工作示意圖，現(xiàn)將其工作缸在壓縮行程的工作示意圖展示如圖3所示。

圖3中F為壓縮行程所產(chǎn)生的阻尼力；Fd為大車對該減震器的作用力；Fk則為壓縮彈簧的作用力。

圖3 壓縮行程作用力示意圖

其中壓縮阻尼力的計(jì)算公式為：

式中，Pd(t)——壓縮行程中壓縮腔內(nèi)的壓強(qiáng)；

Pu(t)——壓縮行程中還原腔內(nèi)的壓強(qiáng)；

P0——儲(chǔ)油腔內(nèi)的大氣壓強(qiáng)；

Pdu(t)——活塞倆端的壓強(qiáng)差；

Pd0(t)——常通孔倆端的壓差；

Px(t)——縫隙倆端的壓強(qiáng)差；

Ah——活塞有效截面積；

Ag——活塞桿有效截面積；

Ax——活塞運(yùn)動(dòng)過程中油液泄露面積；

Ff——系統(tǒng)內(nèi)的總摩擦力。

上面大致分析了阻尼力的基本組成，為了更詳細(xì)地分析上式中壓縮阻尼力的計(jì)算，還需要對各個(gè)作用力進(jìn)行詳細(xì)的分析與計(jì)算，尤其活塞運(yùn)動(dòng)過程中倆端的壓差是主要分析對象，同時(shí)也要對常通孔以及縫隙所帶來的壓差進(jìn)行分析。由于其他作用力相對于前面所講的這些力其影響較小，下面將主要分析液壓減震器在壓縮行程中各個(gè)階段以及孔或閥片所產(chǎn)生的作用力[2]。

3.1 活塞倆端的壓差

活塞倆端的壓差可以看作壓縮閥動(dòng)作時(shí)其節(jié)流孔產(chǎn)生的壓差Pdu1(t)和壓縮閥閥片變形導(dǎo)致圓環(huán)型節(jié)流縫隙產(chǎn)生的壓差Pdu2(t)倆部分組成。其中活塞孔在論文的尺寸設(shè)計(jì)中定義為細(xì)長孔的流動(dòng)，因此根據(jù)流體力學(xué)理論可得：

其中，

式中，Pdu1(t)——活塞孔節(jié)流壓差；

Qh(t)——流經(jīng)活塞孔的流量；

v(t)——活塞桿相對工作缸的運(yùn)動(dòng)速度；

M——油液動(dòng)力粘度；

Le——活塞孔等效長度；

Nk——閥片缺口數(shù)；

De——閥片缺口等效直徑。

以上所適用的為閥片外徑處有缺口，當(dāng)閥片沒有缺口時(shí)其計(jì)算公式如下所示：

當(dāng)閥片發(fā)生動(dòng)作時(shí)，其變形如圖4所示，同時(shí)此時(shí)可以求得當(dāng)壓縮閥閥片動(dòng)作時(shí)閥片初次開閥變形帶來的壓差計(jì)算公式如下所示：

圖4 閥片變形示意圖

其中：

式中：Pdu2(t)——壓縮閥閥片變形壓差；

Qh(t)——流經(jīng)活塞孔的流量；

δ——閥片開度；

μ——油液動(dòng)力粘度；

Rbf——閥片內(nèi)半徑；

Rkf——閥片外半徑；

K——閥片剛度；

Adp——閥片受力面積；

Fup——閥片所受壓力。

當(dāng)壓縮閥閥片變形量達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)開閥帶來的壓差如下所示：

其中，δmax為壓縮閥閥片的最大開度，此時(shí)閥片變形所帶來的壓差與節(jié)流孔所產(chǎn)生的壓差之和就是完成整個(gè)壓縮過程通過活塞帶來的阻尼作用，接下來分析壓縮行程中油液通過底座的常通孔帶來的壓差。

3.2 底座倆端的壓差

底座的結(jié)構(gòu)根據(jù)圖1可以很直觀地看出其主要由兩個(gè)孔組成，其中常通孔和補(bǔ)償孔的一端都與儲(chǔ)油缸接觸且都為單向通孔，其中儲(chǔ)油缸是直接與外界大氣接觸的[3]。在論文設(shè)計(jì)過程中還是按細(xì)長孔的設(shè)計(jì)去定義常通孔以及補(bǔ)償孔，因此我們所要求的底座倆邊的壓差也就是常通孔兩邊的壓差，常通孔所經(jīng)過的流量也就是經(jīng)過底座的流量，其流量表達(dá)式如下所示：

則通過常通孔所產(chǎn)生的壓差為：

式中，Qc(t)——流經(jīng)底座的流量；

lc——常通孔有效長度；

dc——常通孔有效直徑。

3.3 縫隙倆端的壓差

這里所指的縫隙就是指活塞在運(yùn)動(dòng)過程中由于本身的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的油液泄露，泄露過程中其流量組成一般是有壓力流量以及剪切流量兩部分，剪切流量一般在活塞高速運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的影響[4]。由于論文應(yīng)用于大車減速的工況下其運(yùn)動(dòng)速度可以說非常低了，因此可以忽略剪切流量所帶來的阻尼作用，在這里只考慮壓力流量，壓力流量作用下縫隙倆端的壓差計(jì)算如下所示：

其中：

式中：Qx(t)——流經(jīng)縫隙的流量；

LH——活塞厚度；

DH——工作缸直徑；

δH——縫隙大小；

dH——活塞直徑。

3.4 系統(tǒng)總摩擦力

在減震器工作的過程中，由于活塞的運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的各組件之間的直接接觸所帶來的動(dòng)摩擦力是不可避免的，同時(shí)還會(huì)有液壓油本身與各組件之間的接觸帶來的靜摩擦力，這些都是對減震器本身的阻尼作用有一定的影響，尤其當(dāng)主要零配件之間的裝配精度較差時(shí)，如導(dǎo)向套與活塞桿的裝配，同時(shí)當(dāng)導(dǎo)向套或活塞桿的尺寸設(shè)計(jì)沒有達(dá)到一定的精度要求而導(dǎo)致尺寸不合格從而產(chǎn)生的摩擦阻力更是影響較大。如圖5所示，在保持一定的速度下系統(tǒng)的摩擦力跟位移的關(guān)系如曲線所示，因此我們?yōu)榱丝刂坪靡欢ǖ哪Σ磷枇υ趯p震器的影響較小時(shí)，根據(jù)相關(guān)資料我們應(yīng)該保證摩擦阻力控制在2%～3%左右。

圖5 系統(tǒng)摩擦力圖

4 復(fù)原行程阻尼力計(jì)算

為了保證復(fù)原行程的順利進(jìn)行，對稱式雙筒液壓減震器需要在大車完成清污工作后開始行駛至下個(gè)孔口前才能開始復(fù)原動(dòng)作，即大車靜止時(shí)大車對減震器的作用力Ff應(yīng)等于壓縮后彈簧的反作用力Fk減去復(fù)原行程的阻尼力F，如圖6所示。

圖6 復(fù)原行程力作用示意圖

由于復(fù)原行程跟壓縮行程的動(dòng)作過程并不一樣，在這里除了要保證壓縮阻尼力小于復(fù)原阻尼力還要確保足夠的壓縮阻尼力來保證大車的穩(wěn)定停車即準(zhǔn)確定位，此時(shí)可以通過增大復(fù)原閥片的剛度即選用跟壓縮閥材料不同的閥片作為復(fù)原閥，還可以通過改變復(fù)原閥片的尺寸來增大復(fù)原阻尼力，接下來我們對復(fù)原過程阻尼力的計(jì)算作詳細(xì)分析，其實(shí)由于壓縮和復(fù)原兩過程的動(dòng)作特性相差不大，只是油液的運(yùn)動(dòng)方向改變而已，因此其復(fù)原阻尼的計(jì)算跟壓縮阻尼的計(jì)算差不多，其計(jì)算公式如下所示：

即：

其中，Pud(t)同樣為活塞上下倆端的壓差，其計(jì)算方法跟壓縮閥閥片變形時(shí)產(chǎn)生的阻尼力一樣。此時(shí)的Pd0(t)為補(bǔ)償孔兩端的壓差，其尺寸以及規(guī)格在論文的設(shè)計(jì)中跟常通孔一樣，因此其計(jì)算方法也一樣，其他的像泄露縫隙的壓差以及系統(tǒng)摩擦力的計(jì)算則同樣是保持不變的，這里就不再贅述。

5 結(jié)語

論文主要從兩個(gè)方面分析了汽車液壓減震器閥片的阻尼力計(jì)算，通過計(jì)算其壓縮和復(fù)原行程中不同的阻尼力來分析其減震性能。因此為了能獲取汽車液壓減震器的最佳減震性能，可以通過改變閥片的內(nèi)外半徑即閥片的受力面積，甚至選取所需閥片的材料即閥片的剛度等，來達(dá)到優(yōu)化減震的效果；同時(shí)可對液壓缸體里面各個(gè)孔隙的大小來達(dá)到改變阻尼力大小的目的，從而使液壓減震器在汽車行駛舒適性方面能夠得到科學(xué)有效的保障。