汽車減振器的設(shè)計

汽車減振器的設(shè)計汽車減震器的設(shè)計摘 要本文設(shè)計出適用于中國一般城市道路使用的雙作用筒式減振器。首先，根據(jù)汽車的質(zhì)量算出減振器的阻尼系數(shù)，確定缸體結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后建立流體力學(xué)模型，先選定一條理想的減振器標(biāo)準(zhǔn)阻尼特性曲線，然后利用逼近理想阻尼特性曲線的方法，進行各閥、系的設(shè)計計算；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出整個減震器，并對主要部件的強度進行了校核。關(guān)鍵詞：雙作用筒式減振器；流體力學(xué)模型；理想特性曲線；強度校核Shock Absorber Design of carAbstractThe double use of drum shock absorber which applicable to the general city road conditions in China is designed in the paper. First of all, the damping coefficient of the shock absorber is calculated according to the quality of car. The parameters of the cylinder structure are determined. And then a hydrodynamic model is set up. The valve and the Department are calculated and the designed by using the way of approach to the damping characteristics of the ideal standard shock absorber curve. After that a set of the double use of drum shock absorber is designed. The strength of the main parts of the shock absorber is checked. Key words: Double use of shock absorber; hydrodynamic model; characteristics of the ideal curve; strength checking 1 目錄1. 緒論11.1本課題設(shè)計的目的及意義11.2減振器國內(nèi)外是發(fā)展?fàn)顩r11.3設(shè)計的主要研究內(nèi)容32. 減震器阻尼值計算和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計32.1相對阻尼系數(shù)和阻尼系數(shù)的確定32.1.1懸架彈性特性的選擇32.1.2相對阻尼系數(shù)的選擇42.1.3減振器阻尼系數(shù)的確定62.2最大卸荷力的確定62.3缸筒的設(shè)計計算72.4活塞桿的設(shè)計計算72.5導(dǎo)向座寬度和活塞寬度的設(shè)計計算82.6 小結(jié)83. 減震器其他部件的設(shè)計83.1固定連接的結(jié)構(gòu)形式83.2 減震器油封設(shè)計93.3 O型橡膠密封圈103.4 錐形彈簧103.5彈簧片和減振器油的選擇113.5.1彈簧片的選擇113.5.2減振器油的選擇113.6小結(jié)124.減震器閥系設(shè)計124.1減震器各閥系流體力學(xué)模型的建立124.1.1伸張行程流體力學(xué)模型的建立124.1.2壓縮行程流體力學(xué)模型的建立144.2 各閥系模型的建立164.2.1伸張閥模型的建立164.2.2.流通閥模型的建立174.2.3壓縮閥模型的建立184.2.4補償閥的力學(xué)模型194.3減震器阻尼閥閥片的撓曲變形模型204.4閥系的設(shè)計224.4.1阻尼閥的開啟程度對減震器特性的影響224.4.2減震器的理想特性曲線的確定224.4.3閥系各結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定244.5小結(jié)295活塞桿的強度校核305.1強度校核305.2穩(wěn)定性的校核306全文總結(jié)及展望31參考文獻33致謝34附錄35汽車減振器的設(shè)計1. 緒論1.1本課題設(shè)計的目的及意義隨著社會的不斷發(fā)展，人們對汽車的要求也越來越高。包括有汽車的動力性、經(jīng)濟性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性、通過性等性能的要求。減震器是安裝在車體與負(fù)重輪之間的一個阻尼元件，其作用是衰減車體的振動并阻止共振情況下車體振幅的無限增大，能減小車體振動的振幅和振動次數(shù)，因而能延長彈性元件的疲勞壽命和提高人乘車的舒適性1。長期以來，人們對汽車的平順性一直都在研究，在技術(shù)上也有重大的改進革。減震器是改善汽車平順性的最好途徑。一個好的減震器能夠使車的壽命增長，駕駛員操縱輕便，乘員更加舒服。因外部條件的不同，對減振器的使用要求也會相應(yīng)的不同。在不同的國家或不同的地區(qū)，他們各自的天氣環(huán)境、道路建筑等都有著很大的區(qū)別。單一的減振器是可能都滿足他們的性能要求。隨著社會的發(fā)展，汽車市場出現(xiàn)了細(xì)分化。純黑色的“福特”時代，早已經(jīng)過去，針對各國道路交通情況，各國汽車生產(chǎn)商們開始生產(chǎn)有屬于自己特色的汽車了。本文就是針對我國大多數(shù)城市道路情況，而進行研究設(shè)計的。1.2減振器國內(nèi)外是發(fā)展?fàn)顩r為加速車身振動的衰減，改善汽車行使平順性，大多數(shù)汽車的懸架內(nèi)都裝有減震器。減震器和彈性元件是并聯(lián)安裝的。其中采用最廣泛的是液力減震器，又稱筒式液力減振器，現(xiàn)簡稱為筒式減振器。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，減振器分為搖臂式和筒式兩種。而筒式減震器工作壓力僅在2.55MPa，但是它的工作性能穩(wěn)定而在現(xiàn)代的汽車上得道廣泛的應(yīng)用。又可以分為單筒式、雙筒式和充氣筒式三種3。減震器的阻尼力越大，振動消除得越快，但卻使并聯(lián)的彈性元件的作用不能充分發(fā)揮；還可能導(dǎo)致連接件及車架損壞。通常為了保證伸張過程內(nèi)產(chǎn)生的阻尼力比壓縮行程內(nèi)產(chǎn)生的阻尼力大得多，所以伸張閥彈簧剛度和預(yù)緊力比壓縮閥大；在同樣油壓力作用下，伸張閥及相應(yīng)的通?？p隙的同道截面積總和小于壓縮閥及相應(yīng)的通常縫隙的通常截面積總和。這樣也保證了懸架在壓縮行程內(nèi)，減震器的阻尼力較小，以便充分利用彈性元件的彈性來緩和沖擊；在伸張行程內(nèi)，減震器的阻尼力應(yīng)較大，以求迅速減振2。由于汽車行駛的路面狀況不同，所用的減震器要求也會有所不同。下面簡單介紹幾種比較先進的減震器：1.磁懸浮式減震器。磁懸浮減震器的彈性介質(zhì)是兩塊同極相對的高強度永久磁鐵。兩磁鐵間的排斥力即為減震器的彈性力，它隨著兩磁鐵間的距離減小而增大。它具有很好的非線性剛度特性，而且可根據(jù)負(fù)載自動調(diào)整彈簧剛度特性及車身高度，能進一步改善汽車的行駛平順性；由于城市路況較好，路面對汽車車輪的沖擊絕大數(shù)屬于小位移激振，大位移激振較少。這就要求減震彈簧的小變形時較軟，而大變形時較硬，具有非線性剛度特性。另外，由于汽車的負(fù)載在每次行駛都不相同，車上的水平負(fù)載分布不同，這會使車身高度，水平度發(fā)生變化。雖然現(xiàn)在有很多彈簧都能滿足這些要求，但是磁懸浮減震器的技術(shù)要求比油氣彈簧低，維護方便，耐用，這是油氣彈簧所不及的4。2.橡膠減震器。雖然說采用橡膠作為隔振、吸聲和沖擊的彈性元件，迄今至少已有五十多年的歷史了，但是它的作用是得到肯定的。橡膠減震器所采用的彈性材料減震橡膠，屬于高分子聚合材料，具有特殊的性能，由于軟長的鏈狀分子的排列結(jié)構(gòu)，使得不需要很復(fù)雜的形狀就能獲得優(yōu)良的彈性性能。在一定范圍內(nèi)，可以把橡膠減震器作為線性看。橡膠減震器是通過橡膠物體的物理變形來吸收沖擊振動的，技術(shù)上比較成熟5。3.可調(diào)阻尼減震器?？烧{(diào)阻尼減震器可以分為有級可調(diào)阻尼減震器和無極可調(diào)阻尼減震器，阻尼減震器有兩種調(diào)節(jié)方法，一種是通過改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼，另一種是通過改變減震液的粘性調(diào)節(jié)阻尼6。它們是根據(jù)汽車在路面上的行駛情況，對減震器的阻尼進行相對應(yīng)的調(diào)節(jié)。 這種減震器技術(shù)要求高，舒適性強，平順性好等優(yōu)點。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維修費用也高。 下面簡單介紹下，汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用的液力減震器。液力減震器的作用原理是，當(dāng)車架與車身作往復(fù)相對運動時，減震器中的活塞在缸筒內(nèi)也是往復(fù)運動，于是減震器殼體內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個內(nèi)腔通過一些窄小的空隙流入另一內(nèi)腔。此時，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對振動的阻尼力，使車身和車架的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，被油液和減震器殼體吸收，然后散到大氣中2。減振器與彈性元件承擔(dān)著緩沖擊和減振的任務(wù)，阻尼力過大，將使懸架彈性變壞，甚至使減振器連接件損壞。因而要調(diào)節(jié)彈性元件和減振器這一矛盾。 (1) 在壓縮行程（車橋和車架相互靠近），減振器阻尼力較小，以便充分發(fā)揮彈性元件的彈性作用，緩和沖擊。這時，彈性元件起主要作用。 (2) 在懸架伸張行程中（車橋和車架相互遠(yuǎn)離），減振器阻尼力應(yīng)大，迅速減振。 (3) 當(dāng)車橋（或車輪）與車橋間的相對速度過大時，要求減振器能自動加大液流量，使阻尼力始終保持在一定限度之內(nèi)，以避免承受過大的沖擊載荷。 在汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用的是筒式減振器，且在壓縮和伸張行程中均能起減振作用叫雙向作用式減振器，還有采用新式減振器，它包括充氣式減振器和阻力可調(diào)式減振器2。 1.3設(shè)計的主要研究內(nèi)容本文的設(shè)計是要滿足一般性能要求，具體是：一是要具有一般的舒適性；二是可以滿足中國現(xiàn)代一般城市道路的使用要求；三能保證有足夠的使用壽命；四是在使用期間保證汽車行駛平順性的性能穩(wěn)定。在減振器中，流通閥和補償閥是一般的單向閥，其彈簧很弱。當(dāng)閥上的油壓作用力同向時，只要很小的油壓，閥便能開啟；壓縮閥和伸張閥是卸載閥，其彈簧較強，預(yù)緊力較大，只有當(dāng)油壓到一定程度時，閥才能開啟；而當(dāng)油壓降低到一定程度時，閥即自行關(guān)閉。根據(jù)它們不同的工作要求，各閥系設(shè)計計算和裝配都有所不同。根據(jù)以上要求，本文設(shè)計的基本步驟有1）確定減振器的阻尼系數(shù)和相對阻尼系數(shù)；2）計算出各機械結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，其中包括缸筒、儲油缸筒、活塞桿導(dǎo)向座和活塞的尺寸設(shè)計計算；3）在總體參數(shù)出來以后，就對減振器連接結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計，彈簧片以及減振器油的選擇等；4)總體參數(shù)確定后，建立各閥系的力學(xué)模型、各閥系模型以及阻尼閥閥片的撓曲變形模型，完成各閥系的設(shè)計計算。5）完成設(shè)計計算后，對主要受力部件進行校核驗證。2. 減震器阻尼值計算和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1相對阻尼系數(shù)和阻尼系數(shù)的確定2.1.1懸架彈性特性的選擇 在前輪或后輪上，把前、后輪接地點垂直方向的載荷變化和輪心在垂直方向的位置變化量關(guān)系稱為懸架系統(tǒng)的彈性特性。如圖2-1所示，在任一載荷狀態(tài)下，該點曲線的切線斜率，就是該載荷下的懸架剛度。在滿載狀態(tài)下，彈性特性曲線的切線斜率便是滿載懸架剛度。在滿載載荷下可以確定車輪上、下跳行程，兩者之和稱為車輪行程。 圖21 懸架彈性特性設(shè)懸架剛度為k，簧上質(zhì)量為m，則根據(jù)下式可求系統(tǒng)的固有振動頻率f： 車輪上下跳動行程的一般范圍是：上跳行程70120mm，下跳動行程80120mm。懸架垂直剛度隨車輛參數(shù)而不同，換算成系統(tǒng)固有振動頻率為12Hz 7.由于我設(shè)計的是汽車減振器，主要是用于城市一些比較好的路面上。所以，汽車在行駛時路面激起振動頻率會相對比較高。所以取減振器系統(tǒng)固有頻率f1.5Hz，而m1200kg，則根據(jù)上式k108002.1.2相對阻尼系數(shù)的選擇減振器在卸荷閥打開前，減振器中的阻力F與減振器振動速度之間有如下關(guān)系 (2.1)式中，為減振器阻尼系數(shù)。圖21b示出減振器的阻力速度特性圖。該圖具有如下特點：阻力速度特性由四段近似直線線段組成，其中壓縮行程和伸張行程的阻力速度特性各占兩段；各段特性線的斜率是減振器的阻尼系數(shù)，所以減振器有四個阻尼系數(shù)。在沒有特別指明時，減振器的阻尼系數(shù)是指卸荷閥開啟前的阻尼系數(shù)而言。通常壓縮行程的阻尼系數(shù)與伸張行程的阻尼系數(shù)不等。a)阻力一位移特性 b)阻力一速度特性圖21 減振器的特性汽車懸架有阻尼以后，簧上質(zhì)量的振動是周期衰減振動，用相對阻尼系數(shù)的大小來評定振動衰減的快慢程度。的表達(dá)式為 (2.2)式中，c為懸架系統(tǒng)垂直剛度；為簧上質(zhì)量。式(22)表明，相對阻尼系數(shù)的物理意義是：減振器的阻尼作用在與不同剛度c和不同簧上質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時，會產(chǎn)生不同的阻尼效果。值大，振動能迅速衰減，同時又能將較大的路面沖擊力傳到車身；值小則反之。通常情況下，將壓縮行程時的相對阻尼系數(shù)取得小些，伸張行程時的相對阻尼系數(shù)取得大些。兩者之間保持 (0.250.50) 的關(guān)系。 設(shè)計時，先選取與的平均值。對于無內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，取0.250.35；對于有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，值取小些。對于行駛路面條件較差的汽車，值應(yīng)取大些，一般取0.3；為避免懸架碰撞車架，取0.53。根據(jù)以上所述：取0.36 0.50.50.360.18 0.272.1.3減振器阻尼系數(shù)的確定減振器阻尼系數(shù)。因懸架系統(tǒng)固有振動頻率，所以理論上。實際上應(yīng)根據(jù)減振器的布置特點確定減振器的阻尼系數(shù)。例如，當(dāng)減振器如圖22a、b、c三種安裝時，我選擇了如圖213b所示安裝。減振器阻尼系數(shù)用下式計算圖22 減振器安裝位置22b所示安裝時，減振器的阻尼系數(shù)占用下式計算3 (2.3)式中，a為減振器軸線與鉛垂線之間的夾角。然而， 0.27 阻尼系數(shù)： 伸張阻尼系數(shù)：2.2最大卸荷力的確定為減小傳到車身上的沖擊力，當(dāng)減振器活塞振動速度達(dá)到一定值時，減振器打開卸荷。此時的活塞速度稱為卸荷速度。在減振器安裝如圖22b所示時 (2.4)式中，為卸載速度，一般為0.150.30m/s；A為車身振幅，取40mm，為懸架振動固有頻率。如已知伸張行程時的阻尼系數(shù)，載伸張行程的最大卸荷力3。伸張行程的最大卸荷力： 壓縮行程的最大卸荷力： 2.3缸筒的設(shè)計計算根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計算工作缸直徑D （2.5）式中，為工作缸最大允許壓力，取34Mpa；為連桿直徑與缸筒直徑之比，雙筒式減振器取0.400.50，單筒式減振器取0.300.353。減振器的工作缸直徑D有20、30、40、（45）、50、65mm等幾種。選取時應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選用。貯油筒直徑（1.351.50）D，壁厚取為2mm，材料可選ZG45號鋼。 取40mm2.4活塞桿的設(shè)計計算活塞（工作缸）直徑與活塞桿直徑可按下式計算經(jīng)驗數(shù)據(jù)： （0.40.5），取40mm則18mm.2.5導(dǎo)向座寬度和活塞寬度的設(shè)計計算如果導(dǎo)向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計時必須保證有一定的最小導(dǎo)向長度。又因為在減振器工作時，活塞桿與導(dǎo)向座之間是相對滑動的。在導(dǎo)向座內(nèi)設(shè)計一襯套，在減少活塞桿的摩擦的同時也使活塞桿滑動輕便，迅速8?；钊膶挾菳，一般取B（0.61.0）D;缸蓋滑動支承面的長度, 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定：當(dāng)D<80mm時，?。?.61.0）D；當(dāng)D>80mm時，?。?.61.0）D；所以：導(dǎo)向座的長度：0.64024mm活塞寬度：B0.64024mm2.6 小結(jié) 本章主要設(shè)計計算、選擇了減振器的相對阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)，對主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如缸筒的設(shè)計計算、活塞桿的設(shè)計計算、導(dǎo)向座寬度和活塞寬度的設(shè)計計算進行了計算，已經(jīng)算出了減振器的外部尺寸。3. 減震器其他部件的設(shè)計3.1固定連接的結(jié)構(gòu)形式 減振器與整車連接結(jié)構(gòu)指的是減振器和整車安裝連接的部分，為了加強減振器的減振效果，一般在連接部分都附有各種結(jié)構(gòu)形式的橡膠緩沖墊，因此連接部分主要由吊環(huán)(螺栓等)和橡膠襯套等組成。而本文設(shè)計的連接結(jié)構(gòu)是一種上部為螺紋連接、下部為吊環(huán)連接形式的減振器，上部以上螺紋及穿在螺紋上的橡膠襯套、墊圈和車身連接，下部以吊環(huán)及吊環(huán)內(nèi)的附件和橫臂連接9。如圖3-1、3-2所示： 圖31 上螺紋連接示意圖 圖32 下吊環(huán)連接示意圖下面表A1是吊環(huán)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)尺寸，本文設(shè)計的工作缸直徑是40mm根據(jù)下表可查出吊環(huán)的尺寸： 吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)尺寸表 mm及型工作缸直徑尺寸20121928182430193044.52833402640573850（45）503250704660本文選?。盒偷醐h(huán)，40mm,D=26mm, =40mm, =57.0mm,h=38, =50mm3.2 減震器油封設(shè)計 1.油封設(shè)計：本文設(shè)計的油封，是指對液壓油的密封。其主要功能是把油腔和外界隔離，對內(nèi)封油，對外封塵。油封的工作范圍如下：工作壓力0.3Mpa；密封線速度，低速型小于4m/s，高速型為45m/s；工作溫度-60150（與橡膠種類有關(guān)）；適用介質(zhì)：油、水及弱腐蝕性液體，壽命12000h10. 根據(jù)機械設(shè)計手冊，我選擇的密封材料是丁腈橡膠；型式是粘接結(jié)構(gòu)，粘接結(jié)構(gòu)是橡膠部分和金屬骨架分別加工制造，再用膠粘接在一起成為外露骨架型。制造簡單，價格便宜。3.3 O型橡膠密封圈 O形橡膠密封圈具有良好的密封性，它是一種壓縮性密封件，同時又具有自封能力。所以使用范圍很寬，密封的壓力范圍從1.33Pa的真空到400Mpa的高壓（動密封可達(dá)35Mpa）。如果材料選擇適當(dāng)，使用溫度范圍為-60+200。使用不同材料的O形圈，可以分別滿足各種介質(zhì)和運轉(zhuǎn)條件的要求。同時，O形圈形狀簡單，制造容易，成本低廉，使用方便，用于動密封的O形圈的密封性不受運動方向的影響。因此，O形圈成了一種廣泛的密封件11。本文是選用了代號：M45-B 44.19mm 材料：丁青橡膠 （適用介質(zhì)：礦物質(zhì)，汽油、笨，靜止時的溫度范圍：-30200）3.4 錐形彈簧 圖33 圓錐螺旋壓縮彈簧及其特性線 當(dāng)受載后，特性線的OA段是直線，載荷繼續(xù)增加時，彈簧從大圈開始逐漸接觸，有效圈數(shù)逐漸減少，剛度逐漸增大，到所有彈簧圈壓并為止。特性線AB段是漸增型，有利于防止共振的發(fā)生。常用的圓錐螺旋壓縮彈簧有等節(jié)距型和等螺旋角型兩種10。我選用了等節(jié)距型的圓錐螺旋壓縮彈簧。3.5彈簧片和減振器油的選擇3.5.1彈簧片的選擇1.選擇的彈簧片材料是合金彈簧鋼，它的特點是具有很高的彈性強度。合金彈簧鋼一般用于制造截面尺寸較大，承受較重載荷的彈簧和各種彈性零件，也用于制造具有一定耐磨性的零件。選擇鋼號：60Si2Mn 熱處理：用溫度為870煤油淬火，回火的溫度是480，這種鋼使用于制造R10R12.5的彈簧，工作溫度低于300.2.彈簧片尺寸標(biāo)準(zhǔn)的選擇12：1）流通閥蝶形彈簧片：系列A，=31.5mm,d=16.3mm,t=1.75mm, , ;2)補償閥蝶形彈簧片：系列A，=10mm,d=5.2mm,t=0.5mm, ,.結(jié)構(gòu)圖如34 圖34 蝶形彈簧片結(jié)構(gòu)簡圖 注：在選出這兩片彈簧片后，最好在彈簧片上打上幾個空，有利于液壓油的流通順暢。3.5.2減振器油的選擇選用液壓油應(yīng)考慮的因素是系統(tǒng)的工作環(huán)境:如溫度、濕度、空氣的清潔度等，選擇的油液黏度一定要適中,隨溫度變化小:黏度太大會造成系統(tǒng)壓力損失大,系統(tǒng)效率降低。另外隨溫度變化,要求液壓油黏度變化小。要具有良好的潤滑性，能夠減少各運動部件之間的磨損,延長機械設(shè)備的使用壽命。并能使各運動部件動作靈敏。如環(huán)境溫度高則選用粘度大的液壓油，加注液壓油時一定要通過過濾器,并在干燥、潔凈的環(huán)境中進行13。根據(jù)以上的要求，選擇了由上海海聯(lián)潤滑材料有限公司生產(chǎn)的HRI28減振器油，密度，體積彈性模量。3.6小結(jié)本章主要對減振器的其他結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計計算，包括減振器與車架連接的方式，油封結(jié)構(gòu)與其材料的選用，彈簧片的選擇和液壓油的選用等問題。4.減震器閥系設(shè)計4.1減震器各閥系流體力學(xué)模型的建立對具體結(jié)構(gòu)形式和流動方式進行分析，該結(jié)構(gòu)形式減震器分為3個封閉區(qū)域，并假設(shè)各封閉區(qū)域之間狀態(tài)是連續(xù)的，狀態(tài)參數(shù)沒有突變，忽略庫倫摩擦力及瞬態(tài)液動力。4.1.1伸張行程流體力學(xué)模型的建立 (a) (b) 圖4-1 阻尼狀態(tài)下的工作原理圖如圖4-1（a)伸張行程通過兩種環(huán)節(jié)產(chǎn)生阻尼作用，即活塞上的常通孔和伸張閥閥片節(jié)流。分析伸張行程的工作情況要分開閥前和開閥后兩種工作狀態(tài)進行考慮。設(shè)減震器活塞以相對速度Vr向上運動，則上油腔排出的工作液的流量為： （4.1）式中： ， ，減震器活塞的截面積；活塞桿的截面積；活塞外徑；活塞桿外徑；由減震器的結(jié)構(gòu)特點和工作原理可知：減震器伸張行程時，活塞相對于工作缸向上運動，活塞桿處于受拉狀態(tài)，流通閥是單向閥，此時關(guān)閉，見圖4-1。伸張閥開閥前：伸張閥關(guān)閉，則上油腔流入下油腔的減震液體積流量表達(dá)式為： （4.2）流量系數(shù)；活塞上的常通孔節(jié)流面積；上油腔油壓；下油腔油壓；儲油腔油壓。伸張閥開閥后：當(dāng)上油腔的壓力克服伸張閥上螺母的預(yù)緊力時，伸張閥開啟，則上油腔排出的減震液體積流量表達(dá)式為： （4.3）由儲油腔流到下油腔的流量: 通過補償閥的流量： （4.4）補償閥的節(jié)流面積；根據(jù)流量連續(xù)性定理： （4.5）設(shè)，由（4-3）、（4-4）、（4-5）得下油腔的壓力： （4.6）由（4-4）、（4-5）、（4-6）得上油腔的壓力：開閥前： （4.7）開閥后： （4.8） 減震器伸張行程所產(chǎn)生的阻尼力為： （4.9）由于伸張行程的阻尼性能大于補償閥的阻尼性能，補償閥僅僅起到補充下油腔油液的作用，這時由補償閥產(chǎn)生的壓差不會很大。則由（4-5）、（4-7）、（4-8）得開閥前伸張行程阻尼力為： （4.10） 由（4-6）、（4-7）、（4-8）得開閥后伸張行程阻尼力為： （4.11）從以上的數(shù)學(xué)模型可以看出，在該工況下，減震器伸張行程的阻尼力在開閥前主要與活塞上常通孔的尺寸有關(guān)，開閥后與活塞上常通孔的尺寸及伸張閥閥片組的開度有關(guān)，即此時伸張閥在減震器中起主要作用，補償閥僅起到補充油液的作用，對減震器提供阻尼力影響不大6。4.1.2壓縮行程流體力學(xué)模型的建立 如圖4-8(b)減震器處于壓縮行程，也就是活塞相對于工作缸向下運動，活塞桿處于受壓狀態(tài)。下油腔的油液分別從流通閥和壓縮閥流出，這兩個閥的節(jié)流作用形成了減震器壓縮行程阻尼力。由于壓縮閥開閥前后的流量特性變化比較明顯，因此在分析時要分開閥前和開閥后兩種工作狀態(tài)進行討論。設(shè)減震器活塞以相對速度Vr向下運動，下油腔流到儲油腔的流量為： （4.12） 從下油腔流到上油腔的流量： （4.13）此時流通閥開啟，通過流通閥的流量： （4.14）流通閥的節(jié)流面積；通過活塞常通孔的流量為： （4.15）壓縮閥開閥前：油液經(jīng)由底閥的流量為： （4.16）底閥上常通孔節(jié)流面積；壓縮閥開閥后：壓縮閥開啟，則油液經(jīng)由底閥的流量為： （4.17）壓縮閥的節(jié)流面積；根據(jù)流量連續(xù)性定理： （4.18）由式（4-13）、（4-16）、（4-18）得開閥前下油腔的壓力： （4.19） 由式（4-13）、（4-17）、（4-18）得開閥后下油腔的壓力： （4.20）減震器壓縮行程所產(chǎn)生的阻尼力為：（考慮計算方便在此計入大氣壓） （4.21）則由式（4-15）、（4-19）、（4-21）得開閥前壓縮行程阻尼力為： （4.22）由式（4-15、（4-20）、（4-21）得開閥后壓縮行程阻尼力為： （4.23）從以上的數(shù)學(xué)模型可以看出，減震器壓縮行程的阻尼力在開閥前與活塞上常通孔、流通閥、底閥常通孔有關(guān)，開閥后又加上與壓縮閥閥片組的開度有關(guān)，即此時壓縮閥在減震器中起主要作用，而流通閥對上下油腔的壓差變化起主要作用6。4.2 各閥系模型的建立減震器阻力特性的好壞是決定汽車懸架性能的主要參數(shù)，因此是汽車動力學(xué)所確定的懸架系統(tǒng)特征參數(shù)的重要組成部分。減震器的本體結(jié)構(gòu)主要指減震器上下連接件之外的總稱部分。工作缸內(nèi)部，除了上端連接油封裝置外，主要是連桿深入端連接的活塞閥，和上下安裝的底閥。而減震器的性能，在結(jié)構(gòu)上主要就是由這些閥系的合理設(shè)計和必要的制造精度來保證的。因此，這些閥系的正確設(shè)計及其實際制造質(zhì)量與配合效果，對形成減震器的內(nèi)特性的優(yōu)劣起決定作用。減震器的阻力特性與四個閥的流量特性有著密切的關(guān)系，由于受試驗條件的限制不能做壓差流量特性試驗，所以就從研究閥片入手，運用圓環(huán)薄板的大撓曲變形理論，采用攝動法求解減震器環(huán)形薄片的大撓曲變形問題。4.2.1伸張閥模型的建立4.2.1.1伸張閥的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4-2所示伸張閥總成主要包括伸張閥閥片和閥座等零件。帶缺口伸張閥的閥片壓在伸張閥座的底部，當(dāng)伸張閥上下的壓差比較低時，無法推動伸張閥片組，油液只能通過第一個伸張閥閥片的缺口（活塞上常通孔）流出，在這一過程中壓差變化較大，此時油液就是主要通過常通孔節(jié)流產(chǎn)生阻尼；當(dāng)壓差增大到某一值時，使伸張閥閥片組由于撓曲變形產(chǎn)生環(huán)形間隙，從而增大了伸張閥閥口的開度，在這一過程中壓差會緩慢變化，此時油液就是通過伸張閥閥片撓曲變形產(chǎn)生的環(huán)形間隙和常通孔節(jié)流共同產(chǎn)生阻尼6。 圖42活塞總成 4.2.1.2伸張閥的力學(xué)模型以一個伸張閥閥片為研究對象，其受力模型可簡化為如圖43所示。即；內(nèi)邊緣固定加緊、受均布載荷q作用的彈性圓環(huán)薄板，其中分別為活塞上下油腔的壓力6。 圖43伸張閥閥片的受力模型4.2.2.流通閥模型的建立4.2.2.1流通閥的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖44所示，流通閥是由一個閥片和該閥片上的彈簧壓片組成。其作用是保證油液由下油腔向上油腔單向流動，當(dāng)下油腔的油壓大于上油腔時，流通閥開啟，而產(chǎn)生節(jié)流作用。4.2.2.2流通閥的力學(xué)模型 開閥時的通流面積： （4.24）x流通閥閥片上彈簧壓片的壓縮量如圖4-4所示， （4.25）彈簧壓片的剛度，彈簧壓緊力，油壓力，閥片質(zhì)量，閥座支持力 圖44流通閥的受力模型 由于流通閥彈簧的壓緊力很小，流通閥完全可以看作是一個單向閥，當(dāng)完全開閥后，通流面積為活塞閥體外環(huán)的n個阻尼小孔的通流面積，即開閥后可以看作是n個薄壁阻尼小孔起節(jié)流作用6。4.2.3壓縮閥模型的建立 4.2.3.1壓縮閥的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖45底閥總成 如圖45所示壓縮閥總成主要包括壓縮閥閥片組及閥座等零件。其工作情況與伸張閥基本相同，當(dāng)壓縮閥上下的壓差比較低時，無法推動壓縮閥片組，壓縮閥閥片關(guān)閉，油液通過常通孔（即壓縮閥第一個閥片上的開口槽）產(chǎn)生阻尼作用；當(dāng)壓縮閥閥片組受到向下的壓力足以克服其向上的壓力時，壓縮閥閥片開啟，油液通過壓縮閥閥片撓曲變形產(chǎn)生的環(huán)形間隙和常通孔節(jié)流共同產(chǎn)生阻尼。 4.2.3.2壓縮閥力學(xué)模型的建立 圖46壓縮閥閥片的受力模型如圖46所示，壓縮閥的力學(xué)模型與伸張閥一樣（只是各參數(shù)加以改變），即；內(nèi)邊緣固定加緊、受均布載荷q作用的彈性圓環(huán)薄板，其中、分別為活塞儲油腔、下油腔的壓力。4.2.4補償閥的力學(xué)模型 4.2.4.1補償閥的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖47所示，補償閥也是一個單向閥，由一個閥片和該閥片上的彈簧壓片組成。其作用是保證油液由儲油腔向下油腔單向流動，當(dāng)儲油腔的油壓大于下油腔時，補償閥開啟，而產(chǎn)生節(jié)流作用。4.2.4.2補償閥的力學(xué)模型補償閥的力學(xué)模型與流通閥一樣（只是各參數(shù)加以改變）開閥時的通流面積： （4.26） x流通閥閥片上彈簧壓片的壓縮量如圖47所示， （4.27）補償閥的彈簧力，彈性閥片的彈性變形量，彈簧壓片的剛度，彈簧力，油壓力，閥片質(zhì)量，閥座支持力 圖47補償閥閥片的受力模型由于補償閥彈簧的壓緊力也很小，補償閥也可以看作是一個單向閥，當(dāng)完全開啟后，通流面積為底閥閥體內(nèi)圈的n個阻尼小孔的通流面積，即開閥后可以看作是n個薄壁阻尼小孔起節(jié)流作用6。4.3減震器阻尼閥閥片的撓曲變形模型 應(yīng)用圓環(huán)薄板大撓曲變形理論求解減震器阻尼閥閥片的大撓度變形方程。圓環(huán)薄板的von Krmn方程的簡化形式為： （4.28）式中：為圓環(huán)薄板的外徑和內(nèi)徑； ， 為材料的泊松比，E為彈性模量；h為薄板的厚度；為薄板的撓度r為徑向坐標(biāo)，q為薄板上作用的分布載荷；為薄板的徑向薄膜張力。圓環(huán)薄板對應(yīng)的邊界條件為： （4.29）式中： ，、為邊界處的徑向剛度和彎曲剛度。通過MATLAB編程求解，得到內(nèi)邊緣固定夾緊的圓環(huán)薄板二階攝動解的方程為： （4.30）上式就是求解伸張閥閥片及壓縮閥閥片撓曲變形的基本方程?？梢?，撓曲變形w是均布載荷q的函數(shù)，既：w=f(q) 6。由于伸張閥和壓縮閥都是由n個閥片組成，則閥片組的撓曲變形方程導(dǎo)出為： （4.31）4.4閥系的設(shè)計4.4.1阻尼閥的開啟程度對減震器特性的影響 減震器阻尼特性曲線的形狀取決于閥系的具體結(jié)構(gòu)和各閥開啟力的選擇。通過上述對可調(diào)減震器的流體力學(xué)模型及各閥的力學(xué)模型分析來看，不論是哪種工況下，減震器的阻力都大致與速度的平方成正比。如圖48所示，以伸張閥為例，分析伸張閥的開啟程度對減震器特性的影響。 圖48閥的開啟程度對減振器特性影響示意圖圖中曲線A所示為給定的伸張閥常通孔通道下阻尼力F與液流速度的關(guān)系，B表示伸張閥的閥門通道，當(dāng)伸張閥的閥門逐漸打開時，可獲得曲線與曲線間的過度特性。恰當(dāng)?shù)倪x擇的孔徑和的逐漸開啟量，可以獲得任何給定伸張行程的特性曲線。 壓縮閥的開啟程度對減振器特性的影響與伸張閥相同。即恰當(dāng)?shù)倪x擇底閥常通孔的孔徑和壓縮閥的閥門的逐漸開啟量，也可以獲得任何給定的壓縮行程的特性曲線6。 4.4.2減震器的理想特性曲線的確定 減震器由3種典型的特性曲線，如圖4-9所示。(a)為斜率遞增型、(b)為等斜率（線性的）、(c)為斜率遞減型。本文根據(jù)所選用的車型、道路條件和使用要求,選擇第3種阻尼力特性，有利于提高車輪的接地性能和可操縱性。 圖49典型的減振器特性影響示意圖本設(shè)計選擇活塞行程S201mm 溫度t是在-10120之間，關(guān)于開閥速度的說明：我國“QC/T 4911999”標(biāo)準(zhǔn)并沒有采用先進國家普遍采用的，以0.3（m/s）來定義減震器阻尼力的規(guī)范限值，保持原“74”標(biāo)準(zhǔn)采用的0.52m/s的中速定義限值；而前者由于實際接近減震器外特定開閥速度（0.20.3m/s）因而是指在設(shè)計和測試上都具有穩(wěn)定基礎(chǔ)，由它決定的阻尼系數(shù)主要是滿足車輛平順性的匹配需要，是構(gòu)成平安比（）,鑒定減震器外特性和車輛阻尼匹配特性的一個重要因素。而“85”標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)時采用0.52m/s來定義減震器阻力，強調(diào)的是外特性開閥點之后的中速，來保持較高阻尼的檢測規(guī)范，以保證在中國條件下，通常道路條件較差，一般需要較重阻尼的需要。由于本文所設(shè)計的是在城市一些比較好的路面上行駛，故本文采用的開閥速度是0.25m/s，,伸張行程的開閥力為1200N，壓縮行程的開閥力300N。根據(jù)所確定阻尼值及開閥參數(shù)，同時要保證壓縮阻尼力與伸張阻尼力的比值在0.20.65之間，作者擬定了趨勢性的經(jīng)驗設(shè)計曲線，即理想阻力特性曲線，為優(yōu)化各阻尼孔的尺寸及閥片的個數(shù)提供依據(jù)，見圖52所示 圖410理想阻尼特性曲線在設(shè)計閥系時候，采用了最佳一致逼近的理論，使理論特性曲線向理想曲線逼近。已知參數(shù)如下：，, , ， 4.4.3閥系各結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定4.4.3.1活塞常通孔（）、流通閥的流通面積（）及阻尼孔（）的設(shè)計計算伸張行程開閥前理論的阻力特性： （4.32）根據(jù)圖410所示可得到理想特性： F4800 （4.33）設(shè) （4.34）1）設(shè)計變量為、2）目標(biāo)函數(shù)：由（432）、（433）、（434）目標(biāo)函數(shù)可化為： （4.35）3）約束條件：為防止懸架減震器在高頻激振條件下出現(xiàn)外特性呈現(xiàn)雙向空程畸變，要保證伸張行程內(nèi)特性連續(xù)，確保補償閥要響應(yīng)好，供油足。根據(jù)液流連續(xù)原理和減震器伸張行程的液力計算，伸張閥和補償閥在結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計上需保持如下的工程近似制約關(guān)系： （4.36）式中伸張閥的最大通流面積；減震器的最大復(fù)原阻力為2826N。視減震器活塞桿的速度為=1m/s時為工作極限點6. 則此時的（忽略了大氣壓）補償閥的最大通流面積要小于其預(yù)留空間。s.t 由 ， 代入435式 取4）求解結(jié)果：活塞常通孔總面積：，個數(shù)：n9，半徑R0.5mm；補償閥孔：，n=8,R=1.85m伸張閥孔總面積：，n=8,R=1mm 圖411 ，仿真曲線4.4.3.2伸張閥的閥片個數(shù)（n）及閥片的厚度（h）優(yōu)化設(shè)計伸張行程開閥后理論阻力特性： （4.37）理想狀態(tài)的阻力特性： （4.38）式（437）中：，為運用大撓曲理論求得的伸張閥片外邊緣撓曲變形，其方程如下： （4.39）式（439）中=0.3,E=2.06MP, ,a=0.018mm,b=0.006mm代入后可推導(dǎo)出理論的關(guān)系： （4.40）根據(jù)理想的特性曲線411，推導(dǎo)出理想的關(guān)系方程，如下式： （4.41）設(shè) 1）設(shè)計變量 n、h2）目標(biāo)函數(shù)： 3）約束條件：由于彈性薄板大撓曲變形更接近阻尼閥片的實際工作，雙筒液壓減震器環(huán)形閥片有時所受的壓力會很大，撓曲變形與薄片厚度的比值會超過五分之一，尤其在高壓階段6。s.t.n=1,2,.4)經(jīng)過求解得到結(jié)果：n=8,h=0.413mm4.4.3.3壓縮閥的底閥常通孔的通流面積()及流通閥的通流面積()優(yōu)化設(shè)計壓縮行程開閥前理論阻力特性：. （4.42） 其理想狀態(tài)的阻力特性： （4.43）1） 設(shè)計變量為，2） 目標(biāo)函數(shù)： 3)約束條件：為防止懸架減震器在高頻激振條件下出現(xiàn)外特性呈現(xiàn)雙向空程畸變，其中的另一方面要保證壓縮行程內(nèi)特性連續(xù)流通閥要響應(yīng)好供油足，壓縮閥開度不能過大。根據(jù)減震器內(nèi)特性的液力計算，實施內(nèi)特性的常通孔或閥結(jié)構(gòu)需保持如下的工程近似制約關(guān)系6： （4.44）流通閥的最大通流面積要小于其預(yù)留空間，即 s.t 3） 求解結(jié)果：流通閥孔總面積： n=12,R=0.77mm壓縮閥座常通孔總面積：,n=5,R=0.5mm 圖412仿真曲線4.4.3.4壓縮閥的閥片的個數(shù)（n）與閥片的厚度（h）優(yōu)化設(shè)計開閥后壓縮行程理論阻尼特性為： （4.45）其理想狀態(tài)的阻力特性： （4.46）式（445）中：為運用大撓曲理論求得的伸張閥片外邊緣撓曲變形，其方程如下6： （4.47）式（447）中=0.3,E=2.06MP, ,a=0.013mm,b=0.0025mm代入后可推導(dǎo)出理論的關(guān)系： （4.48）根據(jù)理想的特性曲線411，推導(dǎo)出理想的關(guān)系方程，如下式： （4.49）設(shè) 1）設(shè)計變量 n、h2）目標(biāo)函數(shù)： 4） 約束條件： s.t n=1，2，3.。 0<h<4)求解結(jié)果： n=4,h=0.41, 4.5小結(jié) 這是本章對減振器的減震器閥系設(shè)計計算，主要有各行程流體力學(xué)模型的建立、各閥系模型的建立、減震器阻尼閥閥片的撓曲變形計算、閥系的設(shè)計計算等。5活塞桿的強度校核5.1強度校核活塞桿材料選用45鋼，取= ,而 =280,=7. 9g/cm3,E =210 Pa,有如下關(guān)系： （5.1）一般設(shè)計時加速度a=(13)g，取a =2g，2826N，M1200/4300（Kg） 代入（21）式得46.5Mp a5.2穩(wěn)定性的校核 減振器在壓縮行程時，活塞桿受壓縮作用。因此要校核減震器在硬阻尼的情況下壓桿的穩(wěn)定性。將減震器簡化為兩端鉸支桿，等效長度系數(shù)=1，對于危險段，0.018，有效長度l =120mm， 滿足歐拉公式的使用條件，再根據(jù)歐拉公式：而最大的壓力 PM(g+a)- =48000 這里取極限情況a=3g, =0,得：滿足4的要求，即壓桿穩(wěn)定。6全文總結(jié)及展望減振器都是在不斷的創(chuàng)新中發(fā)展的，專家門和設(shè)計師本著“使用方便，安全第一”的原則不斷對減振器進行完善創(chuàng)新，使減振器的功能和安全性不斷提高。本文是從選擇類型開始，接著設(shè)計計算阻尼系數(shù)，然后設(shè)計計算出機械結(jié)構(gòu)部分，進而流體力學(xué)模型的建立，閥系結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定以及主要受力部件的校核等。都經(jīng)過了比較細(xì)心的查閱和比較選擇，選出比較適合本設(shè)計的參數(shù)、型式和參數(shù)等。國內(nèi)減振器制造水平已有很大提高，主機廠配套占很大比例，在中低檔汽車領(lǐng)域，基本是國產(chǎn)減振器的天下。另外，減振器的技術(shù)水平也逐步提高，與國際先進水平的差距正在縮小，高端產(chǎn)品也有研發(fā)。減振器其中的主要問題有：1）液壓元件制造精度要求高，必須保證減振器油液的密封性，技術(shù)要求高和裝配比較困難，使用維護比較嚴(yán)格。2）油液中混入空氣易影響工作性能 油液中混入空氣后，容易引起液壓油變質(zhì)，使系統(tǒng)的工作性能受到影響、會影響系統(tǒng)工作的可靠性。3）減振器與車架進行連接時，要使用聚氨酯緩沖塊。聚氨酯緩沖塊的功能:吸收來自路面的沖擊,改善乘坐的舒適性,起到輔助彈簧的作用。減振器相關(guān)行業(yè)的技術(shù)水平參差不齊，經(jīng)常由于橡膠件、油料等質(zhì)量不過關(guān)，導(dǎo)致減振器發(fā)生故障。減振器未來的發(fā)展是向著結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，操作更簡單，使用安全，采用新型材料，造價便宜的方向。在結(jié)構(gòu)方面可以采用可調(diào)阻尼減振器，以實現(xiàn)減振器在不同的道路條件下，起到自動調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的作用。減振器的技術(shù)難點主要在整車匹配方面。因為汽車的輪胎、發(fā)動機甚至變速器等多個部件都能成為振動源，如何在車輛行駛過程中消除振動源的沖擊，是減振器研發(fā)過程中最主要的工作。國內(nèi)減振器企業(yè)在這方面的差距還比較大。在本設(shè)計工作中，通過自己的努力，本人收獲良多。比如學(xué)會了查閱和利用相關(guān)資料，提高了自己的思維、繪圖、計算、分析能力，也提高了本人在機械和液壓方面的知識。雖然本人盡己所能以保證本文內(nèi)容的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，但由于本人的學(xué)識和能力以及時間的限制，本設(shè)計中必然仍有很多欠妥和錯誤之處，敬請各位老師和專家不吝賜教。 參考文獻1 中國知識網(wǎng) “充氣式汽車減震器的研制” 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 高起波 曾祥榮2汽車構(gòu)造 第2版 吉林大學(xué) 陳家瑞 主編 機械工業(yè)出版社3汽車設(shè)計 第4版 吉林大學(xué) 王望予 主編 機械工業(yè)出版社4機械設(shè)計與研究的“新型減震器的研究” 華中理工大學(xué) 李輝 何程5橡膠減震器設(shè)計與計算 第二研究室 王光6可調(diào)阻尼減振器優(yōu)化設(shè)計的研究 吉林大學(xué)碩士學(xué)問論文 孫雪梅7汽車工程手冊 設(shè)計篇汽車手冊編輯委員會編 人民交通出版社8液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊 楊培元 朱福元主編 機械工業(yè)出版社9減振器設(shè)計專家系統(tǒng)的研究與開發(fā) 重慶大學(xué) 李若剛10機械設(shè)計手冊 機械設(shè)計手冊編委會 機械工業(yè)出版社11液壓氣動技術(shù)速查手冊 張利平 等編著 化學(xué)工業(yè)出版社12國內(nèi)外通用標(biāo)準(zhǔn)件手冊 鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社13