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汽车阻尼减震器的设计

作者:彭诚 字数:3595  点击:

摘 要:随着汽车行业的发展,汽车行驶过程中产生的振动已经成为制约汽车发展的重大障碍。汽车行驶过程中产生的振动严重将降低汽车的舒适性、稳定性安全性降低人们乘坐汽车时的享受,汽车零部件的使用寿命也会大大缩短。因此,在人们对汽车舒适和安全性要求越来越高的情况下,汽车减震器的重要性也愈加凸显,到目前为止,国内外对汽车减震器已经进行了大量的研究,而且研制出许多新产品、新工艺和新材料。虽然各种新型汽车减震器层出不穷,但是由于液压阻尼减震器具有经济、实用、结构简单等特点,仍然拥有大量市场需求。本文介绍了汽车液压阻尼减震器的发展现状即工作原理,并通过分析计算,简述了汽车阻尼减震器的设计方法与关键技术。

关键词:减震器;阻尼;舒适度

随着汽车行业的高速发展,汽车对于减震器设计的要求也越来越高,虽然在科技高度发达的现在,各种新型汽车减震器如雨后春笋一般涌现出来,但主流产品仍然以汽车液压阻尼减震方式为主。但是液压阻尼减震器由于其固有特性,其具备有各种各样的缺点制约着它的发展。为了改进和推广液压减震器发展技术,研究和普及汽车阻尼减震器技术与设计十分必要,本文将主要针对汽车液压减震器的设计进行分析和总结,以便于推广其相关技术。

1 汽车液压阻尼减震器简述

1.1 汽车阻尼减震器发展历史

最早的汽车减震系统以弹簧作为主要结构,弹簧减震器的减震性能稳定可靠,但是弹簧减震器的缺点是吸收振动能量较差,且容易产生共振。其后,研究人员在弹簧减震器中加入橡胶缓冲块,使减震器具备吸收振动能量的功能。但是弹簧和橡胶联合制成的减震器只有单向作用。

第一个使用的液压减震器出现于20世纪10年代,其原理为油液流经橡胶制成的中空节流通道产生的阻尼可以让振动衰减。

30年代,摇臂式减震器出现并得到广泛引用。具有稳定可靠,且能够在工作压力较高的环境下稳定工作。缺点为活塞磨损和温度变化会影响减震效果、结构复杂、体积大。由于存在较多的缺点,摇臂式减震器在40年代逐渐被与筒式液压减震器取代。筒式液压减震器的工作原理为活塞在缸筒内移动时会将内腔中的油液流入另一个内腔,油液与内腔产生的摩擦以及油液分组自身的摩擦会产生阻尼力,从而达到减震的效果。筒式液压减震器中应用较为广泛的是双筒式液压减震器,它具有质量轻、适应寿命长且成本低的优点;它的缺点是在高速运转情况下易出现补油或回油不及时问题,易造成工作特性畸变,造成冲击和噪声。

1.2 国内外研究现状

在发达国家,现已经研制出由电子系统操控的自适应式液压减震器,根据激振频率与振幅的大小来调节,该种减震器可根据不同的行驶要求与路面条件来多级调节与匹配。液压减震器的生产是建立在广泛的标准化和系列化基础之上的,并且其减震器设计制造技术已经成熟。减震器无级调整阻尼力机构、高频激振阻尼力自动控制及减震器温度特性进一步发展。可是在国内外,普通的液压减震器仍然占主导地位。

我国汽车行业起步晚,,起点低,技术落后,在国产汽车中,大量中高级轿车采用进口减震器。研制开发出自主品牌的汽车减震器已经成为一个亟待解决的问题,悬架减震器已成为我国汽车工业发展规划中优先发展规划中优先发展项目之一。尽管我国已有较大的减震器生产规模,借鉴了国外先进设计,已经取得了较快的发展,但与发达国家仍然存在较大的差距。

1.3 汽车减震器的发展趋势

随着科技的发展,对减震器的要求也越高。阻力可调式减震器正在成为主流。随着不断的研究开发,智能性会越来越高,会朝着自适应可调减震器方向发展,无论驾驶者的驾驶技术如何,悬架系统都会自动调节与之适应的状态,使驾驶者感觉到平顺、舒适。其主要是应用传感器检测行驶状态,再通过计算机计算行驶的阻尼力,再自动调整阻尼力调整机构,通过改变节流孔大小来改变减震器的阻尼力。

汽车减震同时还可能有复合型减震器和新型减震器方向发展,不同的方向发展,最终只有一个目的,即改善汽车行驶的平顺性和操纵稳定性,并且在操纵性和舒适性之问取得最理想的工作点。总之,在未来的汽车减震器应该有以下特点:高精度、高密封性、更好的使用性能,以使车内驾驶者与乘客更加舒适安全。

2 汽车液压减震器工作原理

汽车液压减震器主要由汽车弹簧和阻尼器构成,减震器安装示意图如图1所示,弹簧的主要作用是支撑车身重量,而阻尼器则起到减少震动的作用。弹簧在受到外力冲击后会立即收缩,在外力消失后又会立即恢复原状,由于弹簧的快速收缩,车身十分容易发生剧烈的跳动,如果阻尼器没有参与减震,车身会随着弹簧的起伏而快速摆动,严重影响人们驾驶的舒适度,甚至发生危险。有了阻尼器,弹簧的压缩和伸展就会变得缓慢,瞬间的多次弹跳合并为一次比较平缓的弹跳,一次大的弹跳减弱为一次小的弹跳,从而起到减震的作用。因此在汽车悬架中,减震器总是和弹簧配合使用,当我们压下车身的一角时,实际压缩的是弹簧,同时相应的摆臂摆转。当松开车身后,在弹簧力下车身要反弹,此时减震器对弹簧的反弹起到阻尼作用,即在反弹后趋于稳定。如果没有减震器,弹簧在反弹后会再次被压缩再反弹,表现为车身多次反弹后趋于稳定。所以说减震器是为汽车悬架的弹簧在反弹时起到阻尼减震的作用。

如图2所示汽车用液力减震器内部充注了减震器专用油,内部分为两个缸:储油缸和工作缸,而活塞将工作缸分为上腔和下腔。在活塞上设有伸张阀和流通阀,用于控制上腔和下腔之间油液的流动;而工作缸下腔与储油缸之间的压缩阀和补偿阀用于油液在下腔与储油缸之间的流动。

减震器被压缩时,活塞下行,上腔容积增大,下腔容积减小,流通阀打开,下腔的油液通过流通阀进入上腔;同时一部分油液打开压缩阀进入储油缸。这两个阀对油液的节流作用使减震器产生压缩运动时的阻尼作用。减震器被伸长时,活塞上行,上腔容积减小而下腔容积增大,伸张阀打开,上腔的油液通过伸张阀进入下腔;同时一部分油液打开补偿,由储油缸进入下腔。这两个阀对油液的节流作用使减震器产生伸张运动时的阻尼作用。

3 设计方法

3.1 分析计算

在汽车液压减震其中需要计算各种参数以确定相关设计参数,其中包括悬架静扰度、阻尼系数、最大卸载力、工作缸直径、活塞杆长度以及活塞及阀系尺寸

对于悬架静扰度计算,一般应用公式如下:

式中p为工作缸允许的最大压力值,λ为连杆直径与缸筒直径之比。然后依照QC/T491-199标准和减震器实际工作的最大行程,减震器活塞新城也可求出。

在减震器中,活塞杆用来承受压缩和拉伸载荷以及侧向力,并且活塞杆的表面粗糙度对对减震器油液的泄漏有着重要的影响。要求其必须满足一定的强度、刚度以及表面粗糙度。活塞杆的确定必须经过反复试验求得。

活塞是液压减震器的重要组成部分,活塞的宽度B=(0.6-1.0 )d。阀系主要包括伸张阀、压缩阀、补偿阀和流通阀。减震器的阀系均为单向阀,即只允许液压油一个方向通过,而反方向时截止。单向阀的设计要求是正向是流通性较好,反向截止时密封性较好。单向阀的开启压力一般为0.03-0.05MPa。进出油口的直径可由公式(7)获得:

3.2 材料选择

材料的选择主要包括油液的选择和密封圈的选择。液压油具有双重作用,一是左右传递能量的介质,二是作为润滑剂润滑运动零件的工作表面。在选择液压油时应满足以下几点:要求:合适的粘度、粘温特性好,良好的润滑性,化学稳定性和环境稳定性等。密封装置是用来防止液压系统油液的内外泄露以及外界灰尘的侵人,保证系统建立的所需的工作压力。密封装置的种类很多,按密封部位的运动情况可分为动密封和静密封两大类常用的密封装置有:间隙密封、0形密封圈、唇形密封圈以及组合密封装置。在该减震器中选用0形密封圈0形密封圈一般用耐油橡胶制成,截面为圆形。0形密封圈随着压力的增加能自动地提高密封性能,且在磨损后具有自动补偿能力。此外0形密封圈结构简单、密封性好,成本低、高低压均可使用。

4 总结

本文主要针对当前主流的汽车液压减震器进行分析与总结。首先探讨了汽车减震器的发展历史和国内外发展现状,了解到当前汽车减震器虽然涌现出了各种各样新型技术,但是由于液压减震器具有经济、实用的特点,普通的液压减震器仍然占据市场的主导地位。随后分析了液压减震器的基本结构与工作原理,以便于后面分析和计算。最后分析了几个关键部位的设计并举出计算公式与设计原则。至此简述了普通液压减震器的设计方法。

参考文献

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