可调阻尼式汽车减振器设计与试验研究.pdf
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机械设计与制造MachineryDesignManufacture第5期2012年5月文章编号:
1001-3997(2012)05-0220-03可调阻尼式汽车减振器设计与试验研究刘勺华1李彦1房亚,陈龙2(,常州机电职业技术学院汽车工程系,常州213164)(2江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013)DesignandexperimentalstudyonautomotiveshockabsorberofadjustabledampingLIUShao-huaI,LIyanl,FANGYaI,CHENLDn92(1SchoolofAutomobileEngineering,ChangzhouInstituteofMeehatronicTechnology,Changzhou213164,China)(ZSchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)H噜_“NL一_州4-H嶂-Hq_”q。
Hq州嶂十_1噜州一+pH-、-H岍、;【摘要】针对目前被动减振器不能根据路况改变阻尼的问题,设计了一种节流口式可调阻尼减振器,介绍了该减振器的结构组成和工作原理,详细阐述了可调阻尼减振器的设计方案,并分析了步进电机与节流口的关系以及力与速度特性计算。
根据首批可调阻尼减振器样件。
对可调节流口当量面积设计这一l;关键问题进行了讨论,理论分析结果为可调阻尼减振器的制作提供了依据,并对改进后的可调阻尼减振器样件进行了台架试验。
试验结果表明所设计的可调阻尼减振器阻尼力曲线较为饱满平滑,无明显畸变,阻l尼力随节流口开度变化较明显,且与步进电机转角成对应关系。
符合设计和使用要求。
;关键词:
机械设计;阻尼可调;汽车减振器;设计计算【Abstract】currentpassiveshockabsorbercannotch棚-tgethedampingaccordingtoroadcondilitions。
therefore,口throttle-typeadjustable娜erisdesigned,whichcompositionandworkingprineipleisdeiscribedandthedesignprogramofadjustabledampingshockabsorberiselaboratecMnadditiontherelationshipl6e拗eenstepmotorsandhehrottlewellascaleulationofforcPandsp卯dcharacteristicscueanalyzedAc_Icordingtosample矿thefirstadjustabledalllper,thekeyissuessuch璐des劬ofequivalent讹oofadjustableiorificearediscussed,whichresultsprovidenbasisforthemanufacturingofadjustabledampingshockab一sorber,meanwhiletheimprovedsampleofADSAistestedOnthebench,whichresultss概that,thean,npinglforcecurveissmoothwithoutdistinctdistortion7dampingforcechangeswiththeopeningc如7妒softheiorifice,whichiscorrespondingtothe册幽ofstepmotorThedesignedADSAbasicallymeetstherequ打ement:
lKeywords:
Mechanicaldesign;Dampingadjustabflity;Carshockabsorber;Designcalculations;中图分类号:
THl6,U46333文献标识码:
A1引言行驶平顺性是车辆重要性能指标之一,悬架系统性能的优劣直接影响车辆的行驶平顺性。
可调阻尼减振器的研究主要集中在破振器内部可调阻尼阀的设计、计算及其控制方面。
目前在高档轿车和改装车辆领域出现了些技术工艺较成熟的可调阻尼减振器,但价格较常用被动减振器昂贵许多,导致可调阻尼减振器未能得到大规模应用。
减振器与弹簧还有其他导向机构共同组成悬架总成,其主要功能为吸收弹簧的弹性势能,衰减弹簧的振动,使车身能尽快恢复平稳而并不起支撑车身的作用。
因悬架的弹簧冈q度不易i霹节,般采用改变减振器阻尼的方式来实现悬架的半主动特性。
改变减振器阻尼方式有多种性能也各有不同,对于液力减振器来说,可通过改变油液的粘度系数和节流口面积来调节阻尼系数。
目前改变油液牯度系数的有电流变液减振器和磁流变液减振器:
改变节流口面积的有机械阻尼可调减振器、气体控制阻尼可调减振器、电磁阀控制阻尼可调减振器和电机控制阻尼可调减振器争一。
2工作原理根据振动理论和工程经验悬架阻尼的匹配由下式确定:
乒乓=02-0452XKm来稿日期:
201l0714基金项目:
江苏省科技支撑项目(BE2008114)式中:
m架系统阻尼比;c减振器的等效阻尼系数;确架刚度;”簧载质量。
式
(1)为工程中常用匹配公式,悬架阻尼比,f是由减振器的等效阻尼系数和悬架刚度x与簧载质量综合确定的f值较大时,能迅速减振,但不适当地增大f值会传递较大的路面冲击,甚至使车轮不能迅速向地面回弹而失去附着力和对振动的缓冲能力;f值较小时,振动持续时间变长不利于改善舒适性。
对于悬架系统而言,阻尼系数主要靠减振器产生的阻尼力来体现,其阻尼力可用下式计算:
F-G
(2)式中:
p减振器阻尼力;C诚振器阻尼系数;卜诚振器的阻尼特性指数;矿减振器的工作速度。
根据工程经验。
实际上减振器要受牯性阻尼的影响f值并不那么严格,一般在近似线性计算时,i取l。
在车用减振器中,为了充分发挥弹性元件对冲击的缓和作用同时保证良好的振动衰减作用,一般取拉伸阻尼系数为压缩阻尼系数的(20)倍。
故有:
fC-胁【G=(24)C(3)式中:
cI、cj拉伸和压缩阶段的阻尼系数,通常所说的减振器阻尼系数是指两者的平均值H。
万方数据第5期刘勺华等:
可调阻尼式汽车减振器设计与试验研究2213设计方案为了方便实现节流口的改变,将节流口设计成如图I所示形式活塞杆设计成空心,通过直径较大的空心连接套与活塞组件连接连接套内安装楔形阀芯。
阀芯懊形面与连接套上的小孔配合形成一种可调节流口。
当步进电机带动转轴前端的阀芯转动时,楔形面与连接套上小孔的相对位置会发生变化,以此调节节流口过流面积。
而油液通过不同的节流口会产生不同的阻尼力,当节流口通流面积增大时,减振器阻尼力将相应减小,当节流口通流面积减小时,减振器阻尼力将相应增大,据此实现了阻尼力的可调控常胛。
活图I可调阻尼减振器结构可调阻尼减振器工作原理,如图2所示。
图中:
p速度。
由图l和图2可知,改进前后的减振器的主要区别是:
在原活塞上增加了可调节流口,用于对活塞的通流面积进行控制;将原活塞杆做成空心,放置阀芯和连接步进电机的转轴;对一些密封和连接部件进行了相应的调整。
图2司调阻尼减振器工作原理4理论分析41节流口关系分析在减振器工作过程中,孔口的节流作用是多个孔口共同作用的结果。
孔口之间的相互关系是复杂的,有串联、并联和多孔口混连等节流方式。
从图2分析可得,所研究的可调阻尼减振器的节流口与活塞上的伸张阀、流通阀属于并联关系。
根据并联孔口流量分析可得,当总流量为9的液体通过并联孔口时,由流量连续定理有:
Q=弛+Q2+Q(4)旧=G。
A。
、2却,和Q:
=A:
、2却:
和(5)【Q=气A。
、2却。
,pQ=qA。
、2卸,p(6)式中:
=p多孔口并联产生的总压差;。
并联口的当量节流面积;却,却:
卸。
孔口I,2n两端产生的压差;“Q2仉通过各孔El的流量;q,q。
,各孔口的流量系数;。
,A:
。
各孔口的面积。
联立以上三式可得:
GA。
=qA,+A2+CIA(7)当各节流口结构相似时,在工程计算中可以近似地认为:
=气=q(8)由式(7)可得:
A。
-A“2+“。
(9)由以上分析可得:
并联口当量面积为各孔口面积之和,并联口总流量等于各孔口流量之和。
4-2拉伸行程分析根据并联口流量分析,可将拉伸过程的流量关系,如图3所示。
可调节流口与拉伸阀、常通口、补偿阀、旁通阀为并联关系。
在可调节流口关闭时,流量关系满足:
fQ下腔4Q上腔+Q憷QL幢=口拉伸嘲+Q常面口I佛尝审=Q朴尝孵+10名遏一(10)在可调节流口打开后,要使流量关系满足式(10),则有两种情况:
(1丝口上腔与Q憾的流量比例关系不变;
(2)AQt膛与Q*龄的流量比例关系变化。
若是情况
(1),则可调节流121的作用得不到体现;若是情况
(2),可调节流口打开,相当于增加了活塞常通口的通流面积,造成活塞整体通流阻力下降,而补偿阀和旁通阀的通流阻力不变,则Q上腔与Q+H缒的流量比例关系发生变化,且Q旺增加,而Q朴偿审减少。
因而,与节流口全闭状态相比,上腔的油液以更快的速度流向下腔,由于活塞杆的存在,上腔油液无法满足下腔空缺体积,下腔快速形成局部低压,进一步造成补偿阀开度增加。
因此节调口打开后拉伸行程的阻尼力主要由补偿阀产生,而并不是主要由拉伸阀产生,此时的拉伸阻尼力较被动状态下的拉伸阻尼力大大减小。
拉伸行程流量关系图,如图3所示。
I里塑羔堕里卜一口亚卜臣堕卜下腔口堕卜厂磊丽卜图3拉伸行程流量关系图43压缩行程分析根据并联El流量分析,可将压缩过程表示为图4,可调节流口与流通阀、常通口、压缩阀、旁通阀为并联关系。
在可调节流El关闭时,流量关系满足:
aQ下腔以Q雌必Q惜Q上腔=Q黼田+Q膏通口lQ皑增!
=:
口匪螬一+Q劳运一在可调节流El打开后,要使流量关系满足式(11),同样有两种情况:
(1)aQt腔与口撇的流量比例关系不变;
(2)Q上腔与口朴髓的流量比例关系变化。
若是情况
(1),因为Q补髓保持不变,则可调节流口的作用得不到体现;若是情况
(2)。
可调节流口打开,相当于增加了活塞常通口的通流面积,造成活塞整体通流阻力下降,而压缩阀和旁通阀的通流阻力不变,则dQ上睦L=jQ撇的流量比例关系发生变化且Qt增加,口IH择减少。
因而,与节流口全闭状态时相比,下腔的油液以更快的速度流向上腔,由于万方数据机械设计与制造No5May2012活塞杆的存在,上腔空缺体积无法容纳下腔流入的油液,因此当上腔油液无法及时从活塞杆与导向座的缝隙中流出时上腔压力增加,当活塞继续往下运动时,油液无法进一步进入上腔,造成压缩运动困难。
因此,节调口打开后压缩行程的阻尼力主要由压缩阀以及活塞杆与导向座的缝隙产生,此时的压缩阻尼力较被动状态下的压缩阻尼力大大增加。
压缩行程流量关系图。
如图4所示。
下腔图4压缩行程流量关系图5试验研究根据试验设计的步骤和目标,首先对CH7140样车被动减振器和可调阻尼减振器进行台架试验,标定可调阻尼减振器的工作位置。
为了检验改进后的节流口式可调阻尼减振器性能是否满足设计使用要求,需要确定步进电机转角与减振器阻尼力的关系。
为此按照我国汽车行业标准QCT545-99汽车筒式减振器台架试验方法对减振器进行了台架试验,如图5所示。
台架试验测试系统,如图6所示。
ll舅iI|jIitill耳I图5减振器台架试验图翮圆叫图6减振器台架测试系统试验台的激振装置为美国INSTRON8800型单通道电液伺服试验系统。
包括计算机、压力传感器、位移传感器、油泵、控制器、伺服阀、激振头。
该激振试验台可根据计算机设定激振头的运动,使之按照一定的位移和速度要求进行振动,并可实时观测和保存激振头的位移和载荷信号。
试验数据的采集与处理是在INSTRON公司提供的RS-CONSOLE和MAX软件平台上完成的。
根据设计,节流口从全闭到全开需要转动1910。
选用斯达特公司生产的55BF003三相六线反应式步进电机,步距角I5。
试验中妞果转角XtJ,,阻尼变化不明显;转角太大,不能明显反映减振器的性能差异;实际操作中步进电机每接收4个脉冲即转动60进行一次试验。
按节流口从全闭到全开共分为5个状态,即从(o-24)o。
激振头输入正弦信号,振幅5Gram,激振频率依次为O5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz。
减振器下筒在试验过程中进行上下往复运动,在不同的电机转角、不同的激振频率下采集减振器的阻尼力。
根据每个电机转角下的压缩和拉伸阻尼力,分别求出各个电机转角下的平均阻尼系数。
对台架试验数据进行拟合得到的可调阻尼减振器平均阻尼系数与步进电机转角的关系曲线,如图7所示。
由关系曲线可知,平均阻尼系数与步进电机转角基本成对应关系,因此通过控制步进电机转角来调节减振器的阻尼系数是可行的。
步进电机转角(degree)图7阻尼系数与步进电机转角之间关系6结论设计了一种节流口可调式阻尼减振器分析了其工作原理,计算了可调节流口面积与步迸电机转角之间的关系,并着重分析了减振器在拉伸和压缩状态下的力与速度特性。
就可调阻尼减振器节流口当量面积设计过程中存在的关键问题作了较详细的讨论,并对改进后的可调阻尼减振器样件进行了台架试验。
试验结果表明所设计的可调阻尼减振器阻尼力曲线较为饱满平滑,无明显畸变,阻尼力随节流口开度变化较明显,且与步进电机转角成对应关系,符合设计和使用要求。
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- 可调 阻尼 汽车 减振器 设计 试验 研究