1、汽车减震器的分析论文振动力学论文机电学院 机电 124 刘义鑫 201203346102014/11/22 / 15摘要汽车减震器是整个车辆机构的重要部件之一，它的主要作用是使汽车在运动过程中产生的冲击振动得到衰减，提高了汽车的安全性和改善了汽车行驶的平顺性。本文介绍了汽车减震器的发展背景，基础理论推导，参数影响等知识。 关键词：机车车辆，油压减振器，阻力特性，分析，参数。3 / 15目录1 汽车减震器的发展背景 .42 基础理论推导 .52.1 悬架弹性特性的选择 .52.2 相对阻尼系数 的选择 .52.3 减振器阻尼系数 的确定 .72.4 最大卸荷力 的确定 .70F2.5 缸筒的设计
2、计算 .82.6 活塞杆的设计计算 .82.7 导向座宽度和活塞宽度的设计计算 .83 影响减振器阻力特性的主要参数 .93.1 结构参数对阻力特性的影响 .93.2 弹簧的初压缩力对阻力的影响。 114 结论 .124 / 15汽车减震器分析论文1. 汽车减震器的发展背景减震器从出现到现在已经有 100 多年的历史，最早的车辆减震器是由弹簧构成的，虽然弹簧可以减轻路面冲击，性能较可靠，但它容易产生共振现象。后来，人们将弹簧和橡胶块联合起来，用于吸收车辆产生的振动能量,抑制车身振动,但只能起单向作用1 。在 1980 年，世界上第一台液压减震器研制成功，它用隔板将橡胶制成的节流通道分为两部分，
3、通过油液与节流通道摩擦，达到减震的目的。之后在 20 世纪 30 年代，摇臂式减震器得到普遍应用，工作压力在 10MP 到 20MP 之间。但结构复杂，易损坏，体积大，最终被淘汰。二战以后，简式液压减震器取代了摇臂式减震器，其成本低，寿命长，但容易出现充油不及时的问题，会影响减震效果，产生噪音和冲击。直到 20 世纪 50 年代充气式减震器的出现解决了以上的问题，在双筒内充入低压 0.4 到 0.6 兆帕的氮气可以解决充油不及时的问题。同时，单筒式充气减震器也开始发展，其采用浮动活塞的结构，使充入的氮气形成 2 到 2.5 兆帕的高压气体，性能优于双筒式减震器，而且质量轻，性能好，但其成本高。
4、目前，国内外最广泛使用的，制造工艺比较成熟和完善的减振器仍是筒式液压减振器和充气式减振器。 下面简单介绍几种比较先进的减震器： 1.磁悬浮式减震器。磁悬浮减震器的弹性介质是两块同极相对的高强度永久磁铁。两磁铁间的排斥力即为减震器的弹性力，它随着两磁铁间的距离减小而增大。它具有很好的非线性刚度特性，而且可根据负载自动调整弹簧刚度特性及车身高度，能进一步改善汽车的行驶平顺性；由于城市路况较好，路面对轿车车轮的冲击绝大数属于小位移激振，大位移激振较少。这就要求减震弹簧的小变形时较软，而大变形时较硬，具有非线性刚度特性。另外，由于汽车的负载在每次行驶都不相同，车上的水平负载分布不同，这会使车身高度，水
5、平度发生变化。虽然现在有很多弹簧都能满足这些要求，但是磁悬浮减震器的技术要求比油气弹簧低，维护方便，耐用，这是油气弹簧所不及的2。2.橡胶减震器。虽然说采用橡胶作为隔振、吸声和冲击的弹性元件，迄今至少已有五十多年的历史了，但是它的作用是得到肯定的。橡胶减震器所采用的弹性材料减震橡胶，属于高分子聚合材料，具有特殊的性能，由于软长的链状分子的排列结构，使得不需要很复杂的形状就能获得优良的弹性性能。在一定范围内，可以把橡胶减震器作为线性看。橡胶减震器是通过橡胶物体的物理变形来吸收冲击振动的，技术上比较成熟3。3.可调阻尼减震器。可调阻尼减震器可以分为有级可调阻尼减震器和无极可调阻尼减震器，阻尼减震器
6、有两种调节方法，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼，另一种是通过改变减震液的粘5 / 15性调节阻尼4。它们是根据汽车在路面上的行驶情况，对减震器的阻尼进行相对应的调节。 这种减震器技术要求高，舒适性强，平顺性好等优点。但是结构复杂，成本高，维修费用也高。 下面简单介绍下，汽车悬架系统中广泛采用的液力减震器。液力减震器的作用原理是，当车架与车身作往复相对运动时，减震器中的活塞在缸筒内也是往复运动，于是减震器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔。此时，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，被油液和减震器壳体吸收，然后散到
7、大气中5。减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使减振器连接件损坏。因而要调节弹性元件和减振器这一矛盾。 (1) 在压缩行程（车桥和车架相互靠近） ，减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的弹性作用，缓和冲击。这时，弹性元件起主要作用。 (2) 在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离） ，减振器阻尼力应大，迅速减振。 (3) 当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。 在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器，还有采用新式
8、减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器5。 2 基础理论推导2.1 悬架弹性特性的选择在前轮或后轮上，把前、后轮接地点垂直方向的载荷变化和轮心在垂直方向的位置变化量关系称为悬架系统的弹性特性。如图 2-1 所示，在任一载荷状态下，该点曲线的切线斜率，就是该载荷下的悬架刚度。在满载状态下，弹性特性曲线的切线斜率便是满载悬架刚度。在满载载荷下可以确定车轮上、下跳行程，两者之和称为车轮行程。6 / 15图 21 悬架弹性特性设悬架刚度为 k，簧上质量为 m，则根据下式可求系统的固有振动频率 f： 2kf车轮上下跳动行程的一般范围是：上跳行程 70120mm，下跳动行程 80120mm。悬架垂直
9、刚度随车辆参数而不同，换算成系统固有振动频率为 12Hz 6.由于我设计的是轿车减振器，主要是用于城市一些比较好的路面上。所以，轿车在行驶时路面激起振动频率会相对比较高。所以取减振器系统固有频率 f1.5Hz，而 m1200kg，则根据上式k10800 22.2 相对阻尼系数 的选择减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力 F 与减振器振动速度 之间有如下关系v(2.1)vF式中， 为减振器阻尼系数。图 21b 示出减振器的阻力速度特性图。该图具有如下特点：阻力速度特性由四段近似直线线段组成，其中压缩行程和伸张行程的阻力速度特性各占两段；各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数 ，所以减振器有四个阻尼系
10、数。在没有特别指明时，减振器的阻尼系数是指卸vF/荷阀开启前的阻尼系数而言。通常压缩行程的阻尼系数 与伸张行程的阻尼系数YYvF/不等。SSv7 / 15a)阻力一位移特性 b)阻力一速度特性图 21 减振器的特性汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数 的大小来评定振动衰减的快慢程度。 的表达式为(2.2)scm2式中，c 为悬架系统垂直刚度； 为簧上质量。s式(22)表明，相对阻尼系数 的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度 c 和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。 值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路sm面冲击力传到车身； 值小则反之。通
11、常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数 取得小些，伸Y张行程时的相对阻尼系数 取得大些。两者之间保持 (0.250.50) 的关系。SYS设计时，先选取 与 的平均值 。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取 0.250.35；Y对于有内摩擦的弹性元件悬架， 值取小些。对于行驶路面条件较差的汽车， 值应取大些，一般取 0.3；为避免悬架碰撞车架，取 0.5 7。SYS根据以上所述：取 0.36 0.5 0.50.360.18 0.27S2.3 减振器阻尼系数 的确定减振器阻尼系数 。因悬架系统固有振动频率 ，所以理论上cm2 smc/。实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。例如，当减振器如图
12、sm28 / 1522a、b、c 三种安装时，我选择了如图 213b 所示安装。减振器阻尼系数 用下式计算图 22 减振器安装位置22b 所示安装时，减振器的阻尼系数占用下式计算7(2.3)2cosanm式中，a 为减振器轴线与铅垂线之间的夹角。然而， 0.27 2阻尼系数：2scm20.318034伸张阻尼系数： 2s.56s2.4 最大卸荷力 的确定0F为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器打开卸荷。此时的活塞速度称为卸荷速度 。在减振器安装如图 22b 所示时xv(2.4)naA/cos式中， 为卸载速度，一般为 0.150.30m/s；A 为车身振幅，取40
13、mm， 为悬架振动固有频率。xv 如已知伸张行程时的阻尼系数 ，载伸张行程的最大卸荷力 7。SxSvF0伸张行程的最大卸荷力：9 / 150F360.2590826sxvN压缩行程的最大卸荷力：y71.x2.5 缸筒的设计计算根据伸张行程的最大卸荷力 计算工作缸直径 D0F（2.5）)1(42pD式中， 为工作缸最大允许压力，取 34Mpa； 为连杆直径与缸筒直径之比，双筒式减振器取p0.400.50，单筒式减振器取 0.300.357。减振器的工作缸直径 D 有 20、30、40、 （45） 、50、65mm 等几种。选取时应按标准选用。贮油筒直径 （1.351.50）D，壁厚取为 2mm，
14、材料可选 ZG45 号钢。chd024634(1).7Fp取 40mmh2.6 活塞杆的设计计算活塞（工作缸）直径 与活塞杆直径 可按下式计算经验数据： （0.40.5） ，取hdgdgdhd 40mm 则 18mm.hdg2.7 导向座宽度和活塞宽度的设计计算如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。又因为在减振器工作时，活塞杆与导向座之间是相对滑动的。在导向座内设计一衬套，在减少活塞杆的摩擦的同时也使活塞杆滑动轻便，迅速8。活塞的宽度 B，一般取 B（0.61.0）D;缸盖滑动支承面的长度 , 根据液压缸内径
15、D 而定：1l当 D80mm 时，取 （0.61.0）D；1l所以：导向座的长度： 0.6 4024mm1l活塞宽度：B0.6 4024mm3 影响减振器阻力特性的主要参数不同类型的节流阀， 其结构虽然各不相同， 但基本 参数主要都是初始节流孔、可变节流孔、弹簧的刚度和 弹簧的初压缩力。9 3.1 结构参数对阻力特性的影响 1 节流孔的面积 变化对阻力特性的影响各种结构参数的影响最终表现在节流孔面积随压力的变化上， 以下对图 3-2-1 的节流阀考虑几种特例进行分析。( 1 )设弹簧的刚度非常小， 且初压缩力近于 0 ， 此 时节流孔的面积为常数 ， 即。由式( 5 )知，拉伸阻力为 ：（7）其中， 常数 ，即阻力与速度平方成正比 。 ( 2 )设可动心阀上的节流孔 =0，弹簧初压力为 0，节流孔的面积与阻力成正比， 即 ，由式(I)式(5)知，拉伸阻力为：即： （8）其中，常数 ，即阻力与速度的 2次方成正比。 ( 3 )设初始节流孔 =0，弹簧初压力为 0，若要求阻力与速度成正比，此时节流孔应随压力按某种规律变化,由式(5)得： （9）
