1、双筒式液力减振器空程性畸变的理论研究刘建勇 1，顾亮 1(1.北京理工大学 机械与车辆工程学院,北京 100081 )摘要：本文在分析双筒式液力减振器的基础上，确定了双筒式液力减振器力学示功特性曲线空程性畸变与减振器内部流场之间的关系；进而通过分析减振器内部流场的动态过程，给出了减振器的空程性畸变的理论分析方法。该文的理论分析方法弥补了减振器力学特性曲线空程性畸变在理论分析上存在的不足，为合理设计减振器内部的各种参数提供了基础。关键词：减振器 空程性畸变 动态过程中图分类号：TB123 文献标识码：AAnalysis on The Oil Loss Travel Distortion of D
2、ual-tube Shock AbsorberLIU Jian-yong1 ,GU Liang1(1.School of Vehicle Enfgineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract: Based on the analysis of the construction of the dual-tube shock absorber, the relationship between the oil loss travel distortion of the indicator curves
3、of shock absorbers dynamics characteristic and the flow field in the shock absorber is work out. Then give the theoretical calculation method by anglicizing the dynamic process of the flow field of the shock absorber. The method of this paper covers the shortage of the theoretical methods used to an
4、alizing the oil loss travel distortion of the indicator curves of shock absorbers dynamics characteristic. It is helpful for designing the parameters of the shock absorber.Keywords: shock absorber oil loss travel distortion dynamic process 减振器的性能是否达到设计要求，主要是通过减振器的试验力学性能是否满足设计要求来确定。当示功图或速度阻尼特性曲线存在缺陷时
5、，则称其为试验力学特性曲线的畸变。空程性畸变是影响减振器性能的重要因素，尤其是在高频时。减振器空程性畸变的存在可能会严重影响车辆的平顺性和操纵稳定性，所以对减振器力学特性的空程性进行理论研究对设计符合要求的减振器是十分必要的。已有文献虽然对减振器的空程性畸变进行了分析13，但是理论分析研究不够深入，无法在理论上确定某一频率下内部流场和空程性畸变之间的关系。鉴于现有分析方法存在的不足，本文对给定频率下减振器试验示功特性曲线是否出现空程性畸变，以及出现空程性畸变时，畸变的持续时间及影响程度在理论上进行深入分析，确定动态过程中内部流场变化和减振器空程性畸变之间的关系。1双筒式减振器工作原理无论双筒式
6、减振器复原阀系和压缩阀系的组合形式如何，整个减振器的内部结构一般可简化为图 1 所示的基本结构。图中，p 1 为气体腔室内的气体压强；p 2 为下腔内的油液压强；p 3 为上腔油液压强。当活塞杆拉伸时，减振器上腔内的一部分油液通过复原阀系流入下腔，还有一部分储液腔室内的油液通过压缩阀系补充流入下腔；当活塞杆压缩时，减振器下腔的油液一部分通过复原阀系流入上腔，另一部分通过压缩阀系流入储液腔。 11作者简介：刘建勇(1983 - ) 上上图 1 双筒式减振器的结构简图Fig.1 The diagrammatic sketch of dual-tube shock absorber在减振器活塞杆的运
7、动过程中，空程性畸变可能会出现在减振器压缩行程的初始阶段，或减振器复原行程的初始阶段；一般情况下减振器的空程性畸变多出现在压缩行程的初始阶段 1。图 2 为某一试验载荷下减振器压缩行程初期减振器力学特性曲线出现空程性畸变的示功图。 =30rad/s-200-150-100-50050100150200250300350-60 -40 -20 0 20 40 60A/mF/N图 2 减振器示功图Fig.2 Indicator diagram of shock absorber2减振器内部流场分析下面就以压缩行程空程性畸变的形成机理为例进行分析，在分析过程中认为油液为不可压缩的，并且气体腔室内的气
8、体在一个载荷周期内为等温条件下的理想气体。在活塞杆的拉伸过程中，储液腔补充流入下腔的油液不足以充满下腔时，使得在活塞杆压缩行程的初始阶段油液流动出现间断，进而使减振器的力学示功特性曲线出现空程性畸变。所以若要分析压缩行程的空程性畸变，则需要分析动态过程中复原行程时减振器内部流场的变化情况。减振器的试验力学性能一般是通过在试验台上输入正弦载荷谱来测试的。故分析减振器在正弦载荷输入下是否出现空程性畸变是有实际意义的。为方便理论分析，拟以减振器活塞杆在压缩的最低位置为起始点，这时载荷谱可以写成下式：（1）tAycos式中，A 为载荷的振幅， 为载荷的圆频率， t 为时间。t32yO1图 3 试验载荷
9、谱Fig.3 Test load spectrum图 3 所示为试验载荷的一个周期，t 1 为开始出现储液腔流入下腔的油液不足以充满下腔这种情况的时间；t 2 为活塞杆拉伸到最高位置的时间，易知 t2/ ；t 3 为下腔真空空间消失的时间。2.1 减振器油液回油不及时的时间分析当输入载荷谱的频率较大时，会出现储液腔补充流入下腔的油液流量小于减振器下腔所需储液腔补充油液流量的情况，本文称此为回油不及时；时间 t1 为回油不及时开始出现的时间。在 t1 以前，可以认为气体腔室内气体体积的增加量即为单位时间内油液补充流入下腔的体积，即（2）gdVyAtt式中，A g 为活塞杆的横截面积。 若已知在初
10、始状态减振器的气体背压为 p10，气体的体积为 V10，则在 t1 时气体腔室的体积为：（3）110101(cos)t gdVVAt则时间为 t1 时气体腔室的气体压强为：（4）0101(cs)gpt在常用的减振器压缩阀系中，下腔与储液腔之间的压差主要是由压缩阀体上的常通孔的节流作用产生的，故下腔与储液腔的压差可等效为小孔节流来计算 4：（5）2()djptQCA式中，Q 为油液的流量，C d 为油液的流量系数，在本文的计算分析过程中设定 Cd 为常数，p （ t） =p1(t)-p2(t)。p 1(t) )为时间为 t 时的气体背压， p2(t)为时间为 t 时下腔油液的压强，在 t1,t3
11、范围内，可以认为 p2(t)=0。在t 1,t3范围内，气体腔室单位时间内的体积变化量和油液流量之间的关系为：（6）1()()djtVtA式中，V(t) 为 t 时气体腔室的体积。t1 为会有不及时是否出现的临界时间点，易知在 t1 时， （7）1()singdVtAt联合式（6）和式（7）得，(8)211i2gdjtpCt1 为减振器是否出现回油不及时现象的临界时间点，则在 t1 点，（9）2110101sin0(cos)2gg djAtVAt通过式（9）可以确定出减振器出现回油不及时开始出现的时间点 t1。式（9）在0,/范围内可能的数值结果分析：a. 在此范围内无实数解，则减振器油液不会
12、出现回油不及时的情况。b. 在此范围内只有单一实数解，这说明载荷输入圆频率为 时，减振器内部流场处于减振器是否出现回油不及时的临界情况。c. 在此范围内有两个实数解，则较小的一个实数解为开始出现回油不及时情况的时间 t1。由此可知，当减振器的参数完全确定时，减振器内部是否会出现回油不及时的情况可以通过理论计算确定。2.2 空程性畸变分析当根据式（9） ，确定减振器内部流场会出现回油不及时的情况后，以此为基础，分析动态过程中减振器的示功特性曲线是否会出现空程性畸变。将气体腔室内的气体作为理想气体处理时，则有（10）110()ptVC式中，C 为常数。很显然，气体腔室体积的变化率与气体背压的变化率
13、关系为：（11）102()()dptdt联合式（6）和式（11）得，（12）211 10()()()djptCAdtptV由（12）式可以确定在 t1， t3范围内，气体腔室内气体的压强与时间的关系为：(13)21()3)pttK其中， ， 。10djCAV321pt由减振器的载荷输入可知，减振器活塞杆的运动速度为：（14）singdyvAtt当 t3t2 时，在 t1 到 t3 这段时间内，根据减振器的基本结构可知，由于活塞杆的运动造成的下腔的体积变化量为：（15）2 31 2()t tighgghVvdvA式中，A h 为下腔的横截面积。则从 t1 到 t3 从储液腔流入下腔的油液体积为：
14、（16）1132()trCdttK在 t3 时减振器下腔的体积和下腔内油液的体积相等，则有02riV即（17）2 331 21132() 0()t ttghgghvAdvACdttK通过上式可以在理论上确定 t3，t 3 /， 2/。若方程在 /， 2/区间内，式（17）不存在实数解，则说明减振器在复原行程的初始阶段不会出现空程性畸变。根据式（17）可以确定，在复原行程中空程性畸变持续的距离为：（18）3(1cos)LAt通过分析 L 和 A 之间的关系，在理论上可以分析空程性畸变对减振器总的力学特性的影响程度。减振器的力学特性曲线不出现空程性畸变，并不等于减振器内部不会出现回油不及时的情况。
15、当减振器内部出现回油不及时情况，且减振器的力学特性曲线没有空程性畸变时，减振器下腔真空消失的时间 t3 t2。此时由于活塞杆的运动造成的下腔的体积变化量为：（19）21()tighgVvAd则在此情况下，减振器下腔真空消失的时间 t3 的计算公式为：（20）3 31 112() 0()t tghgvCdtK为便于分析减振器复原行程出现回油不及时情况时，减振器的力学示功特性曲线是否出现空程性畸变，取；1()hgA；)sinftt；1322()ftCtK。3)sinhA图 3 为 t3t2 时，减振器力学特性曲线出现空程性畸变时，f 1（ t） ， f2（ t） ， f3（ t） 之间的关系。图
16、4 为 t3t2时各函数之间的关系Fig.4 The relation of these function when t3t211()图 5 t3t2时 f1（t）与 f2（t）之间的关系 图 6 t3=t2 时 f1（ t） 与 f2（ t） 之间的关系Fig.5 The relation between f1（ t） and f2（ t） when t3t2 Fig.6 The relation between f1（ t） and f2（ t） when t3=t2分析图 4、图 5、图 6 可知，载荷输入的圆频率为 时，在 t1 和 t2 之间，若 f1（ t） 与横轴围成的区域的面积
17、大于 f2（ t） 与横轴围成的区域的面积，则在压缩行程的初始阶段，减振器的力学特性曲线必然会出现空程性畸变；若 f1（ t） 与横轴围成的区域的面积小于f2（ t） 与横轴围成的区域的面积，此时虽然减振器内部会出现回油不及时的现象，但在压缩行程的初始阶段，减振器的力学特性曲线不会有空程性畸变。 若 f1（ t） 与横轴围成的区域的面积等于 f2（ t） 与横轴围成的区域的面积，则此种情况为减振器压缩行程力学特性曲线是否出现空程性畸变的临界状态。由此可知，减振器内部油液出现回油不及时是减振器力学特性曲线出现空程性畸变的前提，但是减振器内部油液回油不及时不一定出现力学特性曲线的空程性畸变。2.3
18、 实例分析为对本文分析进行验证，以天津某减振器生厂家生产的 20/28/45 型结构减振器进行试验分析。根据减振器的内部基本结构确定的基本结构参数见表 1。图 7 为频率为 20rad/s 和30rad/s 时在 MSP25NB 型申克试验台上得到示功图。表 1 减振器基本参数Table1 the inner parameters of shock absorberA/mm Ah/mm2 Ag/mm2 p10/Mpa V10/ml Aj/mm250 616 314 0.1 50 120表 2 试验结果和理论结果的对比Table2 the comparison between test resu
19、lts and theoretical results /rad/s Lt/mm Lj/mm20 14.4 13.430 5.5 5.3-200-150-100-50050100150200250300350-60 -40 -20 0 20 40 60A/mF/N=20rad/s=30rad/s图 7 试验测试示功图Fig.7 test Indicator diagram of the shock absorber表 2Lt 为根据试验所得的空程性畸变持续的距离，L j 根据理论计算所得的空程性畸变所持续距离。理论计算结果略小于试验结果是主要是由减振器内部油液的流动迟滞现象造成的。3结论通过本
20、文的分析研究可以得到以下结论：(1)当减振器的所有参数确定后，可以通过理论分析确定减振器内部是否会出现回油不及时的情况；当减振器出现回油不及时时，可以在理论上确定在圆频率为 时，回油不及时出现的位置、持续的时间以及减振器的力学特性曲线是否会出现空程性畸变；为合理开发减振器的阀系参数奠定基础。(2)减振器内部油液的回油不及时是减振器的力学特性曲线出现空程性畸变的前提，但减振器内部油液回油不及时不一定会造成减振器力学特性曲线的空程性畸变。参考文献1傅曌,俞德孚.悬架减振器外特性畸变及其临界速度J. 兵工学报 坦克装甲车与发动机分册,1993(1):2027.2俞德孚,刘晓璞，李晓雷.车辆悬架减振器
21、外特性的高频畸变与高频设计 J.北京工业学院学报（车辆工程专辑）.1988,3( ):8289.3俞德孚,马国新,李文君.悬架减振器外特性畸变及其主要噪声源 J.车辆与动力技术，2002(2):611.4 成大先.机械设计手册 M.北京：化学工业出版社，20015谭超,俞德孚，罗金良. 悬架双筒液压充气减振器的基本结构和工作原理J. 兵工学报 坦克装甲车与发动机分册，1997（3）：5157.6舒红宇,王立勇,吴碧华,殷伟等.液力减振器结构异响发生的微过程分析 J.振动工程学报2005，18（3）：2822877肖攀,黄恒,邓楚南.液压减振器的噪声与内部结构对应关系的探讨 J.汽车科技,2005,（4）:1013
