摩托車液壓減震器的動力特性分析

摩托車液壓減震器的動力特性分析

減震器動力特性的結(jié)構(gòu)模型減震器對車輛高速行駛穩(wěn)定性和乘客舒適度的影響。多年來,人們對車輛減震器進行了許多研究。文通過簡單的線性模型,研究了車輛的動力特性,但用這一模型模擬減震器的特性遠遠不夠。文用單自由度恢復力方法表示減震器的非線性特性,并通過試驗數(shù)據(jù)運用數(shù)學擬合方法,構(gòu)造了一個較為精確的模型。但這一模型不便于分析各因素(參數(shù))對減震器動力特性的影響,同時,由于模型參數(shù)與減震器結(jié)構(gòu)參數(shù)之間沒有直接聯(lián)系,不便于指導減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,因此,建立一個基于減震器結(jié)構(gòu)尺寸的動力模型,無論是對減震器結(jié)構(gòu)設(shè)計,還是對分析動力特性影響因素都是十分重要的。本文在較為復雜的摩托車液壓減震器具體幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究了減震器中各種因素對其動力特性的影響,為減震器性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進提供了理論依據(jù),為建立基于幾何尺寸參數(shù)的減震器動力特性模型奠定了基礎(chǔ),對提高摩托車的乘坐舒適性和高速行駛穩(wěn)定性具有一定意義。1閥片彈簧特性圖1為摩托車液壓減震器的剖面圖,這是一雙管緩沖器。在復原行程中,液壓油經(jīng)a,b處小孔,從左邊復原腔進入右邊壓縮腔;在壓縮行程中,活塞上閥門打開,液壓油經(jīng)活塞上的節(jié)流閥門和b,a小孔,從壓縮腔進入復原腔?；钊嫌?個節(jié)流閥門小孔,節(jié)流閥片通過彈簧預壓在活塞上,只有在活塞兩端壓力差可以克服閥口彈簧預壓力時,閥片才打開。一旦閥片打開,閥片彈簧特性將決定閥口開啟量的大小。圖1右邊壓縮腔中有一個金屬的彈性氣囊,用來補償由于活塞桿運動所引起的液壓油容積的變化。2過動力特性模型根據(jù)液壓油流動的動力學方程,可建立包括容性、感性和阻性的減震器動力特性數(shù)學模型。通過動力特性模型,可以分析影響減震器動力特性的因素。同時,對圖1減震器的具體結(jié)構(gòu),作了適當?shù)暮喕?以便進行理論分析。在考慮容性和感性時,認為圖1中活塞組件上無閥門,液壓油在壓縮和復原行程中,只能通過a口流動。在考慮阻性時,認為活塞組件上只有一個節(jié)流孔。2.1不同流體的容性液壓油的容性表現(xiàn)為液壓油的可壓縮性。油液在腔內(nèi)的流動特性,除與油液流經(jīng)節(jié)流孔有關(guān)外,還與腔內(nèi)壓力變化引起的體積流量的變化情況有關(guān),因此,可以將分析模型看作是由容性和阻性并聯(lián)而成的。假設(shè)減震器無內(nèi)外泄漏,且各腔內(nèi)壓力均勻一致,則根據(jù)流體流動的連續(xù)性原理,可得復原腔的油液體積流量表達式Ar˙x(t)=Qres+Qcap(1)Arx˙(t)=Qres+Qcap(1)式中,Ar為復原腔活塞有效面積,˙xx˙(t)為活塞的運動速度,Qres為油液經(jīng)節(jié)流孔a的體積流量,Qcap為腔內(nèi)油液因壓縮引起的體積流量變化。若高低壓腔的壓差為Δp,則流經(jīng)節(jié)流孔a的油液流量為Qres=CDAn√2|Δp|ρsign(Δp)Δp=pC-pr(2)Qres=CDAn2|Δp|ρ????√sign(Δp)Δp=pC?pr(2)式中,CD為油液流經(jīng)節(jié)流孔的動態(tài)流量系數(shù),An為截流孔過流面積,ρ為油液密度,PC為高壓腔(壓縮腔)壓力,Pr為低壓腔(復原腔)壓力。由流體的壓縮性可知,流體的體積壓縮性系數(shù)為β=1VfdVfdp(3)β=1VfdVfdp(3)式中,β為油液的壓縮性系數(shù),Vf為油液體積,p為油腔壓力。若dt時間內(nèi),油腔內(nèi)油液體積壓縮量為dVf,則活塞在單位時間內(nèi)掃過的體積(流量)為Qcap=dVfdt(4)Qcap=dVfdt(4)將式(3)代入式(4)得Qcap=βVfdpdt(5)Qcap=βVfdpdt(5)將式(2,5)代入式(1)得Ar˙x(t)=CDAn√2|Δp|ρsign(Δp)+βVfdpdt(6)Arx˙(t)=CDAn2|Δp|ρ????√sign(Δp)+βVfdpdt(6)由于壓縮腔中油液的壓力與氣壓囊中的空氣壓力相等,故由氣體狀態(tài)方程可得補償活塞位移引起的體積變化的壓力為pc=p0[V0V0+(Ac-Ar)x(t)]m(7)pc=p0[V0V0+(Ac?Ar)x(t)]m(7)式中,p0為空氣容量(體積)為V0時的初始壓力,Ac為活塞面積,m為氣體常數(shù),x(t)為活塞位移。當已知活塞(桿)運動規(guī)律時,由式(6,7)可求出減震器兩腔壓力p對時間t的歷程(p與t的關(guān)系),于是,活塞桿的輸出力為F=ArΡr-AcΡc(8)取不同的壓縮性系數(shù)(即不同的容性),并代入有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)值,對上面幾式進行數(shù)字仿真計算,可得液壓油容性對減震器性能的影響曲線,見圖2。圖中縱坐標為摩托車行駛時傳遞給減震器的沖擊振動動載荷。圖2(a)由于油液的壓縮性系數(shù)β很小,可近似看作不可壓縮流體,故油液的容性對減震器的動力特性影響較小。圖2(b)的封閉曲線是β為實際情況的值,且考慮減震器的殼體彈性變形時的動力特性曲線。當β增大一個數(shù)量級時,動力特性曲線如圖2(c)所示。從圖中可以看到,隨著β增大,封閉曲線所圍面積增大,減震器吸收沖擊載荷的能力增強。同時,從圖中可以看到,隨著β增大,最大速度處力的幅值從2000N變?yōu)?500N,即當壓縮性系數(shù)β增大時,封閉曲線的最大力減小。當油液的壓縮性系數(shù)β再增大一個數(shù)量級時(圖2(d)),封閉曲線面積進一步增大,減震器吸收沖擊載荷的能力也進一步增強。同時,封閉曲線形狀變?yōu)闄E圓狀,最大速度處力的幅值降為500N,封閉曲線形狀光滑,沒有尖峰。這說明由壓縮到復原或由復原到壓縮過程中,減震器無沖擊現(xiàn)象,給人一種平穩(wěn)舒適的感覺。即從理論上講,增大油液的可壓縮性,可以提高摩托車的乘坐舒適性。2.2流量等效計算及油液流動方程油液的感性主要是指油液在流動中的慣性效果。根據(jù)液壓減震器的實際結(jié)構(gòu),可將液壓油的感性分析模型,看作是由感性元件與阻性元件串聯(lián)而成。在減震器工作過程中,流經(jīng)節(jié)流孔油液流量的大小和方向都是隨時間變化的,設(shè)油液為不可壓縮液體,則Qcap=0(9)故活塞位移引起的流量可由式(1)得到Qres=Qind=Ar˙x(t)(10)由式(2)可得經(jīng)過阻尼器的壓降為Δpres=ρQ2res2CDA2nsign(Qres)(11)當考慮油液的感性效果時,設(shè)復原腔活塞的有效面積掃過的一段長度(即節(jié)流部分流量通道的等效長度)為ln,則其包含的油液質(zhì)量為:ρlnAr,于是該段油液的流動方程為ΔpindAn=ρlnAr¨x(t)(12)式中,Δpind為油液因加速度引起兩腔中慣性沖擊而產(chǎn)生的壓力差。由式(12)得Δpind=ρlnAr¨x(t)An(13)所以,復原腔與壓縮腔之間總的壓力差為Ρr-Ρc=Δpres+ΔΡind(14)取不同的ln值,對式(11,13,14)進行數(shù)值計算,可發(fā)現(xiàn)感性對動力特性的影響較小,但隨著ln的增加,最大速度處對應(yīng)的力沒有變化。2.3油液容性/感性分析前面分別研究了容性與阻性并聯(lián),以及感性與阻性串聯(lián),在簡諧激勵作用下,單孔節(jié)流時減震器的動力特性,其結(jié)果是隨著容性或感性效果的增加,特性曲線所圍面積都增大。應(yīng)該指出的是:容性與感性的影響是有本質(zhì)差別的,容性是由油液的壓縮性引起的,其封閉曲線是逆時針方向的;而感性是由油液的慣性引起的,其封閉曲線是順時針方向的,兩者的影響剛好相反。從式(5)可知:較大的容性影響發(fā)生在較高的速度范圍內(nèi),此時,壓力對時間的導數(shù)較大;而從式(14)可知,較大的感性影響發(fā)生在較低的速度范圍內(nèi),此時,加速度較大。同時考慮油液容性與感性的影響時,系統(tǒng)模型為感性與阻性串聯(lián),再與容性并聯(lián)。其數(shù)學描述由式(5～8,13,14)式構(gòu)成。另外,還要考慮激勵頻率、彈簧等對減震器動力特性的影響。2.4建立3a所需資源取實際減震器的參數(shù),對式(1～8)進行數(shù)字計算,結(jié)果如圖3(a)所示。同時通過實驗測得的動力特性如圖3(b)所示,比較這兩張圖,可以看到吻合情況較好,模型基本正確可用(因圖3(a)未考慮彈簧、氣囊等的減振作用,故結(jié)果要大些)。3動態(tài)特性分析本文針對一種實際的摩托車液壓減震器,從理論上研究了影響液壓減震器動力特性的因素,建立了分析模型,進行了數(shù)字仿真,為建立基于結(jié)構(gòu)尺寸的減震器模型進