雙筒液壓減振器注油量計算平臺的開發(fā)

葉萬權(quán)，楊禮康，王山虎

(1.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023；2.浙江路得坦摩汽車部件股份有限公司，浙江 湖州 313300)

減振器是汽車懸架的重要組成部件，其工作性能將直接對汽車的乘用舒適性和操縱穩(wěn)定性造成影響[1]。對于液壓減振器，內(nèi)部注油量的多少將直接影響其工作性能及使用壽命[2-3]。因此，對減振器注油量進行合理計算很有必要。目前對這部分研究得較少，且大多只停留在理論研究，也無友好人機界面系統(tǒng)的開發(fā)[4-5]；現(xiàn)階段很多減振器廠家都根據(jù)經(jīng)驗進行油量添加，雖有些企業(yè)運用一些計算方法，但計算誤差普遍較大，致使減振器出現(xiàn)空程、壽命短等問題，并沒有太大的實際作用[6-7]。本研究根據(jù)實際經(jīng)驗，并結(jié)合相關(guān)油量計算理論，建立了一套液壓減振器油量計算方法。在此基礎(chǔ)上，為了便于使用，利用MATLAB軟件搭建了一套注油量計算平臺，使計算和操作更加方便[8-10]。

1 液壓減振器整體結(jié)構(gòu)

液壓減振器雖然整體結(jié)構(gòu)并不十分復(fù)雜，但由于影響其阻尼特性的零部件比較多，所以在考慮其綜合性能時，又變得相對復(fù)雜[8-10]。同樣，在考慮減振器注油量時，為了保證減振器工作性能，使所注油量更加合理精確，需要考慮的零部件結(jié)構(gòu)也就相對較多。普通雙筒液壓減振器活塞桿壓縮至最低位時的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1在詳細展示其整體結(jié)構(gòu)的同時，還列出了減振器各部分的長度范圍，以便于后期計算模型的搭建[11]。

1—油封；2—導(dǎo)向器；3—軸承套；4—活塞桿；5—限位器；6—限位片。圖1 減振器整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of shock absorber

2 減振器油量計算方程的推導(dǎo)

以企業(yè)實際運用及減振器劃分的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，在充分考慮雙筒液壓減振器各部分結(jié)構(gòu)和尺寸后，設(shè)定油量精確計算模型。當(dāng)活塞桿處于最低端時，分步計算如下。

減振器內(nèi)油缸總體積求取。第1步，計算活塞桿腔內(nèi)工作缸體積V1：

(1)

式(1)中:d1為減振器活塞桿端外筒內(nèi)徑；d2為緩沖塊直徑；d4為活塞桿外徑；d5為工作缸內(nèi)徑；L1為緩沖塊左端面至工作缸左端面的長度；L3為限位器和限位片之間的長度；L2為緩沖塊和限位器疊加長度。

第2步，計算活塞腔工作缸內(nèi)螺母與缸間隙體積V2：

(2)

式(2)中：d7為活塞螺母直徑；L5為活塞螺母間隙長度。

第3步，再對活塞腔內(nèi)工作缸與底閥的間隙體積V3進行計算：

(3)

式(3)中：d8為閥片限位器直徑；L8為底閥間隙長度。

第4步，計算底蓋間隙的體積V4：

(4)

式(4)中：d9為底座內(nèi)直徑；L7為底蓋間隙高度。

第5步，對底蓋與內(nèi)油缸間隙體積V5進行計算：

(5)

從以上計算可以求得內(nèi)油缸總體積Vi為：

Vi=V1+V2+V3+V4+V5。

(6)

由此獲得雙筒液壓減振器內(nèi)油缸總體積。

對減振器外筒體積進行計算，具體計算方式與步驟與內(nèi)油缸相似，式(7)～(11)分別為外筒下部直段部分體積V6、外筒下部擴口部分體積V7、外筒中部直段部分體積V8、外筒上部縮口部分體積V9、外筒上部直段部分體積V10的計算公式。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式(7)～(11)中：d11也為外筒內(nèi)徑，但根據(jù)外筒有無擴孔而與d6的大小有所不同，當(dāng)外筒不擴孔時，兩者相等，當(dāng)外筒擴孔時，d6要大于d11；L9～L13為外筒各段長度；R1為外筒因擴孔而產(chǎn)生的大內(nèi)孔半徑；r1為外筒前段內(nèi)孔半徑；r6為外筒后段內(nèi)孔半徑。

從而獲得減振器外筒總體積Vo為：

Vo=V6+V7+V8+V9+V10。

對于軸承套及油封間隙占有體積V11,一般根據(jù)實際情況進行設(shè)定，從而可以計算獲得整體體積為：

Vw=Vi+Vo+V11。

此外，還需要考慮活塞桿行程體積，具體計算方法如下：

(12)

式(12)中：L14為活塞桿運動行程。由于減振器有充氣和不充氣之分，所以空氣壓縮比也就不同，在此設(shè)定空氣壓縮比為W，由于空氣壓縮比與減振器有桿腔內(nèi)活塞桿體積大小有關(guān)，可根據(jù)活塞桿直徑和其進入工作缸體的極限長度(即減振器行程)進行相應(yīng)的設(shè)定。此外，空氣壓縮比還受到減振器油封受壓程度的影響，一般將空氣壓縮比的數(shù)值設(shè)置在2～3。當(dāng)空氣壓縮比的數(shù)值超過3時，減振器壓縮到末端時壓強將急劇變大，油封將因無法承受如此大的壓強而受到損壞。結(jié)合式(12)可推導(dǎo)出空氣量體積V13：

根據(jù)以上公式推導(dǎo)和計算，最終獲得液壓減振器注油量V為：

V=Vw-V13。

3 軟件計算平臺的構(gòu)建

為了能夠更加方便地使用這套理論模型進行注油量計算，在此基礎(chǔ)上進行軟件平臺開發(fā)[12]。應(yīng)用MATLAB軟件強大的數(shù)學(xué)計算功能及面向?qū)ο蠹夹g(shù)的GUI模塊，將所設(shè)計的注油量計算方法編入軟件程序，并在GUI模塊中設(shè)計簡潔的應(yīng)用窗口：即通過簡單的變量輸入，經(jīng)后臺程序運算直接在窗口上顯示注油量結(jié)果[13]。

圖2 減振器注油量計算窗口Fig.2 Calculation window for oiling mass of shock absorber

由于GUI模塊能給出一個效率高、更便捷的集成化環(huán)境，因此在設(shè)計窗口時，它能夠提供界面外觀等方面的設(shè)置方法[14-15]。同時，設(shè)計好的界面將保存在FIG文件中并生成一個M代碼文件，經(jīng)編寫調(diào)試最終生成exe文件，以便于運行打開及操作運算[16]。普通雙筒液壓減振器的注油量計算窗口如圖2所示。從圖2可知，通過輸入模塊計算所需要的該型號減振器的各個變量值，然后點擊運算，即可在窗口處顯示出其所需的減振油量。整個計算過程在MATLAB環(huán)境下完成，操作簡便。同時，對該計算結(jié)果進行實際驗證。采用某企業(yè)現(xiàn)有威巴克產(chǎn)品SKN8367型液壓減振器進行實際運用，其中活塞桿直徑為12 mm，工作缸內(nèi)徑為30 mm，外徑為32.4 mm，貯油筒內(nèi)徑為42 mm，外徑為45 mm。輸入各變量值并經(jīng)過計算得到注油量約為246 mL，以此油量注入到該型號減振器中，并放于MTS849型示功機上測試(圖3)，獲得實際測試示功圖(圖4)。從圖4中可以看出，示功圖曲線飽滿，無畸形、無空程等現(xiàn)象。驗證結(jié)果表明，該平臺油量計算準確，符合實際運用要求。

圖3 減振器試驗過程Fig.3 Test process of shock absorber

圖4 減振器試驗示功圖Fig.4 Test dynamometer of shock absorber

4 結(jié) 論

本研究根據(jù)減振器實際工作情況建立雙筒液壓減振器油量計算模型，并應(yīng)用MATLAB軟件的GUI模塊建立油量計算操作平臺，再采用實際型號減振器進行試驗驗證，從而證明了計算結(jié)果的準確性。該平臺可作為雙筒液壓減振器開發(fā)過程中的輔助工具，因此具有運用價值。

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