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    內(nèi)置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器設計與試驗

    2018-05-31 03:16:59夏長高梁艾金楊宏圖朱曉斌韓江義
    農(nóng)業(yè)機械學報 2018年5期
    關鍵詞:阻尼力減振器節(jié)流

    夏長高 梁艾金 楊宏圖 朱曉斌 韓江義

    (江蘇大學汽車與交通工程學院, 鎮(zhèn)江 212013)

    0 引言

    隨著人們對車輛性能要求的提高,阻尼可調(diào)減振器的研究得到了重視。國內(nèi)外對阻尼可調(diào)減振器的研究主要分阻尼油液可控和閥口可控兩大類,代表產(chǎn)品分別為德爾福的磁流變減振器和ZF的CDC減振器。文獻[1-3]設計了不同結構形式的磁流變阻尼器,實現(xiàn)了阻尼器阻尼力可調(diào)特性,但昂貴的磁流變液使其成本較高,很難應用到普通車輛中。文獻[4-15]提出了幾種阻尼有級可調(diào)減振器,有效地提高了車輛的動態(tài)性能,但不能根據(jù)車況進行實時阻尼最佳匹配。文獻[15-18]設計了與行程相關的減振器,減振器在工作過程中可根據(jù)自身壓縮量調(diào)節(jié)不同工作行程時的阻尼力,但振動頻率改變時此類型減振器存在不能改變阻尼的缺陷。文獻[19-23]對外置旁通式可調(diào)減振器進行了研究,分析了不同電流阻尼力的變化規(guī)律。此類型減振器可實現(xiàn)連續(xù)可調(diào),在性能上優(yōu)于有級可調(diào),能實現(xiàn)實時阻尼最佳匹配,但在結構上對懸架的空間布置有一定的要求。

    從目前研究來看,內(nèi)置閥口可調(diào)多為有級可調(diào)式,不能實現(xiàn)連續(xù)可調(diào);能實現(xiàn)閥口連續(xù)可調(diào)的多為外置旁通式。車輛前懸架空間涉及轉向等一系列功能部件布置,如使用旁通式減振器會出現(xiàn)空間上的干涉而需要重新布置其他部件,這對于成熟的車型是不利的。為此,本文提出一種內(nèi)置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器結構,分析阻尼連續(xù)可調(diào)原理,并以樣件試驗驗證仿真模型正確性和新結構的可行性。

    1 電磁閥減振器的結構與工作原理

    1.1 結構分析

    其結構如圖1所示,實物如圖2所示。電磁閥減振器底閥總成連接在壓縮缸的底部,使油液能在外油缸和壓縮腔之間流動;活塞閥總成螺紋連接在電磁閥總成下部內(nèi)置在工作缸內(nèi),電磁閥控制接線通過活塞桿中間通道與外控制器連接。在內(nèi)置電磁閥總成中有電磁閥外殼、卡圈、流通環(huán)、溢流塊、閥芯、壓縮彈簧、導向柱、電磁線圈和定位螺釘?shù)纫幌盗胁考?。閥芯受壓縮彈簧作用壓在溢流塊上端,溢流塊下端壓在流通環(huán)上端,流通環(huán)腳柱卡在卡圈內(nèi)。溢流塊徑向和軸向都有流通孔,定位螺釘可調(diào)整電磁閥初始狀態(tài)。電磁閥外殼上有一節(jié)流孔和8個連接復原腔的流通孔。一方面閥芯受到油液壓力作用后會向上移動減少其在溢流塊上的壓力;另一方面油液壓力作用在溢流塊上下臺階面上形成的壓力差使溢流塊上移,當溢流塊上移后溢流塊和流通環(huán)之間形成一定的節(jié)流縫隙連通復原腔和活塞閥上腔。電磁線圈在導向柱上形成與彈簧壓力方向相反的電磁力,電流可控制電磁力從而控制閥芯受力,進而可控制閥芯的移動,實現(xiàn)溢流塊節(jié)流縫隙連續(xù)可調(diào)。

    圖1 內(nèi)置電磁閥式減振器結構與原理圖Fig.1 Structure and schematic diagrams of shock absorber with built-in solenoid valve1.底閥總成 2.活塞閥總成 3.電磁閥外殼 4.卡圈 5.流通環(huán) 6.溢流塊 7.電磁閥總成 8.閥芯 9.壓縮彈簧 10.導向柱 11.電磁線圈 12.定位螺釘 13.電磁閥外接線 14.油缸15.壓縮腔 16.電磁閥下腔 17.電磁閥外殼流通孔 18.溢流塊軸向孔 19.復原腔 20.溢流塊環(huán)形腔 21.溢流塊徑向孔 22.電磁閥上腔 23.閥體節(jié)流孔

    圖2 電磁活塞閥實物圖Fig.2 Part of physical maps of shock absorber

    1.2 工作原理

    圖1a帶箭頭的折線為內(nèi)置電磁閥減振器復原行程時減振油液流向。復原狀態(tài)時活塞桿連動整個電磁閥和活塞閥總成向上移動,復原腔中油液壓力增大,一部分減振油液從電磁閥閥體節(jié)流孔處流入溢流塊左側環(huán)形腔,通過溢流塊徑向孔流向閥芯,油液推動閥芯向上移動形成閥芯開口,油液便可從閥芯開口流向電磁閥上腔,另一部分減振油液通過電磁閥外殼上的流通孔后推動溢流塊向上移動使得溢流塊與流通環(huán)形成節(jié)流縫隙,油液從節(jié)流縫隙進入電磁閥下腔和第1部分匯合流向活塞閥,最后進入壓縮腔。電磁線圈通電后在導向柱上產(chǎn)生與彈簧壓力方向相反的電磁力,從而閥芯上的作用力變小。電流越大閥芯上的作用力越小,則閥芯開啟越易,進而溢流塊與流通環(huán)可形成的節(jié)流縫隙越大,最終實現(xiàn)復原阻尼力連續(xù)可調(diào)。

    圖1b帶箭頭的折線為內(nèi)置電磁閥減振器壓縮行程時減振油液流向。壓縮狀態(tài)時活塞桿連動整個電磁閥和活塞閥總成向下移動,壓縮腔油液一部分通過活塞閥節(jié)流流入電磁閥下腔,油液壓力作用在溢流塊上下臺階面上時產(chǎn)生壓力差,向上推動溢流塊,使得溢流塊和流通環(huán)形成節(jié)流縫隙,因此減振油液可從節(jié)流縫隙流出經(jīng)過電磁外殼孔流入復原腔。電磁線圈電流控制導向柱上電磁力,電磁力可以抵消部分彈簧壓力,進而控制閥芯壓在溢流塊上的壓力,此壓力決定溢流塊節(jié)流縫隙的開啟和節(jié)流縫隙,從而控制壓縮腔和復原腔油液流動壓差,最終實現(xiàn)壓縮阻尼力連續(xù)可調(diào)。

    2 阻尼力分析

    內(nèi)置電磁閥減振器阻尼力的產(chǎn)生和一般的雙筒式液壓阻尼原理相似,都由減振器內(nèi)壓縮腔和復原腔的壓力差產(chǎn)生,其關鍵之處在于相同的激振速度下內(nèi)置電磁閥可以控制本身節(jié)流縫隙調(diào)節(jié)壓縮腔與復原腔的壓差產(chǎn)生不同的阻尼力,且復原過程和壓縮過程電磁閥都可控制。

    復原狀態(tài)液壓抽象模型如圖3所示。

    圖3 復原行程液壓抽象模型Fig.3 Rebound strokes hydraulic abstract model1.上腔 2.閥體節(jié)流孔 3.電磁可控先導閥 4.活塞內(nèi)節(jié)流孔5.復原閥 6.下腔 7.復原閥固定節(jié)流口 8.補償閥 9.電磁溢流閥 10.電磁溢流閥固定節(jié)流口 11.儲油缸 12.補償閥固定節(jié)流口

    復原狀態(tài)時復原腔流入壓縮腔的總流量為

    Qr=(Ap-Ar)Vr

    (1)

    式中Ap——活塞有效面積,mm2

    Ar——活塞桿橫截面積,mm2

    Vr——活塞桿運動速度,m/s

    電磁閥工作過程分析如下:

    閥芯受力計算式為

    (2)

    其中Fd=28.4Ir

    (3)

    式中mv——閥芯質量,kg

    P4——閥芯下壓力,MPa

    Sk——閥芯有效受力面積,mm2

    Kt——壓縮彈簧剛度,N/mm

    x0——壓縮彈簧初始壓縮量,mm

    xv——閥芯上移位移量,mm

    Fd——電磁力,NIr——電流,A

    fy——閥芯所受液動力,N

    溢流塊受力計算式為

    (4)

    式中ml——溢流塊質量,kg

    在黃國平的闡述中,所謂創(chuàng)新,更多是為了滿足客戶的需求。從上世紀80年代開始,蘇印總廠逐漸將業(yè)務重點轉移到包裝,以創(chuàng)新技術、100%保證的質量,以及個性化的解決方案,服務于諸多世界500強企業(yè),如今企業(yè)業(yè)務的90%在于包裝,而10%的業(yè)務來自于書刊和票據(jù)。

    P5——復原腔油液壓力,MPa

    S1——溢流塊開啟壓力面積,mm2

    S2——溢流塊閉合壓力面積,mm2

    電磁閥流量計算式為

    Q5=Q51+Q52

    (5)

    其中Q51=Q511+Q512

    (6)

    (7)

    (8)

    (9)

    式中Q5——電磁閥總流量,mm3

    Q52——電磁閥閥體節(jié)流孔流量,mm3

    Q511——溢流塊常通節(jié)流縫隙流量,mm3

    Q512——溢流塊開啟節(jié)流縫隙流量,mm3

    Cd——流量系數(shù)

    Aj1——閥體節(jié)流孔面積,mm2

    ΔP54——閥體節(jié)流孔內(nèi)外壓力差,MPa

    Al1——溢流塊常通節(jié)流縫隙面積,mm2

    ΔP52——溢流塊節(jié)流縫隙內(nèi)外壓差,MPa

    ρ——油液密度,kg/m3

    Dl2——流通環(huán)直徑,mm

    xl2——溢流塊上移位移,mm

    ΔP520——溢流塊開啟壓力差,MPa

    先導閥芯流量計算式為

    (10)

    Q52=Q42

    (11)

    式中Q42——先導閥芯流量,mm3

    Dk——閥芯開口處直徑,mm

    α——閥芯錐角,(°)

    ΔP43——閥芯上下腔壓差,MPa

    ΔP430——閥芯開啟壓力差,MPa

    活塞復原溢流閥流量計算式為

    (12)

    式中Qh——活塞內(nèi)環(huán)節(jié)流孔流量,mm3

    n——活塞內(nèi)環(huán)節(jié)流孔個數(shù)

    Ak——活塞內(nèi)環(huán)節(jié)流面積,mm2

    ΔP32——活塞內(nèi)環(huán)節(jié)流孔上下壓力差,MPa

    復原溢流閥固定節(jié)流口流量計算式為

    (13)

    式中Q11——復原溢流閥固定節(jié)流口流量,mm3

    ΔP21——復原溢流閥固定節(jié)流孔壓差,MPa

    復原溢流閥閥口開啟流量計算式為

    (14)

    (15)

    Qh=Q1=Q11+Q12

    (16)

    式中Q1——復原溢流閥總的流量,mm3

    Q12——復原溢流閥閥口開啟流量,mm3

    Ar1——復原溢流閥固定節(jié)流孔面積,mm2

    ΔP210——復原溢流閥開啟壓差,MPa

    Df2——復原溢流閥閥片直徑,mm

    xf2——復原溢流閥閥片變形量,mm

    Gr——復原溢流閥閥片變形系數(shù),mm6/N

    h1——復原溢流閥閥片等效厚度,mm

    Q1=Q5=Qr

    (17)

    補償閥對整個液壓回路影響較小可不考慮其壓差變化。復原力為

    Fr=P5(Ap-Ar)-P1Ap

    (18)

    式中Fr——復原阻尼力,kN

    P1——壓縮腔油液壓力,MPa

    壓縮狀態(tài)液壓抽象模型如圖4所示。壓縮狀態(tài)的分析與復原狀態(tài)基本類似,可得壓縮力為

    Fc=P1Ap-P5(Ap-Ar)

    (19)

    式中Fc——壓縮阻尼力,kN

    圖4 壓縮行程液壓抽象模型Fig.4 Compression strokes hydraulic abstract model1.上腔 2.電磁溢流閥 3.電磁可控先導閥 4.流通閥 5.活塞內(nèi)節(jié)流孔 6.下腔 7.流通閥固定節(jié)流口 8.壓縮閥 9.電磁溢流閥固定節(jié)流口 10.儲油缸 11.壓縮閥固定節(jié)流口

    3 仿真與試驗

    3.1 仿真分析

    基于某SUV前減振器的結構,參數(shù)設定如表1所示,利用Simulink建立減振器阻尼力仿真模型,將表1參數(shù)代入仿真模型。參照QC/T 545—1999汽車筒式減振器臺架試驗方法[24]制定電磁閥可調(diào)減振器的仿真數(shù)組如表2所示,其仿真結果如圖5和圖6所示。

    圖5顯示了振幅25 mm,激振頻率1.67 Hz時不同電流下減振器示功圖。從圖5可以看出,相同激振振幅和頻率下電流越大示功圖所圍的面積越小即減振器消耗的功越少。

    表1 減振器仿真模型參數(shù)Tab.1 Parameters of shock absorber simulation model

    表2 減振器仿真與試驗數(shù)組Tab.2 Simulation and test array of shock absorber

    圖5 內(nèi)置電磁閥減振器仿真示功圖Fig.5 Simulation F- S curves of shock absorber with built-in solenoid valve

    圖6 內(nèi)置電磁閥減振器速度特性仿真結果Fig.6 Simulation F- V curves of shock absorber with built-in solenoid valve

    不同電流下的減振器速度特性曲線如圖6所示,由圖6可知,在0.52 m/s的激振速度下,復原阻尼力可在0.5~3.5 kN內(nèi)調(diào)節(jié),壓縮阻尼力可在0.4~0.85 kN內(nèi)調(diào)節(jié);壓縮阻尼力的調(diào)節(jié)范圍遠小于復原阻尼力。激振速度相同時,阻尼力隨電流減小而增大。復原阻尼力在0~0.2 m/s激振速度內(nèi)不同電流下的復原阻尼力上升幅度較快,0~0.6 A內(nèi)復原阻尼力變化幅度小于0.6~1.8 A內(nèi)的變化幅度;在0.2 m/s之后各個電流下的速度曲線變化趨勢基本相同。壓縮阻尼力在整個激振速度下變化平緩,趨勢基本一致。為了充分發(fā)揮懸架彈性元件的彈性作用,緩和沖擊,壓縮阻尼力小于復原阻尼力且變化小。

    圖7 內(nèi)置電磁閥減振器試驗方案Fig.7 Test program of shock absorber with built-in solenoid valve

    圖8 內(nèi)置電磁閥式減振器試驗設備Fig.8 Test equipment of shock absorber with built-in solenoid valve1.激振臺 2.力傳感器 3.下夾具 4.控制柜 5.計算機 6.穩(wěn)壓電流源 7.可調(diào)減振器樣件 8.上夾具 9.上固定端

    3.2 試驗

    參照文獻[24],根據(jù)現(xiàn)有的試驗設備制定圖7所示的測試系統(tǒng)框圖和表2所示的試驗數(shù)組,試驗臺架如圖8所示。裝夾和試驗過程為:將電磁閥減振器下端安裝在下夾具上,裝夾在激振臺上,減振器的上端安裝在上夾具上,固定在上臺架面上。用穩(wěn)壓電流源給減振器輸入一個固定的電流,利用單通道液壓伺服系統(tǒng)激振臺驅動減振器以固定振幅和頻率作簡諧運動,計算機采集力與位移等試驗數(shù)據(jù)并進行處理。每次給予表2中不同的試驗數(shù)據(jù)組,重復以上試驗步驟,最終獲取圖9所示不同電流下內(nèi)置電磁閥式減振器示功圖和如圖10所示減振器速度特性圖。不同電流下仿真與試驗阻尼力的最大誤差如表3所示。

    由試驗結果可得,試驗臺架本身的不穩(wěn)定性及夾具的慣量,使圖9試驗數(shù)組的示功圖有波動,整體偏上,減振器工作存在摩擦力,這可為進一步優(yōu)化模型提供參考。如圖10和圖6所示,仿真速度曲線和試驗數(shù)據(jù)點基本吻合,結合表3可知工作電流為0.2~1.4 A時仿真與試驗阻尼力的誤差不超過10%,此時誤差主要由于減振器在實際工作過程活塞與工作內(nèi)缸之間存在摩擦,試驗臺架傳感器對數(shù)據(jù)的采集存在一定誤差,減振器部件在制造和安裝過程中存在誤差所導致;工作電流為1.6~1.8 A時誤差增大但小于20%,此時誤差增大的主要原因是電磁閥接近工作極限位置閥口,受控穩(wěn)定性相對較差。由圖9和圖10可知,所建的內(nèi)置電磁閥式減振器仿真模型正確可靠,可以作為進一步參數(shù)分析的基本模型。

    圖9 內(nèi)置電磁閥減振器試驗示功圖Fig.9 Experiment F- S curves of shock absorber with built-in solenoid valve

    圖10 內(nèi)置電磁閥減振器速度特性試驗結果Fig.10 Experiment F- V curves of shock absorber with built-in solenoid valve

    表3 不同電流下仿真與試驗阻尼力最大誤差Tab.3 Maximun error between simulation and testresults under different currents

    4 結論

    (1)提出了一種內(nèi)置電磁閥式阻尼可調(diào)減振器,利用樣件試驗證實了仿真模型的正確性和結構的可行性。

    (2)電磁閥式減振器的阻尼力和電流成反比,電流越大阻尼力越小,當電磁閥調(diào)節(jié)失效時,減振器能呈現(xiàn)最大阻尼力狀態(tài)保證車輛安全性。

    (3)連續(xù)可調(diào)減振器復原阻尼力為0~3.72 kN,壓縮阻尼力為0~1.01 kN,獲得的阻尼力與電流關系可進一步擬合成電流與阻尼系數(shù)的非線性關系,可為半主動懸架系統(tǒng)控制器的開發(fā)提供參數(shù)匹配。

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