內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥液壓減振器阻尼力模型構(gòu)建

楊華 李尚榮 殷呂 游致遠(yuǎn)

（1.上海保隆汽車科技（安徽）有限公司，合肥 230061；2.合肥學(xué)院，合肥 230601）

1 前言

汽車減振器是影響車輛行駛平順性、操控性、舒適性與安全性的重要部件，主要經(jīng)歷了干摩擦式減振器、鼓式減振器、臂式減振器、雙筒液壓減振器和單筒預(yù)充氣式減振器等階段[1-3]。受結(jié)構(gòu)和成本的影響，雙筒電流變減振器和磁流變減振器還處于研發(fā)和推廣階段[4]。傳統(tǒng)液壓減振器主要依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)其性能調(diào)優(yōu)，駕乘的平順性與安全性難以兼顧。為解決該問(wèn)題，阻尼可調(diào)減振器應(yīng)運(yùn)而生，電磁閥式阻尼可調(diào)減振器是典型的阻尼可調(diào)減振器[5-11]。根據(jù)調(diào)節(jié)原理，阻尼可調(diào)減振器可分為節(jié)流口面積可調(diào)式和減振油液粘度可調(diào)式，其中節(jié)流口面積可調(diào)式減振器最為常用。本文以一種節(jié)流口面積可調(diào)式減振器——內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥液壓減振器為研究對(duì)象，分析其結(jié)構(gòu)與工作原理，建立其阻尼力模型，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

2 內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥液壓減振器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器與傳統(tǒng)雙筒液壓減振器結(jié)構(gòu)相似，二者的主要區(qū)別為內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器復(fù)原閥內(nèi)部設(shè)有電磁線圈控制的閥門。開(kāi)關(guān)閥芯的電磁線圈斷電時(shí)，開(kāi)關(guān)閥芯由預(yù)緊彈簧固定在位移極限處，開(kāi)關(guān)閥芯流通孔被遮擋，此時(shí)減振器相當(dāng)于傳統(tǒng)雙筒液壓減振器，將復(fù)原閥與壓縮閥預(yù)設(shè)成高阻尼狀態(tài)，可以提高行駛安全性，如圖1a所示。當(dāng)電磁線圈通過(guò)一定大小的電流時(shí)，線圈產(chǎn)生電磁吸引力，壓縮預(yù)緊彈簧，開(kāi)關(guān)閥芯接觸電磁線圈鐵芯，此時(shí)開(kāi)關(guān)閥芯流通孔聯(lián)通油液，相當(dāng)于減振器增加了流通旁路，阻尼力降低，提高了車輛行駛的平順性，如圖1b所示。

圖1 內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器結(jié)構(gòu)與工作原理

3 減振器阻尼力模型

基于縫隙流動(dòng)、管嘴流動(dòng)、薄壁小孔流動(dòng)、細(xì)長(zhǎng)孔流動(dòng)，運(yùn)用串聯(lián)流體和并聯(lián)流體的計(jì)算理論，將復(fù)原閥系內(nèi)部、壓縮閥系內(nèi)部、開(kāi)關(guān)閥內(nèi)部的油液流動(dòng)視為串聯(lián)的液壓管路油液流動(dòng)，將經(jīng)過(guò)復(fù)原閥系、壓縮閥系及開(kāi)關(guān)閥的油液流動(dòng)視為并聯(lián)的管路油液流動(dòng)。管路特點(diǎn)為[12]：

a.油液在串聯(lián)管路中的壓差等于各分段流動(dòng)產(chǎn)生的壓差總和。

b.油液在串聯(lián)管路中流經(jīng)各分段的流量相等。

c.油液在并聯(lián)管路各分支段產(chǎn)生的壓差相等。

d. 油液在并聯(lián)管路中的總流量等于各分支段流量的總和。

根據(jù)上述設(shè)定條件，分別在電磁線圈斷電和通電條件下分析內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥液壓減振器復(fù)原行程與壓縮行程的阻尼特性。

3.1 電磁線圈斷電時(shí)

當(dāng)電磁線圈斷電時(shí)，開(kāi)關(guān)閥芯受預(yù)緊彈簧作用，限定在位移極限處，此時(shí)開(kāi)關(guān)閥芯流通孔被遮擋，內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥液壓減振器相當(dāng)于傳統(tǒng)雙筒液壓減振器。復(fù)原行程中，當(dāng)活塞速度未達(dá)到開(kāi)閥速度時(shí)，復(fù)原腔的油液通過(guò)活塞上的復(fù)原節(jié)流閥片、復(fù)原常通節(jié)流孔流入壓縮腔，當(dāng)活塞速度達(dá)到復(fù)原閥開(kāi)閥速度時(shí)，復(fù)原閥打開(kāi)，油液增加了經(jīng)過(guò)復(fù)原閥座節(jié)流孔在復(fù)原閥片處形成的環(huán)狀縫隙路徑，即復(fù)原行程根據(jù)活塞速度分為復(fù)原閥關(guān)閉與打開(kāi)2個(gè)階段。壓縮行程中，活塞相對(duì)工作缸向下運(yùn)動(dòng)，壓縮腔的一部分油液通過(guò)活塞上的復(fù)原常通節(jié)流孔、復(fù)原節(jié)流閥片流入復(fù)原腔，一部分油液通過(guò)壓縮閥座節(jié)流孔、壓縮節(jié)流閥片、壓縮閥進(jìn)入儲(chǔ)油腔。壓縮阻尼較復(fù)原阻尼小，所以壓縮行程只對(duì)壓縮閥開(kāi)閥后進(jìn)行分析。

3.1.1 復(fù)原閥關(guān)閉時(shí)

設(shè)經(jīng)過(guò)活塞閥系處的總流量為Q1、壓差為p1，經(jīng)過(guò)復(fù)原節(jié)流閥片的流量為Q11、壓差為p11，經(jīng)過(guò)復(fù)原常通節(jié)流孔的流量為Q12、壓差為p12，如圖2 所示。根據(jù)串聯(lián)流動(dòng)理論[2]，有：

圖2 復(fù)原閥關(guān)閉時(shí)油液流動(dòng)示意

其中，經(jīng)過(guò)復(fù)原節(jié)流閥片的流量Q11為薄壁小孔流量，經(jīng)過(guò)復(fù)原常通節(jié)流孔的流量Q12為細(xì)長(zhǎng)孔流量：

式中，c1為薄壁小孔流量系數(shù)；A1為復(fù)原節(jié)流閥片開(kāi)口總面積；ρ為油液密度；n1為復(fù)原常通節(jié)流孔數(shù)量；d1為復(fù)原常通節(jié)流孔直徑；μt為絕對(duì)粘度；l1為復(fù)原常通節(jié)流孔長(zhǎng)度；v為活塞運(yùn)動(dòng)速度。

設(shè)減振器充氣壓力為pg，復(fù)原行程開(kāi)閥前的阻尼力為Freb1，由式（1）～式（5）可得：

式中，AV為活塞有效面積；AP為活塞桿橫截面積。

3.1.2 復(fù)原閥打開(kāi)時(shí)

設(shè)復(fù)原閥開(kāi)閥后增加的流量為Qlop、壓差為plop，經(jīng)過(guò)復(fù)原閥座節(jié)流孔的流量為Q13、壓差為p13，經(jīng)過(guò)復(fù)原閥片處的環(huán)狀縫隙流動(dòng)流量為Q14、壓差為p14，如圖3所示。根據(jù)串聯(lián)流動(dòng)理論[12-13]可得：

圖3 復(fù)原閥打開(kāi)后油液流動(dòng)示意

其中，Q13為細(xì)長(zhǎng)孔流量，Q14為環(huán)狀縫隙流量：

式中，n2為復(fù)原閥座節(jié)流孔數(shù)量；d2為復(fù)原閥座節(jié)流孔直徑；l2為復(fù)原閥座節(jié)流孔長(zhǎng)度；δf為閥片開(kāi)度；r1bf為復(fù)原閥片外半徑；r1kf為復(fù)原閥片閥口位置半徑。

設(shè)復(fù)原行程開(kāi)閥后總流量為Qreb2、總壓差為p′reb，記此狀態(tài)經(jīng)過(guò)復(fù)原節(jié)流片、復(fù)原常通節(jié)流孔處的總流量為Q′1、壓差為p′1，根據(jù)并聯(lián)流動(dòng)理論[14]可得：

設(shè)復(fù)原行程開(kāi)閥后的阻尼力為Freb2，由式（7）～式（13）可得：

3.1.3 壓縮閥開(kāi)啟后

設(shè)經(jīng)過(guò)活塞上的復(fù)原常通節(jié)流孔、復(fù)原節(jié)流閥片進(jìn)入復(fù)原腔的總流量為Q2、壓差為p2，經(jīng)過(guò)復(fù)原常通節(jié)流孔的流量為Q21、壓差為p21，經(jīng)過(guò)復(fù)原節(jié)流閥片的流量為Q22、壓差為p22，如圖4 所示。根據(jù)串聯(lián)流動(dòng)理論[12-13]可得：

圖4 壓縮行程中活塞處的流動(dòng)示意

其中，Q21為細(xì)長(zhǎng)孔流量，Q22為薄壁小孔流量：

設(shè)經(jīng)過(guò)壓縮閥系處的總流量為Q3、壓差為p3，經(jīng)過(guò)壓縮閥座節(jié)流孔的流量為Q31、壓差為p31，經(jīng)過(guò)壓縮節(jié)流閥片的流量為Q32、壓差為p32，經(jīng)過(guò)壓縮閥的流量為Q33、壓差為p33，如圖5 所示。根據(jù)串聯(lián)流動(dòng)理論[13-14]可得：

圖5 壓縮閥油液流動(dòng)示意

其中，Q31為短孔流量，Q32為薄壁小孔流量，Q33為環(huán)狀縫隙流量：

壓縮閥系處的壓差p3為：

式中，c2為短孔流量系數(shù)；A2為壓縮閥座節(jié)流孔總流通面積；A3為壓縮節(jié)流閥片開(kāi)口總面積；r2bf為壓縮閥片外半徑；r2kf為壓縮閥片閥口位置半徑。

設(shè)壓縮行程阻尼力為Fcom，由式（15）～式（24）可得：

3.2 電磁線圈通電時(shí)

當(dāng)電磁線圈通過(guò)一定大小電流時(shí)，開(kāi)關(guān)閥芯受到電磁線圈的吸引力，壓縮預(yù)緊彈簧，最終接觸電磁線圈鐵芯，開(kāi)關(guān)閥芯流通孔完全露出。油液經(jīng)過(guò)電磁閥外殼流通孔進(jìn)入流通閥體與電磁線圈形成的腔室中，再經(jīng)開(kāi)關(guān)閥芯流通孔進(jìn)入流通閥體與活塞連接桿形成的腔室，最后經(jīng)活塞連接桿流通孔進(jìn)入壓縮腔，此時(shí)減振器相當(dāng)于增加了流通旁路，阻尼力降低。

3.2.1 復(fù)原閥關(guān)閉時(shí)

電磁線圈通電前、后復(fù)原閥系處的流動(dòng)相似，故設(shè)此狀態(tài)經(jīng)過(guò)復(fù)原節(jié)流片、復(fù)原常通節(jié)流孔處的總電流量為Q″1、壓差為p″1。設(shè)由電磁閥經(jīng)過(guò)的總流量為Q4、壓差為p4，經(jīng)過(guò)電磁閥外殼流通孔的流量為Q41、壓差為p41，進(jìn)入流通閥體與電磁線圈形成的腔室流量為Q42、壓差為p42，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)閥芯流通孔的流量為Q43、壓差為p43，進(jìn)入流通閥體與活塞連接桿形成的腔室流量為Q44、壓差為p44，經(jīng)過(guò)活塞連接桿流通孔進(jìn)入壓縮腔流量為Q45、壓差為p45，如圖6所示。

圖6 電磁閥通電、復(fù)原閥關(guān)閉時(shí)油液流動(dòng)示意

根據(jù)串聯(lián)流動(dòng)理論[12-13]可得：

其中，Q41、Q43為短孔流量，Q42、Q44為過(guò)流端面突然擴(kuò)大的流量，Q45為細(xì)長(zhǎng)孔流量：

式中，A4為電磁閥外殼流通孔的總流通面積；ξ為局部阻力系數(shù)；A5為開(kāi)關(guān)閥芯流通孔的總流通面積；d3為活塞連接桿流通孔直徑；l3為活塞連接桿流通孔長(zhǎng)度；v42為油液流過(guò)流通閥體與電磁線圈形成的腔室的速度；v44為油液流過(guò)流通閥體與活塞連接桿形成的腔室的速度。

設(shè)此狀態(tài)下由復(fù)原腔進(jìn)入壓縮腔的總流量為Q5、壓差為p5，根據(jù)并聯(lián)流動(dòng)理論，有：

設(shè)電磁線圈通電后、復(fù)原閥關(guān)閉時(shí)復(fù)原行程阻尼力為F″reb1，由式（26）～式（35）可得：

3.2.2 復(fù)原閥打開(kāi)時(shí)

電磁線圈通電前、后復(fù)原閥系處的流動(dòng)相似，設(shè)復(fù)原閥開(kāi)閥后增加的流量為Q'lop、壓差為p'lop，記此狀態(tài)經(jīng)過(guò)復(fù)原節(jié)流片、復(fù)原常通節(jié)流孔處的總流量為Q?1、壓差為p?1，由電磁閥經(jīng)過(guò)的總流量為Q'4、壓差為p'4，設(shè)此狀態(tài)下由復(fù)原腔進(jìn)入壓縮腔的總流量為Q'5、壓差為p'5，如圖7所示。

圖7 電磁閥通電、復(fù)原閥打開(kāi)時(shí)油液流動(dòng)示意

根據(jù)并聯(lián)流動(dòng)理論[12-13]可得：

設(shè)電磁線圈通電后、復(fù)原閥開(kāi)閥后復(fù)原行程阻尼力為F'red2，由式（37）～式（39）可得：

3.2.3 壓縮閥打開(kāi)時(shí)

電磁線圈通電前、后流經(jīng)壓縮閥系處的油液流動(dòng)相似，設(shè)經(jīng)過(guò)活塞上的復(fù)原常通節(jié)流孔、復(fù)原節(jié)流閥片進(jìn)入復(fù)原腔的總流量為Q'2、壓差為p'2，經(jīng)過(guò)壓縮閥系處的總流量為Q'3、壓差為p'3，經(jīng)過(guò)電磁閥的總流量為Q'4、壓差為p'4。

在教育現(xiàn)代化的進(jìn)程中，信息技術(shù)在教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，促進(jìn)了大學(xué)英語(yǔ)課堂教學(xué)效果的提升。然而，信息技術(shù)在課堂中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用的同時(shí)，也對(duì)大學(xué)英語(yǔ)教學(xué)帶來(lái)了挑戰(zhàn)和問(wèn)題?，F(xiàn)代化信息技術(shù)介入后，課堂生態(tài)中的各類生態(tài)因子之間的相互作用受到了影響，加劇了大學(xué)英語(yǔ)課堂生態(tài)平衡-不平衡-再平衡的循環(huán)過(guò)程，課堂生態(tài)結(jié)構(gòu)和作用上的失衡日益突出。因此，研究信息化語(yǔ)境下大學(xué)英語(yǔ)課堂生態(tài)的失衡現(xiàn)象，分析其原因，并提出重構(gòu)大學(xué)英語(yǔ)生態(tài)課堂的實(shí)踐策略已經(jīng)成為必然。

設(shè)壓縮行程阻尼力為F'com，與式（24）、式（25）類似，可得：

4 減振器阻尼性能仿真

根據(jù)內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器的結(jié)構(gòu)與工作原理和不同工況下閥系的阻尼作用，利用ADAMS/Hydraulics建立該減振器的計(jì)算模型，如圖8所示。

圖8 內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器液壓模型

模型中用開(kāi)啟壓力較小的單向閥和直徑較大的節(jié)流孔串聯(lián)來(lái)模擬開(kāi)啟壓力較小的流通閥5 與補(bǔ)償閥7；用開(kāi)啟壓力較大的單向閥和直徑較小的節(jié)流孔串聯(lián)來(lái)模擬開(kāi)啟壓力較大的復(fù)原閥2 與壓縮閥系8；用串聯(lián)的2 個(gè)節(jié)流孔模擬復(fù)原節(jié)流閥片3 和復(fù)原常通節(jié)流孔4；用電磁控制的可變節(jié)流孔模擬內(nèi)置開(kāi)關(guān)電磁閥6；用液壓缸1 模擬活塞、活塞桿與工作缸；用儲(chǔ)能器9 模擬儲(chǔ)油腔。運(yùn)用該模型可以將減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與外特性聯(lián)系起來(lái)，仿真模型主要參數(shù)如表1所示[12-14]。

表1 仿真模型各關(guān)鍵參數(shù)取值

5 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)QC/T 491—2018《汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法》[15]，減振器試驗(yàn)行程為±30 mm，試驗(yàn)樣品溫度為20±2 ℃，在MTS 減振器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，得到速度為0.5 m/s 時(shí)不同活塞連接桿流通孔直徑條件下內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器的仿真示功圖及試驗(yàn)示功圖，如圖9所示。

圖9 不同活塞連接桿流通孔直徑條件下內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器仿真與試驗(yàn)示功圖

由圖9可知：

a.電磁線圈斷電時(shí)，減振器復(fù)原與壓縮的阻尼力較大；電磁線圈通電時(shí)，減振器復(fù)原與壓縮的阻尼力較小。由式（28）～式（32）可知，改變d3對(duì)阻尼力影響最明顯：d3=1.2 mm時(shí)能使復(fù)原阻尼力從700 N變化到2 600 N，壓縮阻尼力從600 N變化到1 800 N；d3=1.1 mm 時(shí)能使復(fù)原阻尼力從1 200 N 變化到2 600 N，壓縮阻尼力從900 N變化到1 800 N；d3=1.0 mm時(shí)能使復(fù)原阻尼力從1 600 N 變化到2 600 N，壓縮阻尼力從1 100 N變化到1 800 N。

b.減小d3，當(dāng)電磁線圈通電時(shí)，減振器復(fù)原阻尼和壓縮阻尼均上升，當(dāng)電磁線圈斷電時(shí)，減振器復(fù)原阻尼和壓縮阻尼幾乎無(wú)變化。

內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥減振器阻尼力-活塞位移曲線的仿真與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，證明了該模型的正確性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥液壓減振器的基本結(jié)構(gòu)及原理，利用串聯(lián)流體、并聯(lián)流體等計(jì)算理論，建立了內(nèi)置式開(kāi)關(guān)閥液壓減振器的數(shù)學(xué)模型，利用ADAMS/Hydraulics 對(duì)所述減振器進(jìn)行仿真，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：所建立的仿真模型正確可靠；改變電磁閥內(nèi)部流動(dòng)通道的有效面積，特別是活塞連接桿流通孔直徑，能增加復(fù)原阻尼力和壓縮阻尼力，故可通過(guò)改變活塞連接桿流通孔直徑實(shí)現(xiàn)所需的阻尼力變化。