油氣彈簧閥片厚度與節(jié)流縫隙的分析研究

1、1前言油氣彈簧具有結(jié)構(gòu)簡單、 平順性好等優(yōu)點(diǎn)。裝 有油氣彈簧的車輛 , 可以使駕乘人員感覺舒適。因 此 , 油氣彈簧在國外高級客車等上得到了廣泛應(yīng) 用 , 而國內(nèi)對于油氣彈簧正處于研究和開發(fā)階段 1。 油氣彈簧節(jié)流閥是影響油氣彈簧阻力特性的 關(guān)鍵零件 , 閥片厚度 h 和節(jié)流縫隙對油氣懸架的阻 尼特性有重要影響。因此 , 本文對油氣彈簧節(jié)流閥 的設(shè)計及其影響因素進(jìn)行了分析和研究。2油氣彈簧結(jié)構(gòu)與工作原理油氣彈簧在環(huán)型節(jié)流閥片和缸體之間有一環(huán) 型小縫隙 , 其工作原理如圖 1所示。 基金項(xiàng)目 :武裝裝備預(yù)研基金項(xiàng)目 (51404040104BQ01 ; 全國優(yōu)秀博士論文育苗及獎勵基金 (0100

2、03 。車 , 排放水平可以達(dá)到歐 標(biāo)準(zhǔn) , 并接近歐 水平。 所 有 結(jié) 果 表 明 , 由 于 應(yīng) 用 了 多 種 先 進(jìn) 技 術(shù) , YC4W 1.2L 柴油機(jī)完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)。8結(jié)束語a. 在 YC4W 1.2L 小型轎車柴油機(jī)開發(fā)中 , 應(yīng) 用了輕量化設(shè)計、 四氣門技術(shù)、 VNT 、 冷卻式 EGR 系 統(tǒng)、 高壓共軌燃油系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)。b. 所開發(fā)的 YC4W 1.2L 小型轎車柴油機(jī)具有 良好的動力性、 經(jīng)濟(jì)性和排放性能 , 同時具有良好的 整車駕駛性。參 考 文 獻(xiàn)P.AHigh Speed Direct Injection Diesel Engines.SAE 980

3、803. 2劉巽俊 . 使用最新燃油噴射技術(shù)的小型增壓四氣門直噴式 柴油機(jī) . 國外內(nèi)燃機(jī) ,1999(4 :12.3劉巽俊 . 小型轎車用福特 DIATA 柴油機(jī)的設(shè)計和開發(fā) . 國 外內(nèi)燃機(jī) ,1999(5 .4周梅等 . 可變技術(shù)在車用柴油機(jī)上的應(yīng)用 . 內(nèi)燃機(jī) ,2005(3 : 1519.5劉 斌 彬 等 . 柴 油 機(jī) 高 壓 共 軌 燃 油 噴 射 系 統(tǒng) 現(xiàn) 狀 與 發(fā) 展 趨 勢 . 內(nèi)燃機(jī) ,2006(2 :13.6冒曉建等 . 滿足未來排放要求的轎車用柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù) . 車用發(fā)動機(jī) ,2006(2 :614.(責(zé)任編輯 辛 民 修改稿收到日期為 2006年 7月 25日。

4、油氣彈簧閥片厚度與節(jié)流縫隙的分析研究 Y 周長城 1, 2顧 亮 2(1. 山東理工大學(xué) ; 2. 北京理工大學(xué) 【摘要】 利用節(jié)流閥片彎曲變形量 Gr 計算方法 , 對節(jié)流縫隙增量和彎曲變形量的關(guān)系進(jìn)行了分析 , 對節(jié)流縫隙 增量隨壓力的變化進(jìn)行了探討。對油氣彈簧節(jié)流閥的設(shè)計進(jìn)行了研究 , 給出了由車輛的基本參數(shù)設(shè)計節(jié)流閥片厚度 和節(jié)流縫隙的方法和步驟 , 最后對所設(shè)計油氣彈簧進(jìn)行了阻力特性試驗(yàn)。主題詞 :油氣彈簧 節(jié)流閥 閥片厚度 節(jié)流縫隙Study on the Throttle Valve Slice Thickness andAperture of Hydro-Pneumatic S

5、pringZhou Changcheng 1,2,Gu Liang 2(1.Shandong University of Technology ; 2.Beijing Institute of Technology 【 Abstract 】 Applying Gr calculation method of throttle valve slice bending transformation value to analyze the relation between throttle aperture increment and bending transformation value,an

6、d discuss the change of throttle aperture increment with the pressure change.The throttle valve design of Hydro-pneumatic spring is studied,the methods and steps of designing throttle valve slice thickness and aperture according to basic vehicle parameters are given,at last,the resistance characteri

7、stics of hydro-pneumatic spring is tested.Key words :Hydro-pneumatic spring,Throttle valve,Throttle slice thickness,Throttle aper-ture.15 2006年 第 10期汽車技術(shù)圖 1油氣彈簧結(jié)構(gòu)原理當(dāng)油氣彈簧的相對移動速度、 環(huán)型節(jié)流閥片上下 腔的壓力差都較小時 , 環(huán)型節(jié)流閥片的彎曲變形很 小 , 油液經(jīng)過原設(shè)計的環(huán)型小縫隙 形成縫隙節(jié)流 , 產(chǎn)生阻尼力 ; 當(dāng)油氣彈簧的相對移動速度達(dá)到一定的 數(shù)值時 , 環(huán)型節(jié)流閥片上、下腔的壓力差增大 , 使環(huán)型 節(jié)流閥片產(chǎn)生

8、一定的彎曲變形量 , 這時環(huán)型節(jié)流縫隙 增大為 t =+, 油液經(jīng)過環(huán)型縫隙 t 形成縫隙節(jié) 流 , 產(chǎn)生阻尼力。 同時 , 由于在氣室中充有一定壓力氣 體 (氮?dú)?, 當(dāng)活塞在不同的位置時 , 氣室壓力也將隨 著活塞位置變化。所以 , 油氣彈簧的阻力是由兩部分 組成的 , 一部分是縫隙節(jié)流阻尼力 , 另一部分是氣室 壓力阻力。當(dāng)油氣彈簧作相對運(yùn)動時 , 隨著活塞位置 和速度的變化 , 油氣彈簧的阻力呈非線性變化。3節(jié)流閥片彎曲變形量節(jié)流閥片的力學(xué)模型如圖 2所示。環(huán)形彈性節(jié)流閥片中間是固定約束 , 有效內(nèi)園半徑為 r a , 外園半 徑為 r b , 閥片厚度為 h , 所受壓力為 q ,

9、在半徑 r 處的 彎曲變形量為 f r2, 3。圖 2節(jié)流閥片力學(xué)模型利用彎曲變形系數(shù) G r 法 , 可得節(jié)流閥片在外半 徑 r b 處的最大彎曲變形精確解析表達(dá)式 4:f r b=G rbq (1式中 , G r b為節(jié)流閥片在外半徑 r b 處的變形系數(shù) , 它的。 解的各項(xiàng)系數(shù)都含有公共因子 p /h 3, 將各項(xiàng)都化 為公共因子 p /h 3的表達(dá)式 , 將閥片彈性模量 E 、 內(nèi) 徑 r a 、外徑 r b 以及需要計算彎曲變形的位置半徑 r , 都?xì)w到一個常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。因此 , G r b是由彈性閥片的E 、 材料的泊松比 、 r a 和 r b 所決定的 , 表現(xiàn)了閥片 在單位厚

10、度、 單位載荷下的一種彎曲變形的能力。 根 據(jù)彈性閥片的 r a 、 r b 和 , 可以求得節(jié)流閥片在外徑r b 處變形系數(shù) G r b。由 (1 式可知 , 節(jié)流閥片在外徑處的最大彎曲變 形量 f r b, 將隨著節(jié)流閥片所受的壓力差的大小而變化 , 即最大撓度隨著油氣彈簧的相對移動速度而變化。節(jié)流閥片最大彎曲變化量隨壓力的變化曲線如圖 3所示。圖 3節(jié)流閥片最大彎曲變形量隨壓力變化曲線4油氣彈簧的阻尼系數(shù)4.1油氣懸架的阻尼系數(shù) C S按單自由度振動模型考慮 , 油氣懸架阻尼為 5:C S =2n m=4f n m (2式中 , n 、f n 、 分別為懸架系統(tǒng)的圓頻率、 固有頻率 和最

11、佳阻尼比 ; m 為單輪簧上質(zhì)量。4.2油氣彈簧的阻尼系數(shù) C D根據(jù)油氣彈簧阻尼功率與懸架阻尼功率相等原理得 :C D V D 2=C S V S2i=F S D =V D S , C S D =V D 2V S=i 2式 中 , F S 、 V S 分 別 為 懸 架 系 統(tǒng) 阻 尼 力 和 速 度 ; F D 、 V D 分別為油氣彈簧阻尼力和速度 ; i 為懸架杠桿比。油氣彈簧的阻尼系數(shù) C D 為 :C D =C S(35油氣彈簧閥片開閥壓差5.1油氣懸架系統(tǒng)開閥阻尼力假定油氣懸架相對運(yùn)動速度達(dá)到 V S (m/s 時節(jié)16 2006年第 10期流閥開閥 , 根據(jù)油氣懸架阻尼力與阻尼

12、系數(shù)和速度 之間的關(guān)系 , 得油氣懸架系統(tǒng)的開閥阻尼力為 :F S =C S V S =4f n mV S(45.2油氣彈簧開閥阻尼力根據(jù)油氣懸架系統(tǒng)的阻尼力 F C , 利用懸架杠桿 比 , 可以求得油氣彈簧開閥阻尼力 F D :F D =F =4f mV (55.3油氣彈簧閥片開閥壓差根據(jù)油氣彈簧的承壓面和所承受的壓力 , 可以 得到油氣彈簧的開閥壓差 q k 為 :q k =F D h =4f n mV D h(6式中 , A h 為承受壓差的面積 , 是由缸筒內(nèi)徑和活塞桿直徑?jīng)Q定的。6油氣彈簧節(jié)流閥設(shè)計6.1節(jié)流閥片厚度設(shè)計由圖 1可知 , 當(dāng)油氣彈簧的運(yùn)動速度達(dá)到一定的數(shù)值時 , 節(jié)

13、流閥片所受的壓差使其最大彎曲變形 量達(dá)到節(jié)流閥片厚度 , 油氣彈簧開閥。此時的速度和 壓力就分別是油氣彈簧的開閥速度和開閥壓力。為 了實(shí)現(xiàn)油氣彈簧在給定的速度下開閥 , 節(jié)流閥片必 須具有恰當(dāng)厚度。根據(jù)油氣彈簧開閥的定義 , 由節(jié)流閥片彎曲變 形系數(shù) G r 的計算公式 , 可得f r b=G rbq k=h (7即h=r bk 4! 所以 , 節(jié)流閥片設(shè)計厚度為h=G rb2h4!(8可知節(jié)流閥片厚度與閥片內(nèi)徑、 外徑有關(guān) , 與對 車輛所要求的最佳阻尼比有關(guān) , 與油氣彈簧缸筒內(nèi) 徑和活塞直徑有關(guān) , 并且還與油氣懸架杠桿比有關(guān)。6.2多片疊加閥片的當(dāng)量厚度為了保證節(jié)流閥片的強(qiáng)度和節(jié)流閥片

14、生產(chǎn)的規(guī)范化 , 節(jié)流閥片通常采用多片疊加閥片。 為了保證疊 加節(jié)流閥片與單片閥片具有相同的阻尼力特性 , 必 須保證多片疊加閥片的當(dāng)量厚度等于設(shè)計厚度。當(dāng) n 片不同厚度閥片疊加時 , 相當(dāng)于多根長度 相等而彈性系數(shù)不同彈簧的并聯(lián) , 因此 , 多片節(jié)流閥 片疊加在一起時 , 各個疊加閥片的彎曲變形量是相 等的 , 所承受壓力不同 , 但各片所承受壓力之和等于 , i 當(dāng)量厚度為 :h d =h 1+h 2+ +h n3! (9由式 (9 可知 , 為了保證疊加閥片的當(dāng)量厚度等 于原節(jié)流閥片的設(shè)計厚度 , 必須對疊加節(jié)流閥片的 厚度和片數(shù)進(jìn)行設(shè)計。6.3環(huán)形節(jié)流縫隙設(shè)計由節(jié)流縫隙流量和壓力之

15、間的關(guān)系以及油液連續(xù)性定理得 :V D A h =2r b 3(1+1.52t q(10即 V D A h =22r b 3(1+1.52f n mV Dt h因此 , 油氣彈簧節(jié)流縫隙為 :=3t li 2A hb n 3!(11 式中 , l 為縫隙的長度 , 即由厚度為 h i 的 n 片疊加組成的縫隙軸向長度 , l=h 1+h 2+ +h n ; t 為油液動力粘 度 ; 為閥片相對缸筒的偏心率 ; r b 為閥片外半徑。6.4疊加節(jié)流閥片對節(jié)流縫隙設(shè)計的影響 例如 , 對于節(jié)流閥片的設(shè)計厚度為 0.5mm , 在保證當(dāng)量厚度相等的情況下 , 可以采用多種節(jié)流閥 片疊加方案。 不同的

16、疊加方案 , 相應(yīng)的節(jié)流縫隙長度 不同 , 因此 , 原始設(shè)計節(jié)流縫隙也不同。節(jié)流縫隙隨 節(jié)流縫隙長度 (疊加閥片厚度之和 的變化曲線見圖4所示。圖 4節(jié)流縫隙隨不同節(jié)流縫隙長度的變化曲線由圖 4可知 , 當(dāng)采用等效厚度等于設(shè)計厚度的 疊加閥片時 , 將影響開閥壓力 , 因此 , 也影響設(shè)計縫 隙的大小。因此 , 對疊加閥片的節(jié)流縫隙設(shè)計時 , 必 須考慮疊加閥片厚度之和對節(jié)流縫隙的影響。7節(jié)流縫隙隨壓力的變化7.1節(jié)流縫隙增量與彎曲變形量的關(guān)系根據(jù)閥片彎曲變形幾何關(guān)系 , 節(jié)流縫隙增量 與閥片最大彎曲變形量 f r b之間的關(guān)系為 :=(r b -r a -(r b -r a 2-f rb!

17、(12設(shè) L=r b -r a , 則上式簡化為17 汽車技術(shù)f r b=! (137.2節(jié)流縫隙增量與壓力差的關(guān)系將節(jié)流閥片最大彎曲變形量計算公式 , 代入上式可得 :G r b=q =! 即 2-L +G 2r bq 2=0(14 式 (15 即為節(jié)流縫隙增量隨壓力變化的關(guān)系。例如 , 某油氣彈簧其原始節(jié)流縫隙為 , 則節(jié)流 縫 隙 增 量 為 , 總 節(jié) 流 縫 隙 t =+。 利 用MATLAB 軟件繪制出在不同壓力下節(jié)流縫隙增量和總節(jié)流縫隙隨壓力的變化曲線 , 如圖 5所示。圖 5節(jié)流縫隙增量和總節(jié)流縫隙隨壓力變化曲線8設(shè)計實(shí)例與阻力特性試驗(yàn)8.1設(shè)計實(shí)例對某油氣彈簧 , 根據(jù)車輛的

18、基本參數(shù)和開閥速度 , 對節(jié)流閥進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計方案有兩種 , 第一方案 是采用單片節(jié)流閥片 , 閥片設(shè)計厚度 h=0.5mm , 節(jié) 流縫隙 1=0.0726mm ; 第二方案是采用疊加閥片 , 根 據(jù) 疊 加 閥 片 等 效 厚 度 原 則 , 采 用 3片 厚 度 為0.35mm 的閥片疊加 , 其等效厚度 h e =0.5048mm , 疊 加閥片厚度之和 h s =3×0.35=1.05mm , 節(jié)流縫隙 2=0.0926mm 。8.2試驗(yàn)原理與過程對所設(shè)計的油氣彈簧 , 根據(jù)設(shè)計要求對氣室充 一定壓力的氣體 (氮?dú)?, 然后利用全自動振動試驗(yàn) 臺 , 通過控制柜和液壓泵站 , 控制液壓動作器對油氣 彈簧施加一定幅值和頻率振動激勵 , 對油氣彈簧進(jìn) 行阻力特性試驗(yàn)。加載頻率和加載幅值是根據(jù)油氣 彈簧試驗(yàn)測試最大速度來確定的 , 而加載信號可以 是正弦信號 , 也可以是隨機(jī)路譜信號。 本次試驗(yàn)由于 是對阻力特性進(jìn)行測試 , 因此 , 施加正弦諧波信號。 測試過程中 , 利用拉、 壓力傳感器和位移傳感器 , 測 量油氣彈簧的位移和拉、 壓力 , 然后利用 A/D 采集 卡對測試信號進(jìn)行采集 ,