新型复合阻尼摩托车减振器设计与制造.doc

哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品汇编新型复合阻尼摩托车减振器设计与制造牛文 崔源根 赵保恩 曾永辉（机电学院） 指导教师 王少纯 戴达军摘要：新型复合阻尼摩托车减振器是一种非接触式新型减振器，它具有传统减振器所没有的许多优点。本创新项目采用复合阻尼（磁感应阻尼、空气粘性阻尼、摩擦阻尼的综合效果）来代替单一阻尼，以弥补单一空气阻尼反应迟缓的不足，用磁力弹簧加强普通螺旋弹簧或气压弹簧的效果，可延缓弹簧老化和高压密封问题；取消液体介质可使减振器的使用范围大大增加，没有液压元件也使零件的加工精度大大下降，因此也减少了成本。关键词：减振器 复合阻尼 阻尼1前言 减振器是摩托车的一个关键部件，它的性能直接影响摩托车的平稳性、柔顺性和舒适性。摩托车产业在我国已经形成了很大规模，而且还大量出口，因此，开发、研制摩托车减振器具有非常重要的意义。按种类划分，目前摩托车减振器可分为：液压圆筒式、气压式、橡胶式、电子气压式等。目前国内摩托车安装的大多数都是液压圆筒式减振器，它有阻尼液压圆筒和外部弹簧两部分组成。这种液压式减振器的基本原理是：外部弹簧起缓冲振动并储存能量的作用，内部圆筒通过液体流过小孔时产生的粘性阻尼来消耗能量。这种减振器具有几个缺点：（1）筒内液体容易泄露，因此阻尼性能也容易改变；（2）密封要求严格，因此制造工艺较困难；（3）长时间使用的普通螺旋弹簧容易产生疲劳裂纹；（4）筒内液压传动零件加工精度较高，因此生产成本也较高；（5）液体阻尼介质有低温冻结和高温沸腾现象，因此使用温度范围较窄；（6）普通螺旋弹簧的线性刚度也会影响摩托车行驶的平稳性和舒适性。针对以上缺点，申请人开发研制出了能克服以上缺点的新型减振器。2基本原理及设计方案图1 复合阻尼摩托车减振器示意图 该减振器具体结构详见图1，其基本原理为：当外界振动使连接环1、活塞杆2及磁铁活塞4共同向右运动时，磁铁4、5共同构成磁力弹簧，相斥的磁力阻碍磁铁4的进一步运动，磁铁4向右运动同时受到三种阻尼作用：（1）磁铁4、5在铜管6中运动产生的感应磁阻尼；（2）密封铜管内的空气流过圆形磁铁4、5的周边狭窄缝隙的粘性阻尼；（3）活塞杆2和导套3之间的摩擦阻尼。三种阻尼合称为复合阻尼。此时，磁铁4、5同时受到前面所述复合阻尼作用。在磁力弹簧和复合阻尼的作用下，活塞4的振动受到抑制并很快停止。为了改善磁力弹簧的预紧力不够大的缺点，在铜管内加一普通螺旋弹簧7，以增大预紧力，提高摩托车的舒适性和平稳性。图2为制造出的复合阻尼摩托车减振器实物照片。图2 复合阻尼摩托车减振器实物3摩托车减振器的结构尺寸设计31磁铁的选择目前性能较好、使用较广泛的是铷铁硼永磁体，其种类和性能如下表：合金牌号最大磁能积(BH) /kJ剩磁B/mT矫玩力相对回复磁导率备 注LNG16LNG34LNG3716.034.037.07801200120052 5444 4548 495.0-6.04.0-5.03.0-4.5等轴晶各向异LNG40LNG4440.044.01250125048 4952 532.5-4.02.5-4.0半柱晶LNG5252.0130056 571.5-3.0柱晶LNGT28LNGT32LNGT3828.032.038.0100080080058 59100 102110 1123.5-5.52.0-3.01.5-2.5等轴晶性LNGT60LNGT7260.072.09001050110 112112 1141.5-2.51.5-2. 5柱晶各向异性LNGT36J36.0700140 1481.5-2.5等轴晶FNG8FLNG128.012.052070040 4340 434.5-5.56.0-7.0各向同性FLNG28FLNG34FLNGT31FLNGT31J28.034.031.033.01050112076065045 4746 48107 111136 1504.0-5.03.0-4.52.0-4.01.5-3.5各向异性从产品的使用性能、节约材料、减小体积以及降低成本等方面综合考虑，选择型号为LNG40 的铷铁硼永磁体。32粘性阻尼如图（1），磁铁4周边狭窄间隙X的大小直接影响空气粘性阻尼的大小，现对X对阻尼大小影响关系进行分析：有效承压面积直径为28mm，在只考虑空气阻尼的作用下，单自由度振动系统可假设为一空气弹簧。簧上质量W=160N，设速度V=45Km/h，振幅a=15cm，有效承压面积F=3.14*R=3.14*()=6.1544cm，有效承压面积的半径R=1.4cm，空气弹簧在设计是的内压P=30N/cm，空气弹簧本身的容积V=F*5cm=6.1544*5=30.772cm，附加空气室的容积V=F*25cm=6.1544*25=153.86cm，多变指数m=1.3，节流孔流量系数C=0.8，空气弹簧内角=-90，空气弹簧外角=90。查参考文献空图5-1知u(-90,90)=0.8，几何形状系数= *u(-90,90)=1.14(1/cm)，= F*=7.02cm，= F=6.1544 cm空气弹簧下限刚度K=+ P=+30*7.02=211.9N/cm，空气弹簧上限刚度K=+ P=+30*7。02=218.4N/cm，K=1.03空气弹簧的挠度当量=0.76cm，=0.73cm，整个系统的挠度当 量=（+）/2=0.745cm，在参考文献空图8.5的P点有关的量=+=1.36cmv=4.29，在P点时K=2-=1.01()=*=373.16cm，C=0.83，等效圆孔气隙直径：d=6.28*10*=6.28*10*=0.5cm， 因为有3.14()=3.14()所以可以求出=0.25cm33铜管的选择及尺寸设计磁铁在铜管中运动时，在铜管中会产生涡流，涡流所产生的感应磁阻尼会阻碍磁铁的进一步运动，因而起到缓冲减振的作用。由理论知识可知，铜管的导电率越大，产生的涡流越大，磁阻尼增强。由于本项目为创新项目，没有现成的经验数据，根据大量实验，选择铜管的材料为紫铜，尺寸为：外径D=36mm，内径d=28.3mm，表面粗糙度为3.24测试装置为测试摩托车减振器的阻尼效果，必须进行阻尼测试。但专用的摩托车减振器阻尼测试装置价格昂贵，即使是一次测试的费用也相当高，因此我们自己设计制造了专门的阻尼测试装置，如图3所示。图3 自制阻尼测试装置示意图5阻尼效果测试当所使用的阻尼元件阻尼机制无法精确知道时，常采用自由衰减法测试出其自由衰减振动位移-时间曲线，然后按下式确定阻尼比： 式中 为对数衰减率，其数值大小可按下式计算： 式中 、分别为自由衰减振动位移-时间振动曲线第n、n+1个振幅值。图4是用自行设计制造的简易阻尼测试装置测试的复合阻尼摩托车减振器自由衰减振动位移-时间曲线。横坐标轴代表时间，纵坐标轴代表位移。图5是复合阻尼摩托车减振器自由衰减振动位移-时间曲线测试现场照片。 打气前的阻尼效果曲线图 打气后的阻尼效果曲线图 打气前的阻尼效果曲线图 减震器在打气后的阻尼效果要比打气前的阻尼效果更好 减震器在打气后的阻尼效果要比打气前的阻尼效果更好 图4图5 减振器自由衰减振动实验测试6结论复合阻尼减振器改变了传统的接触式摩擦阻尼方式，采用了全新的复合阻尼方式实现减振，克服了传统减振器的缺点，性能可靠，成本低廉，节约能源，环保卫生，具有广泛的应用前景。目前为止，此种原理的减振器在国内未公