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轿车减震器的设计
摘 要
本文设计出适用于中国一般城市道路使用的双作用筒式减振器。首先，根据轿车的质量算出减振器的阻尼系数，确定缸体结构参数，然后建立流体力学模型，先选定一条理想的减振器标准阻尼特性曲线，然后利用逼近理想阻尼特性曲线的方法，进行各阀、系的设计计算；在此基础上，设计出整个减震器，并对主要部件的强度进行了校核。
关键词：双作用筒式减振器；流体力学模型；理想特性曲线；强度校核
Shock Absorber Design of car
Abstract
The double use of drum shock absorber which applicable to the general city road conditions in China is designed in the paper. First of all, the damping coefficient of the shock absorber is calculated according to the quality of car. The parameters of the cylinder structure are determined. And then a hydrodynamic model is set up. The valve and the Department are calculated and the designed by using the way of approach to the damping characteristics of the ideal standard shock absorber curve. After that a set of the double use of drum shock absorber is designed. The strength of the main parts of the shock absorber is checked.
Key words: Double use of shock absorber; hydrodynamic model; characteristics of the ideal curve; strength checkin
目录
1. 绪论 1
1.1 本课题设计的目的及意义 1
1.2 减振器国内外是发展状况 1
1.3 设计的主要研究内容 3
2. 减震器阻尼值计算和机械结构设计 4
2.1 相对阻尼系数和阻尼系数的确定 4
2.1.1 悬架弹性特性的选择 4
2.1.2 相对阻尼系数的选择 5
2.1.3 减振器阻尼系数的确定 6
2.2 最大卸荷力F0的确定 7
2.3 缸筒的设计计算 7
2.4 活塞杆的设计计算 8
2.5 导向座宽度和活塞宽度的设计计算 8
2.6 活塞行程的确定 9
2.7 液压缸的结构设计 10
2.7.1 缸体与缸盖的连接形式 10
2.7.2 活塞杆与活塞的连接形式 10
2.7.3 活塞杆导向部分的结构 11
2.7.4 活塞及活塞杆处密封圈的选用 11
2.7.5 液压缸的安装连接结构 11
2.7.6 活塞环 11
2.7.7 液压缸主要零件的材料和技术要求 11
2.8 小结 12
3. 减震器其他部件的设计 13
3.1 固定连接的结构形式 13
3.2 减震器油封设计 14
3.3 型橡胶密封圈 14
3.4 锥形弹簧 15
3.5 弹簧片和减振器油的选择 15
3.5.1 弹簧片的选择 15
3.5.2 减振器油的选择 16
3.6 小结 16
4 减震器阀系设计 17
4.1 减震器各阀系流体力学模型的建立 17
4.1.1 伸张行程流体力学模型的建立 17
4.1.2 压缩行程流体力学模型的建立 19
4.2 各阀系模型的建立 21
4.2.1 伸张阀模型的建立 21
4.2.2 流通阀模型的建立 23
4.2.3 压缩阀模型的建立 24
4.2.4 补偿阀的力学模型 25
4.3 减震器阻尼阀阀片的挠曲变形模型 26
4.4 阀系的设计 27
4.4.1 阻尼阀的开启程度对减震器特性的影响 27
4.4.2 减震器的理想特性曲线的确定 28
4.4.3 阀系各结构参数的确定 30
4.5 小结 35
5 活塞杆的强度校核 36
5.1 强度校核 36
5.2 稳定性的校核 36
6 全文总结及展望 38
7 参考文献 39
8 致谢 40
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1. 绪论
1.1 本课题设计的目的及意义
随着社会的不断发展，人们对汽车的要求也越来越高。包括有汽车的动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性、通过性等性能的要求。减震器是安装在车体与负重轮之间的一个阻尼元件，其作用是衰减车体的振动并阻止共振情况下车体振幅的无限增大，能减小车体振动的振幅和振动次数，因而能延长弹性元件的疲劳寿命和提高人乘车的舒适性[1]。长期以来，人们对汽车的平顺性一直都在研究，在技术上也有重大的改驶员操纵轻便，乘员更加舒服。
因外部条件的不同，对减振器的使用要求也会相应的不同。在不同的国家或不同的地区，他们各自的天气环境、道路建筑等都有着很大的区别。单一的减振器是可能都满足他们的性能要求。随着社会的发展，汽车市场出现了细分化。纯黑色的“福特”时代，早已经过去，针对各国道路交通情况，各国汽车生产商们开始生产有属于自己特色的汽车了。本文就是针对我国大多数城市道路情况，而进行研究设计的。
1.2 减振器国内外是发展状况
为加速车身振动的衰减，改善汽车行使平顺性，大多数轿车的悬架内都装有减震器。减震器和弹性元件是并联安装的。其中采用最广泛的是液力减震器，又称筒式液力减振器，现简称为筒式减振器。根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。而筒式减震器工作压力仅在2.5～5MPa，但是它的工作性能稳定而在现代的汽车上得道广泛的应用。又可以分为单筒式、双筒式和充气筒式三种[3]。减震器的阻尼力越大，振动消除得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥；还可能导致连接件及车架损坏。通常为了保证伸张过程内产生的阻尼力比压缩行程内产生的阻尼力大得多，所以伸张阀弹簧刚度和预紧力比压缩阀大；在同样油压力作用下，伸张阀及相应的通常缝隙的同道截面积总和小于压缩阀及相应的通常缝隙的通常截面积总和。这样也保证了悬架在压缩行程内，减震器的阻尼力较小，以便充分利用弹性元件的弹性来缓和冲击；在伸张行程内，减震器的阻尼力应较大，以求迅速减振[2]。由于汽车行驶的路面状况不同，所用的减震器要求也会有所不同。
下面简单介绍几种比较先进的减震器：
1.磁悬浮式减震器。磁悬浮减震器的弹性介质是两块同极相对的高强度永久磁铁。两磁铁间的排斥力即为减震器的弹性力，它随着两磁铁间的距离减小而增大。它具有很好的非线性刚度特性，而且可根据负载自动调整弹簧刚度特性及车身高度，能进一步改善汽车的行驶平顺性；由于城市路况较好，路面对轿车车轮的冲击绝大数属于小位移激振，大位移激振较少。这就要求减震弹簧的小变形时较软，而大变形时较硬，具有非线性刚度特性。另外，由于汽车的负载在每次行驶都不相同，车上的水平负载分布不同，这会使车身高度，水平度发生变化。虽然现在有很多弹簧都能满足这些要求，但是磁悬浮减震器的技术要求比油气弹簧低，维护方便，耐用，这是油气弹簧所不及的[4]。
2.橡胶减震器。虽然说采用橡胶作为隔振、吸声和冲击的弹性元件，迄今至少已有五十多年的历史了，但是它的作用是得到肯定的。橡胶减震器所采用的弹性材料―减震橡胶，属于高分子聚合材料，具有特殊的性能，由于软长的链状分子的排列结构，使得不需要很复杂的形状就能获得优良的弹性性能。在一定范围内，可以把橡胶减震器作为线性看。橡胶减震器是通过橡胶物体的物理变形来吸收冲击振动的，技术上比较成熟[5]。
3.可调阻尼减震器。可调阻尼减震器可以分为有级可调阻尼减震器和无极可调阻尼减震器，阻尼减震器有两种调节方法，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼，另一种是通过改变减震液的粘性调节阻尼[6]。它们是根据汽车在路面上的行驶情况，对减震器的阻尼进行相对应的调节。这种减震器技术要求高，舒适性强，平顺性好等优点。但是结构复杂，成本高，维修费用也高。
下面简单介绍下，汽车悬架系统中广泛采用的液力减震器。液力减震器的作用原理是，当车架与车身作往复相对运动时，减震器中的活塞在缸筒内也是往复运动，于是减震器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔。此时，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，被油液和减震器壳体吸收，然后散到大气中[2]。
减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使减振器连接件损坏。因而要调节弹性元件和减振器这一矛盾。
(1) 在压缩行程（车桥和车架相互靠近），减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的弹性作用，缓和冲击。这时，弹性元件起主要作用。
(2) 在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离），减振器阻尼力应大，迅速减振。
(3) 当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。
在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器，还有采用新式减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器[2]。
1.3 设计的主要研究内容
本文的设计是要满足一般性能要求，具体是：一是要具有一般的舒适性；二是可以满足中国现代一般城市道路的使用要求；三能保证有足够的使用寿命；四是在使用期间保证汽车行驶平顺性的性能稳定。在减振器中，流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很弱。当阀上的油压作用力同向时，只要很小的油压，阀便能开启；压缩阀和伸张阀是卸载阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压到一定程度时，阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀即自行关闭。根据它们不同的工作要求，各阀系设计计算和装配都有所不同。
根据以上要求，本文设计的基本步骤有：
1）确定减振器的阻尼系数和相对阻尼系数；
2）计算出各机械结构的主要参数，其中包括缸筒、储油缸筒、活塞杆导向座和活塞的尺寸设计计算；
3）在总体参数出来以后，就对减振器连接结构、密封结构的设计，弹簧片以及减振器油的选择等；
4)总体参数确定后，建立各阀系的力学模型、各阀系模型以及阻尼阀阀片的挠曲变形模型，完成各阀系的设计计算。
5）完成设计计算后，对主要受力部件进行校核验证。
2. 减震器阻尼值计算和机械结构设计
2.1 相对阻尼系数和阻尼系数的确定
2.1.1 悬架弹性特性的选择
在前轮或后轮上，把前、后轮接地点垂直方向的载荷变化和轮心在垂直方向的位置变化量关系称为悬架系统的弹性特性。如图2.1所示，在任一载荷状态下，该点曲线的切线斜率，就是该载荷下的悬架刚度。在满载状态下，弹性特性曲线的切线斜率便是满载悬架刚度。在满载载荷下可以确定车轮上、下跳行程，两者之和称为车轮行程。
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