摩托车液压减震器的动力特性分析

摩托车液压减震器的动力特性分析

减震器动力特性的结构模型减震器对车辆高速行驶稳定性和乘客舒适度的影响。多年来,人们对车辆减震器进行了许多研究。文通过简单的线性模型,研究了车辆的动力特性,但用这一模型模拟减震器的特性远远不够。文用单自由度恢复力方法表示减震器的非线性特性,并通过试验数据运用数学拟合方法,构造了一个较为精确的模型。但这一模型不便于分析各因素(参数)对减震器动力特性的影响,同时,由于模型参数与减震器结构参数之间没有直接联系,不便于指导减震器的结构设计,因此,建立一个基于减震器结构尺寸的动力模型,无论是对减震器结构设计,还是对分析动力特性影响因素都是十分重要的。本文在较为复杂的摩托车液压减震器具体几何结构的基础上,研究了减震器中各种因素对其动力特性的影响,为减震器性能优化和结构改进提供了理论依据,为建立基于几何尺寸参数的减震器动力特性模型奠定了基础,对提高摩托车的乘坐舒适性和高速行驶稳定性具有一定意义。1阀片弹簧特性图1为摩托车液压减震器的剖面图,这是一双管缓冲器。在复原行程中,液压油经a,b处小孔,从左边复原腔进入右边压缩腔;在压缩行程中,活塞上阀门打开,液压油经活塞上的节流阀门和b,a小孔,从压缩腔进入复原腔。活塞上有3个节流阀门小孔,节流阀片通过弹簧预压在活塞上,只有在活塞两端压力差可以克服阀口弹簧预压力时,阀片才打开。一旦阀片打开,阀片弹簧特性将决定阀口开启量的大小。图1右边压缩腔中有一个金属的弹性气囊,用来补偿由于活塞杆运动所引起的液压油容积的变化。2过动力特性模型根据液压油流动的动力学方程,可建立包括容性、感性和阻性的减震器动力特性数学模型。通过动力特性模型,可以分析影响减震器动力特性的因素。同时,对图1减震器的具体结构,作了适当的简化,以便进行理论分析。在考虑容性和感性时,认为图1中活塞组件上无阀门,液压油在压缩和复原行程中,只能通过a口流动。在考虑阻性时,认为活塞组件上只有一个节流孔。2.1不同流体的容性液压油的容性表现为液压油的可压缩性。油液在腔内的流动特性,除与油液流经节流孔有关外,还与腔内压力变化引起的体积流量的变化情况有关,因此,可以将分析模型看作是由容性和阻性并联而成的。假设减震器无内外泄漏,且各腔内压力均匀一致,则根据流体流动的连续性原理,可得复原腔的油液体积流量表达式Ar˙x(t)=Qres+Qcap(1)Arx˙(t)=Qres+Qcap(1)式中,Ar为复原腔活塞有效面积,˙xx˙(t)为活塞的运动速度,Qres为油液经节流孔a的体积流量,Qcap为腔内油液因压缩引起的体积流量变化。若高低压腔的压差为Δp,则流经节流孔a的油液流量为Qres=CDAn√2|Δp|ρsign(Δp)Δp=pC-pr(2)Qres=CDAn2|Δp|ρ−−−−√sign(Δp)Δp=pC−pr(2)式中,CD为油液流经节流孔的动态流量系数,An为截流孔过流面积,ρ为油液密度,PC为高压腔(压缩腔)压力,Pr为低压腔(复原腔)压力。由流体的压缩性可知,流体的体积压缩性系数为β=1VfdVfdp(3)β=1VfdVfdp(3)式中,β为油液的压缩性系数,Vf为油液体积,p为油腔压力。若dt时间内,油腔内油液体积压缩量为dVf,则活塞在单位时间内扫过的体积(流量)为Qcap=dVfdt(4)Qcap=dVfdt(4)将式(3)代入式(4)得Qcap=βVfdpdt(5)Qcap=βVfdpdt(5)将式(2,5)代入式(1)得Ar˙x(t)=CDAn√2|Δp|ρsign(Δp)+βVfdpdt(6)Arx˙(t)=CDAn2|Δp|ρ−−−−√sign(Δp)+βVfdpdt(6)由于压缩腔中油液的压力与气压囊中的空气压力相等,故由气体状态方程可得补偿活塞位移引起的体积变化的压力为pc=p0[V0V0+(Ac-Ar)x(t)]m(7)pc=p0[V0V0+(Ac−Ar)x(t)]m(7)式中,p0为空气容量(体积)为V0时的初始压力,Ac为活塞面积,m为气体常数,x(t)为活塞位移。当已知活塞(杆)运动规律时,由式(6,7)可求出减震器两腔压力p对时间t的历程(p与t的关系),于是,活塞杆的输出力为F=ArΡr-AcΡc(8)取不同的压缩性系数(即不同的容性),并代入有关结构参数值,对上面几式进行数字仿真计算,可得液压油容性对减震器性能的影响曲线,见图2。图中纵坐标为摩托车行驶时传递给减震器的冲击振动动载荷。图2(a)由于油液的压缩性系数β很小,可近似看作不可压缩流体,故油液的容性对减震器的动力特性影响较小。图2(b)的封闭曲线是β为实际情况的值,且考虑减震器的壳体弹性变形时的动力特性曲线。当β增大一个数量级时,动力特性曲线如图2(c)所示。从图中可以看到,随着β增大,封闭曲线所围面积增大,减震器吸收冲击载荷的能力增强。同时,从图中可以看到,随着β增大,最大速度处力的幅值从2000N变为1500N,即当压缩性系数β增大时,封闭曲线的最大力减小。当油液的压缩性系数β再增大一个数量级时(图2(d)),封闭曲线面积进一步增大,减震器吸收冲击载荷的能力也进一步增强。同时,封闭曲线形状变为椭圆状,最大速度处力的幅值降为500N,封闭曲线形状光滑,没有尖峰。这说明由压缩到复原或由复原到压缩过程中,减震器无冲击现象,给人一种平稳舒适的感觉。即从理论上讲,增大油液的可压缩性,可以提高摩托车的乘坐舒适性。2.2流量等效计算及油液流动方程油液的感性主要是指油液在流动中的惯性效果。根据液压减震器的实际结构,可将液压油的感性分析模型,看作是由感性元件与阻性元件串联而成。在减震器工作过程中,流经节流孔油液流量的大小和方向都是随时间变化的,设油液为不可压缩液体,则Qcap=0(9)故活塞位移引起的流量可由式(1)得到Qres=Qind=Ar˙x(t)(10)由式(2)可得经过阻尼器的压降为Δpres=ρQ2res2CDA2nsign(Qres)(11)当考虑油液的感性效果时,设复原腔活塞的有效面积扫过的一段长度(即节流部分流量通道的等效长度)为ln,则其包含的油液质量为:ρlnAr,于是该段油液的流动方程为ΔpindAn=ρlnAr¨x(t)(12)式中,Δpind为油液因加速度引起两腔中惯性冲击而产生的压力差。由式(12)得Δpind=ρlnAr¨x(t)An(13)所以,复原腔与压缩腔之间总的压力差为Ρr-Ρc=Δpres+ΔΡind(14)取不同的ln值,对式(11,13,14)进行数值计算,可发现感性对动力特性的影响较小,但随着ln的增加,最大速度处对应的力没有变化。2.3油液容性/感性分析前面分别研究了容性与阻性并联,以及感性与阻性串联,在简谐激励作用下,单孔节流时减震器的动力特性,其结果是随着容性或感性效果的增加,特性曲线所围面积都增大。应该指出的是:容性与感性的影响是有本质差别的,容性是由油液的压缩性引起的,其封闭曲线是逆时针方向的;而感性是由油液的惯性引起的,其封闭曲线是顺时针方向的,两者的影响刚好相反。从式(5)可知:较大的容性影响发生在较高的速度范围内,此时,压力对时间的导数较大;而从式(14)可知,较大的感性影响发生在较低的速度范围内,此时,加速度较大。同时考虑油液容性与感性的影响时,系统模型为感性与阻性串联,再与容性并联。其数学描述由式(5～8,13,14)式构成。另外,还要考虑激励频率、弹簧等对减震器动力特性的影响。2.4建立3a所需资源取实际减震器的参数,对式(1～8)进行数字计算,结果如图3(a)所示。同时通过实验测得的动力特性如图3(b)所示,比较这两张图,可以看到吻合情况较好,模型基本正确可用(因图3(a)未考虑弹簧、气囊等的减振作用,故结果要大些)。3动态特性分析本文针对一种实际的摩托车液压减震器,从理论上研究了影响液压减震器动力特性的因素,建立了分析模型,进行了数字仿真,为建立基于结构尺寸的减震器模型进