主动悬架比例液压系统设计

1、黑龙江工程学院本科生毕业设计本科学生毕业论文主动悬架比例液压系统的设计系部名称： 汽车工程系 专业班级： 车辆工程 B05-17班 学生姓名： 赵紫云 指导教师： 安永东 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二九年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeThe proportion of hydraulic active suspension system designCandidate：Zhao ZiyunSpecialty：Vehicle engineeringClass：B05-17Supervisor：Associate Prof

2、. An YongdongHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要国内汽车市场迅速发展，随着汽车保有量的增加，带来的技术问题也越来越引起人们的注意，而液压系统则是有关汽车主动安全及舒适性的重要系统之一。因此，如何开发出高性能的液压系统，为安全行驶提供保障并提高汽车行驶舒适性是我们要解决的主要问题。本文简要地分析了汽车液压主动悬架的基本结构。在此基础上，对主动悬架液压比例控制系统进行了静态设计，其中包括对负载的分析以及液压缸、液压泵、比例方向阀及相应弹性元件的设计计算并进行选取，使其能对车辆悬架的高度、刚

3、度和阻尼进行比例调节，并通过确定比例主动悬架液压参数获取系统的模型参数。最后绘制出主动悬架比例液压系统的各元部件及其整体装配图。关键词：主动悬架；比例液压；系统；弹性元件；控制阀ABSTRACTThe rapid development of the domestic auto market, with the increase in cars, bringing more and more technical aspects of attention, and the hydraulic system is of the vehicle active safety and comfort o

4、f the important systems in the world. Therefore, how to develop high-performance hydraulic system, providing protection for the safe driving and to improve vehicle ride comfort is our main problem to be solved.This article briefly analyzes the automotive hydraulic active suspension of the basic stru

5、cture. On this basis, the proportion of active suspension control system of hydraulic static design, including load analysis, and hydraulic cylinders, hydraulic pumps, valves and the corresponding proportion of the direction of the design and calculation of elastic element and select it to the vehic

6、le suspension height, stiffness and damping ratio to adjust, and by determining the ratio of active suspension system of hydraulic parameters of the model parameters to obtain. The final draw ratio of hydraulic active suspension system components and the overall assembly.Key words: Active Suspension

7、；The ratio of hydraulic；System；Elastic element；Control Valve33目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 概述11.2 汽车主动悬架系统的发展现状及研究现状1第2章 主动悬架比例液压系统方案设计42.1 汽车主动悬架系统的组成42.2 液压传动工作原理和系统组成及特点52.3 主动悬架比例液压系统方案设计72.4 本章小结8第3章 主动悬架比例液压系统基本计算103.1 系统基本计算103.2蓄能器的设计与计算103.3 弹簧的设计与校核113.4 减振器的结构类型与主要参数的选择123.5 本章小结14第4章 液压系统工作装置

8、设计154.1 液压缸154.2 液压缸的类型154.3 液压缸的结构154.4 液压缸的基本参数确定与设计计算184.5 本章小结22第5章 液压系统各元件的选用235.1 液压控制阀235.1.1 液压控制阀机理235.1.2 电液比例控制阀235.2 液压泵245.2.1 液压泵的功用245.2.2 容积式液压泵的基本工作原理245.3 本章小结25结论26参考文献27致谢28附录29第1章 绪 论1.1 概述车辆的悬架系统，是指连接车身与车轴等所有组合件的总称。由弹性元件，减震器及导向装置组成的悬架装置称为被动悬架，上述元件分别起缓冲，减震和导向的作用。主动悬架是近年来出现的新型悬架系

9、统，它拥有自身的能源，并以一个力发生器取代了被动悬架中的减震器或是在被动悬架弹性元件与阻尼元件的基础上增加了一个主动装置。因此，开发性价比高的主动悬架装置是当前主动悬架技术研究的重点和难点。目前采用液压作动器的悬架系统中所用控制阀大部分为伺服阀，仅有少部分为高速开关阀。伺服悬架系统动态特性虽好，但造价昂贵；高速开关阀可降低整套悬架系统的造价。但其动态特性较差，可控频率在2Hz以下。鉴于伺服系统维护技术难度较大以及制造成本又高的原因，工业领域中的许多用户提出来要用较为廉价的比例元件替代电液伺服元件。与此同时，电液比例技术的迅速发展以及比例元件性能的不断提高也为满足上述要求提供了可靠的技术保证。为

10、此，本文采用价格较为低廉的高性能比例阀作为主动悬架装置的控制阀。1.2 汽车主动悬架系统的发展现状及研究现状自从汽车发明以来，工程师们就一直在研究如何将汽车的悬架系统设计得更好。最初的汽车悬架系统是使用马车的弹性钢板，效果当然不会很好。1908年螺旋弹簧开始用于轿车，当时就曾经有两种截然不同的意见。第一种意见主张安装刚性较大的螺旋弹簧，以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。另一种意见认为应该采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性。但是这样的汽车操纵性较差。到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发

11、展。减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。这些改进无疑提高了悬架的性能，但无论怎样改良，此时的悬架仍然属于被动式悬架，仍然在很多方面有很大局限性。 衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求，往往不能同时满足。怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程师们的研究课题。 平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、驾驶员座椅处)的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以通过车轮的动载来度量。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加。由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响

12、；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。所以，理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。 但是普遍使用的被动悬架不可能达到设计师们的理想要求。被动悬架因为具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想境界。在使用上，为了使被动悬架能够对不同的路面具有一定的适应性，通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，比如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器。 由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和

13、操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。所以尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标，但始终无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。 为此，自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据悬架质量的加速度，利用电控液压部件主动地控制汽车的振动。在这方面的研究，各大汽车制造公司均不遗余力。典型的例子，早期有雪铁龙公司在1955年发展的一种液压-空气悬架系统，可以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制造工序太复杂，最终难以普及。到90年代，日产公司在无限Q45轿车上应用了新式主动悬架，进一步提高了轿车适应

14、崎岖路面的能力。 随着电子技术的发展，出现了可变特性悬架控制系统。它可根据运行条件与路面状况，以手动控制悬架特性变化。手动开关可选择两种挡位：1.“SPORT”挡位，刚性高，相当于高级跑车的悬架特性。2.“TOURING”挡位，柔性，相当于高级旅行车的悬架特性。 现时引人注意的是奔驰公司发展的ABC(Active Body Control)系统，可算是相对先进的主动悬架系统代表。 ABC系统的设计人员从一开始就没有将注意力放在传统的思路上，而是另辟蹊径，集中研究车身在行驶时的跳动。他们认为，从稳定性考虑，通过抑制车身在行驶时的起伏、倾斜及跳动，可以最大限度地提高舒适性，而且更简单直接。对驾驶而

15、言，采用刚性较大的螺旋弹簧，可以使汽车优越的操纵驾驶性得到保证。早在多年前，研究人员已经进行过这方面的验证。随着近年来电子技术及电脑控制在轿车上大量应用，这种新型主动悬架变为现实的条件越来越成熟。最新面世的系统采用了大量电子控制技术，奔驰公司称之为主动式车身控制系统，简称ABC 。 传统的悬架系统工作方式主要是通过厚重的车身跳动，推压液压油，通过阻尼减振器抑制车身的振动，并由螺旋弹簧将跳动能量吸收。这种完全被动的方式当然有许多不足之处。而ABC系统则通过感应最轻微的车轮及车身动作，在任何大的车身振动之前及时对悬架系统作出调整，保持车身的平衡。该系统能够很好地适应各种路面情况，即使在异常崎岖不平

16、的地方，轿车也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。 为了达到理想的效果，ABC系统在各条悬架滑柱内装有一套新型的液力调节伺服器，可动态调整的液压缸根据不同的路面情况自动调节螺旋弹簧座的位置，这一点很重要。当车轮遇到障碍物时，ABC系统通过传感器感知，自动调节弹簧座，并在弹簧座上施加压力，使之能最大限度地抵消传递给车身的跳动能量。同样的方法，ABC系统还能够避免轿车在制动、加速及转弯时产生的车身倾斜。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形，悬架传感器会检测出车身的倾斜度和横向加速度。微电脑根据传感器的信息，与预先设定的数值进行比较计算，并立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜

17、减到最小。几乎可以说，车身在任何状态下都能保持水平位置。 ABC系统的控制感应装置由两个微型处理器及13个传感器组成，每10s对悬架系统作一次扫描和调整。各传感器分别向微处理器传送车速、车轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较。同时，电脑能独立控制每一个车轮上的执行元件，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动以适应汽车的每一种行驶状况。 ABC系统使汽车对侧倾、俯仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确，即使在路况较差的路面上，汽车的跳动也很小。而且汽车高速行驶和转弯的稳定性大大

18、提高。车身的侧倾小，车轮外倾角度变化也小，轮胎就能较好地保持与地面垂直接触，使轮胎对地面的附着力提高，以充分发挥轮胎的驱动制动作用。此外汽车的载重量无论如何变化，汽车始终能保持一定的车身高度，所以悬架的几何关系也可以确保不变。 目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最新的C系列轿车上，虽然价格不菲，但也赢得极佳的口碑，被誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一个里程碑。第2章 主动悬架比例液压系统方案设计2.1 汽车主动悬架系统的组成 主动悬架中不再有传统意义上的“弹簧刚度”和“阻尼特性”，悬架中的弹簧盒减震器全部或者至少部分被执行元件所取代。系统还包括了各种必要的传感器、信号处理器和控制单元。

19、控制单元根据检测到的各种信号判断汽车的当前状态，并根据事先设定的控制策略决定执行元件该输出多大的力。系统内部靠力闭环控制保证执行元件输出的力满足指令的要求。图2.1给出了一种主动悬架工作原理的示意图（单个车轮），实际使用时，还必须包括更多的传感器以检测必要的系统状态量，比如与转向时汽车运动相关的横向加速度、方向盘角速度，还有汽车车速、发动机油门开度、制动踏板位置以及汽车车身高度等等。图2.1 主动悬架工作原理图A执行元件；E比较器；F力传感器；P电位器；V控制阀；1悬架质量；2加速度传感器；3信号处理器；4控制单元；5进油；6出油；7非悬挂质量；8路面输入图2.2为一种实车采用的主动悬架布置图

20、。图2.2 轿车主动悬架布置示意图1悬架位移传感器；2后悬架执行元件；3车门开关传感器；4隔离阀；5前悬架执行元件；6控制阀；7液力泵；8油门位置传感器；9车速传感器；10控制踏板位置传感器；11方向盘传感器；12中央控制单元主动悬架的性能指标可以用多个系统输出变量的均方根值的加权和来表征。这些变量可以包括车身加速度、车轮与地面间的动载、车轮相对于车身的位移以及执行元件的作用力等。系统的控制变量也比传统的被动悬架要多，并且参数的选择范围也更宽。一般多采用随机优化控制理论来确定系统的控制策略。研究表明，如果相对于路面不平度而言有足够大的悬架工作行程，则在某一特定的稳定工况下（载荷、车速以及路面不

21、平度函数都保持不变），主动悬架所达到性能指标与专门为这种特定工况所涉及的被动悬架相当。当工况变化并且相对路面不平度而言悬架的工作行程受到限制（实际汽车上都是这种情况）时，主动悬架与被动悬架相比，平顺性指标和车轮接地性能都会提高，在不良路面上，可提高10%15%。主动悬架执行元件的响应频率范围要超过汽车上车轮刚度所对应的频率，约为10Hz。目前汽车上采用的大都是电液伺服机构，频带越高，则实现起来越困难，成本和质量都会增大，系统所消耗的能量也会增加。如果在系统中并联入传统的弹簧和减震器以承受静载荷并提供常规情况下的阻尼，则系统的能量消耗和执行元件的尺寸、液压都会下降，但这种方式的集成性不佳。主动悬

22、架中的关键部件之一是电液伺服器。它根据中央控制单元给出的电信号控制流向执行元件的油量，为此必须有很高的放大倍率，将几十毫瓦的电信号转化为几十千瓦的液压功率，同时还要有足够快的反应速度，要能在几毫秒之内实现95%的流量变化，另外还具备高灵敏度，可以5%的步长进行流量调节。2.2 液压传动工作原理和系统组成及特点 （1）液压传动的工作原理 液压传动是利用密闭系统中的受压液体来传递运动和动力的一种传动方式。液压缸、油箱以及它们之间的连通油路构成一个系统，里面充满液压油。放油阀关闭时，系统密闭。当提起杠杆时，液压缸的柱塞上移，其油腔密封容积增大，形成部分真空；此时单向阀封住通向液压缸的油路，油箱中的油

23、液在大气压的作用下经过吸油管路推开单向阀进入液压缸油腔，完成一次吸油。接着，压下杠杆，液压缸柱塞下移，其油腔密封容积减小，油液压力升高，单向阀自动关闭，压力油推开单向阀经油路流入液压缸内。由于液压缸油腔也是一个密闭的容积。所以进入的油液因受挤压而产生的作用力就推动液压缸的柱塞上升。并将重物(簧载质量轿车车身)向上顶起一段距离。这样反复提、压杠杆，就可以使重物不断上升，达到起重的目的。将放油阀旋转90度，在重物重力作用下，大油缸的油液排回油箱，柱塞可下降到原位置。从上述例子中可以看出液压传动是以液体作为工作介质来传动的；它依靠密闭溶剂的变化传递运动，依靠液体内部的压力（由外界负载所引起）传递动力

24、。液压传动装置本质上是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，随后又将液压能转换为机械能而做功。 （2）液压传动系统的组成，液压缸活塞杆与汽车车厢铰接。当液压泵运转，换向阀中的阀芯处于相应位置时，车厢举倾机构不工作，即液压泵输出的压力油经单向阀、换向阀中的油道及回油管返回油箱。由于液压缸活塞上、下腔均与油箱连通，此时，液压缸处于不工作状态。 在外力作用下，推动换向阀芯右移，换向阀的油道与液压泵供油路关闭。从液压泵输出的压力油经换向阀的油道进入液压缸活塞下腔，推动液压缸活塞上移，通过活塞杆实现车厢的举升。 为了防止液压系统过载，在液压缸进油路上装有限压阀.当系统油压超过一定值时，限

25、压阀开启，一部分压力油通过限压阀返回油箱，系统油压则不再升高。当外力去除后，在换向阀芯左侧弹簧力的作用下，换向阀芯返回到原来位置。此时，液压缸活塞下腔通过换向阀与回油路连通。液压缸活塞下腔压力油返回油箱，车厢在自重作用下下降。 综上所述，通常可以将液压系统分成以下四个组成部分。1. 动力元件液压泵。把机械能转换成液体液压能的装置。2. 执行元件液压缸、液压马达。把液体的液压能转换成机械能的装置。3. 控制元件对系统中液体的压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。4. 辅助元件除上述三个部分以外的其他装置。例如油箱、滤油器、油管、管接头及密封件等。5. 工作介质利用它进行能量和信号传递。液压传

26、动系统就是按机械的工作要求，选择上述不同液压元件，用管路将它们组合在一起，使之完成一定工作循环的整体。换向阀和限压阀在制造时做成了一体结构，可节省材料和空间，减少阀间连接油管，又称组合阀。液压系统图是用各液压元件和管路的结构简图表示的一种半结构式的工作原理图。它直观性强，容易理解，但绘制起来比较麻烦。用反映各液压元件功能的符号表示，并用通路连接起来组成的同一个液压系统工作原理图，使用这些图形符号可使液压系统图简单明了，便于绘制。 (3) 液压传动的特点 液压传动与其他传动形式相比较，有以下特点。 1.功率密度（即单位体积所具有的功率）大，结构紧凑，质量轻。 2.传动平稳，能实现无级调速，且调速

27、范围大。 3.液压元件质量轻、惯性矩小，变速性能好。可实现高频率的换向，因而，在汽车电控系统中经常用到与微电子技术结合组成的性能好、自动化程度高的传动及控制系统，如汽车电控液力自动变速器、汽车制动防抱死系统、汽车制动力分配系统等。且控制、调节简单，省力，操作方便。 4.传动介质为油液，液压元件具有自润滑作用，有利于延长液压元件的使用寿命。同时，液压传动系统也易于实现自动过载保护。5.液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，有利于组织生产和设计。 但液压传动也有不足，如液压传动效率低，速比不如机械传动准确，工作时受温度影响较大，不宜在很高或很低的温度条件下工作，液压元件的制造精度要求较高，造价较

28、高，液压传动系统出现故障时不易找出原因等。2.3 主动悬架比例液压系统方案设计比例悬架设计，就是在被动悬架系统的基础上加装一个可以产生作用力的动力装置，其二自由度模型如图2.1所示。动力装置由液压油源、液压缸和电液比例阀组成。最终构成主动悬架比例液压系统。其系统作用过程为：路面有不平度输入经轮胎传递到非簧载质量，然后再由经悬架刚度与悬架阻尼传递到簧载质量，使簧载质量产生加速度；此时，液压主动悬架控制系统通过加速度传感器测得其加速度信号，再经电荷放大器将所得电信号放大以使其与控制器的输入电信号幅值（电压或电流）相匹配；最后，由控制器对所测得的电信号按照事先设计好的控制规律进行处理，得到的对应输出

29、控制量传给比例阀，比例阀输出相应的流量来控制液压缸，使其作出相应的动作以改变簧载质量的加速度，从而让加速度在期望的范围内波动。理论上，这一动力装置产生的作用力可根据需要在极短的时间内由零变化到无穷大。但作用力越大、速度变化越快，需要液压系统的工作压力就越高，系统消耗的能量也就越大。之后控制器调节比例方向阀并产生信号调节液压缸，控制其伸缩，以此来调节簧载质量(汽车车身部分)主动改变车身高度。而对于阻尼系数的调节，在此系统里加装阻尼控制执行器，通过接受液压缸伸缩传递的信号，对阻尼进行相应的控制与调节。最后，关于车身刚度的调节在这里加装蓄能器、直动式电磁阀、气压泵等相关组件，其中蓄能器一端接液压缸一

30、端接直动式电磁阀，气压泵用来压缩空气进入，直动式电磁阀调节空气流量，也就是控制蓄能器中的空气量与相应压力由此实现主动调节悬挂刚度的目的。图2.1 汽车主动悬架比例系统模型非簧载质量；簧载质量；轮胎刚度；悬架弹簧刚度；悬架阻尼系数；作用力发生器(液压缸)；路面激励位移；非簧载质量位移；簧载质量位移；阻尼控制执行器；气囊式蓄能器；直动式蓄能器；气压泵2.4 本章小结本章主要是对主动悬架比例液压系统进行整体设计，其内容包括主动悬架的组成与选取、液压传动系统的工作原理概述以及相关部件组成的确定与选取。由此章可实现对主动悬架比例液压系统的控制，从而达到控制车身高度、阻尼以及刚度的目的。第3章 主动悬架比

31、例液压系统基本计算3.1 系统基本计算 假设基于车辆模型的某轿车主动悬架的结构参数为：，。 设计悬架液压系统时，根据工程实际提出的技术要求为：执行器频宽为1520Hz，行程；活塞杆最大随动速度V0.4m/s。设定双活塞杆液压缸输出的最大作用力为6000N、液压缸的最大伸出速度为V0.5m/s、液压缸有效行程为、液压缸内径为63mm，活塞杆直径为40mm、液压缸内泄漏系数C0、有效体积弹性系数，则可计算出液压缸工作面积： 负载工作压力： 系统所需流量： 考虑系统流量损耗，设定系统流量为20L/min，则液压缸工作容积： 液压缸负载固有频率： 工程设计实践证明，f4Hz时，动态特性较好，由此可见液

32、压缸尺寸选择是合适的。3.2 蓄能器的设计与计算本系统选择折合型蓄能器，功用是吸收冲击(波纹型)，传送异性液体，最高工作压力2MPa，其特点是空气与油隔离，油不易氧化，尺寸小，重量轻，反应灵敏，充气方便。系统压力，效率，气缸力。则空气气缸内径为：查机械设计手册，取标准缸径。验算气缸力的大小：3.3 弹簧的设计与校核 在考虑安装空间的限制和性能要求的条件下，对悬架系统的螺旋弹簧进行尺寸上的具体分析，首先，螺旋弹簧材料选用(60硅铬钒钢)，属第一类弹簧，许用切应力为。 根据安装空间，取螺旋弹簧中径为，螺旋弹簧的直径为，则有： 旋绕比为(一般取值为610之间) 弹簧的曲度系数为 弹簧圈数为圈 弹簧静

33、挠度 路面谱幅值取最大值即时，弹簧所承受载荷最大，其值为。 根据公式对弹簧进行校核计算为：，经校核证明弹簧是符合要求的。 弹簧的最大压缩变形量 间距为 弹簧高度为:为保证弹簧的稳定，弹簧的高径比不应超过许用值，故需进行验证:，所以满足要求。 图3.1螺旋弹簧模型 图3.2 螺旋弹簧的端部结构3.4 减振器的结构类型与主要参数的选择 减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。以前曾经使用过的名称“避震器”容易引起误会，以为减振器可以缓和冲击，实际上缓和冲击靠的是悬架弹性原件及轮胎的弹性变形。 减振器大体上可以分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。摩擦式减振器利用

34、两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。由于库伦摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很容易受油、水等的影响，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、易调整等优点，但现代汽车上已不再采用这类减振器。液力减振器首次出现于1901年，其两种主要的结构形式分别为摇臂式和筒式。与筒式液力减振器相比，摇臂式减振器的活塞行程要短得多，因此其工作油压可高达1530MPa，而筒式减振器只有2.55MPa。筒式减振器的质量仅为摇臂式的约1/2，并且制造方便，工作寿命长，因而现代汽车几乎都采用筒式减振器。 筒式减振器最常用的三种结构型式包括：双筒式、单筒充气式和双筒充气式，本文采用双筒式液力

35、减振器。 双筒式液力减振器：图3.3双筒式减振器工作原理图1活塞；2工作缸筒；3贮油缸筒；4底阀座；5导向座；6回流孔活塞杆；7油封；8防尘罩；9活塞双筒式液力减振器的工作原理如图3.3所示。其中A为工作腔，C为补偿腔，两腔之间通过阀系连通，当汽车车轮上下跳动时，带动活塞1在工作腔A中上下移动，迫使减振器液流过相应阀体上的阻尼孔，将动能转变为热能耗散掉。车轮向上跳动即悬架压缩时，活塞1向下运动，油液通过阀进入工作腔上腔，但是由于活塞杆9占据了一部分体积，必须有部分油液流经阀进入补偿腔C；当车轮向下跳动即悬架伸张时，活塞1向上运动，工作腔A中的压力升高，油液经阀流入下腔，提供大部分伸张阻尼力，还

36、有一部分油液经过活塞杆与导向座间的缝隙由回流孔6进入补偿腔，同样由于活塞杆所占据的体积，当活塞向上运动时，必定有部分油液经阀流入工作腔下腔。减振器工作过程中产生的热量靠贮油缸筒3散发。减振器的工作温度可高达120，有时甚至可达200。为了提供温度升高后油液膨胀的空间，减振器的油液不能加得太满，但一般在补偿腔中油液高度应达到缸筒长度的一半，以防止低温或减振器倾斜的情况下，在极限伸张位置时空气经油封7进入补偿腔甚至经阀吸入工作腔，造成油液乳化，影响减振器的工作性能。减振器的特性可用图所示的示功图和阻尼力-速度曲线描述。减振器特性曲线的形状取决于阀系的具体结构和各阀开启力的选择。一般而言，当油液流经

37、某一给定的通道时，其压力损失由两部分构成。其一为粘性沿程阻力损失，对一般的湍流而言，其数值近似地正比于流速。其二为进入和离开通道时的动能损失，其数值也与流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影响由于油液粘性随温度的变化远比密度随温度的变化显著。因而在设计阀系时若能尽量利用前述的第二种压力损失，则其特性将不易受油液粘性变化的影响，也即不易受油液温度变化的影响。不论是哪种情形，其阻力都大致与速度的平方成正比，如图所示。图3.3减振器的特性示功图图中曲线A所示为在某一给定的A通道下阻尼力F与液流速度v的关系，若与通道A并联一个直径更大的通道B，则总的特性将如图中曲线A+B所示，如果B为一个阀门

38、，则当其逐渐打开时，可获得曲线A与曲线A+B间的过渡特性。恰当选择A、B的孔径和阀的逐渐开启量，可以获得任何给定的特性曲线。阀打开的过程可用三个阶段来描述，第一阶段为阀完全关闭，第二阶段为阀部分开启，第三阶段为阀完全打开。通常情况下，当减振器活塞相对于缸筒的运动速度达到0.1m/s时阀就开始打开，完全打开则需要运动速度达到数米每秒。3.5 本章小结 本章节主要是对主动悬架比例液压系统进行系统计算，以确定液压缸工作面积、负载工作压力及系统所需流量等数据，并对相关元件弹簧、减振器等进行设计计算以及选取。第4章 液压系统工作装置设计4.1液压缸 液压缸是液压传动系统中的执行元件，他是把液压能转换成机

39、械能的能量转换装置。液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是直线速度和力。4.2 液压缸的类型 为满足各种主机的不同用途，液压缸有多种类型。 按照结构形式分有活塞缸、柱塞缸、摆动缸三大类，活塞缸和柱塞缸实现往复直线运动，输出速度和推力，摆动缸则实现往复摆动，输出角速度（转速）和转矩。 按照作用方式不同又可以分为单作用缸和双作用缸。 另外，按缸的特殊用途分，可分为串联缸、增压缸、增速缸、步进缸等。4.3 液压缸的结构 缸体组件 缸体组件与活塞组件构成密封的容腔，承受油压。因此缸体组件要有足够的强度、较高的表面精度和可靠的密封性。缸体组件指的是缸筒与缸盖，其使用材料、连接方式与工作压力有关，当工

40、作压力10MPa时使用铸铁缸筒，当工作压力10MPa0.2m/s)时，由于惯性力较大，具有很大的动量。在这种情况下，活塞运动到缸筒的终端时，会与端盖发生机械碰撞，产生很大的冲击和噪声，严重影响运动精度，甚至会引起事故，所以在大型、高速或高精度的液压设备中，常设有缓冲装置。 缓冲装置的工作原理：利用活塞或缸筒在其走向行程终端时，在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或缝隙中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。(1) 固定节流缓冲 如图是缝隙节流，当活塞移动到其端部时，其上的凸台进入缸盖的凹腔，将封闭在回油腔中的油液从凸台和凹腔之间的

41、环状缝隙中挤压出去，从而造成背压，迫使运动活塞降速制动，实现缓冲。这种缓冲装置结构简单，缓冲效果好，但冲击压力较大。 (2) 可变节流缓冲 可变节流缓冲油缸有多种形式，有在缓冲柱塞上开三角槽的，有多油孔的，还有其他一些可变节流缓冲油缸。其特点是在缓冲过程中，节流口面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，缓冲腔中的压力几乎保持不变。图在活塞上开有横截面为三角形的轴向斜槽，当活塞移近液压缸缸盖时，活塞与缸盖间的油液需经三角槽流出，从而在回油腔中形成背压，达到缓冲的目的。(3) 可调节流缓冲在缸盖中装有针形节流阀1和单向阀2。当活塞移近缸盖时，凸台进入凹腔，由于它们之间间隙较小，所以回油腔中的油液只能经节

42、流阀流出，从而在回油腔中形成背压，达到缓冲的目的。调节节流阀的开口大小，就能调节制动速度。排气装置一般利用空气密度较油轻的特点，在液压缸内腔的最高部位设置排气孔或专门的排气装置。采用排气塞和排气阀：当松开排气阀螺钉时，带着空气的油液便通过锥面间隙经小孔溢出，待系统内气体排完后，便拧紧螺钉，将锥面密封；也可在缸盖的最高部位处开排气孔，用长管道向远处排气阀排气。所有的排气装置都是按此基本原理工作。4.4 液压缸的基本参数确定与设计计算 1.工作负载与液压缸推力 液压缸的工作负载是指工作机构在满负载荷情况下，以一定速度起动时对液压缸产生的总阻力，即 式中工作机构的负载、自重等对液压缸产生的作用力，取

43、； 工作机构在满负载下起动时的静摩擦力(水平)，其中G为运动部件重力，F为工作负载在导轨上的垂直分力，通常=0.10.2,取=0.15； F工作机构满负载起动时的惯性力，F=ma=10kg0.5m/s=5N，其中m为运动部件质量(kg)；a为运动部件的加速度(m/s)；求得 2.缸筒内径及活塞杆直径 缸筒内径即活塞外径，为液压缸的主要参数，可根据以下原则确定。 按推力F计算缸筒内径D 在液压系统给定的工作压力p后(设回油背压为零)，应满足以下关系式 式中 A液压缸的有效工作面积； p液压缸的工作压力，由液压系统设计时给定(设回油压力为零)，取p=7Mpa； 液压缸机械效率，一般取=0.95；求

44、得 A=2036.65mm表4.1 活塞杆直径的选取活塞杆受力情况工作压力p/MPa活塞杆直径d受 拉-d=(0.30.5)D受压及拉d=(0.50.55)D受压及拉d=(0.60.7)D受压及拉d=0.7D因为p=7MPa，取d=0.62D由有活塞杆腔A=(D-d)/4求得=64.92mm 液压缸的缸筒内径D及活塞杆直径d是根据负载大小F和预选定的工作压力p，按有关计算公式计算之后，再从标准GB/T2348-1993(见表)中规定的系列，选取合适的标准值圆整而得到表4.2 缸筒内径D的系列(GB/T2348-1993)8101216202532405063801001251602002503

45、20400500-表4.3 活塞杆直径d系列(GB/T2348-1993)456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400-油表确定 3.最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H(图)。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。 对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求+式中 L液压缸的最大行程，取L=200mm； D缸筒内径；求得+=+=4

46、1.5mm,取 活塞的宽度，一般取(0.61.0)，在这里取；导向套滑动面的长度A，在时取(0.61.0)，在时取(0.61.0),在这里取。为保证最小导向长度，过分增大A和B都是不适宜的。必要时可在导向套与活塞之间装一隔套(图中零件K)，隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即求得4.结构强度计算与稳定校核 (1)缸筒外径 缸筒内径确定后，由强度条件计算壁厚；然后求出缸筒外径D。 当缸筒壁厚与内径D的比值小于0.1时，称为薄壁缸筒，壁厚按材料力学薄壁圆筒公式计算式中 液压缸的最大工作压力； 缸筒材料的抗拉强度极限，取=300MPa； 安全系数，一般取5； 活塞杆材料的许用应力，=。求得=3

47、.68mm,取=4.5mm缸筒壁厚确定之后，即可求出液压缸的外径求得 6. 液压缸的稳定性验算 按速比要求初步确定活塞杆直径后，还必需满足液压缸的稳定性及其强度要求。 (1)液压缸的稳定性验算 按材料力学的理论，一根受压的直杆，在其轴向负载F超过稳定临界力F时，即失去原有直线状态下的平衡，称为失稳。对液压缸，其稳定条件为式中 液压缸的最大推力，； 液压缸的稳定临界力； 稳定性安全系数，一般取=24。 液压缸的稳定临界力F值与活塞杆和缸体的材料、长度、刚度及其两端支承状况等因素有关。当大于10时要进行稳定性验算。 当=时由欧拉公式计算式中 活塞杆的柔性系数； 长度折算系数，取决于液压缸的支承状况，见表； 活塞杆材料的纵向弹性模量，对钢材，E=2.110Pa； 活塞杆断面的最小惯性矩，=3.925；柔性系数，由表选取； 活塞杆横断面的回转半径，其中A为断面面积。 当时，属于中柔度杆，按雅辛斯基公式验算式中 、与活塞杆材料有关的系数，见表； 柔性系数，由表选取； 活塞杆断面面积。 (2)当时，活塞杆的强度验算 本文所讨论的液压缸，故满足此稳定性验算条件 当活塞