油气弹簧阀片厚度与节流缝隙的分析研究

1、1前言油气弹簧具有结构简单、 平顺性好等优点。装 有油气弹簧的车辆 , 可以使驾乘人员感觉舒适。因 此 , 油气弹簧在国外高级客车等上得到了广泛应 用 , 而国内对于油气弹簧正处于研究和开发阶段 1。 油气弹簧节流阀是影响油气弹簧阻力特性的 关键零件 , 阀片厚度 h 和节流缝隙对油气悬架的阻 尼特性有重要影响。因此 , 本文对油气弹簧节流阀 的设计及其影响因素进行了分析和研究。2油气弹簧结构与工作原理油气弹簧在环型节流阀片和缸体之间有一环 型小缝隙 , 其工作原理如图 1所示。 基金项目 :武装装备预研基金项目 (51404040104BQ01 ; 全国优秀博士论文育苗及奖励基金 (0100

2、03 。车 , 排放水平可以达到欧 标准 , 并接近欧 水平。 所 有 结 果 表 明 , 由 于 应 用 了 多 种 先 进 技 术 , YC4W 1.2L 柴油机完全达到了预定的设计目标。8结束语a. 在 YC4W 1.2L 小型轿车柴油机开发中 , 应 用了轻量化设计、 四气门技术、 VNT 、 冷却式 EGR 系 统、 高压共轨燃油系统等先进技术。b. 所开发的 YC4W 1.2L 小型轿车柴油机具有 良好的动力性、 经济性和排放性能 , 同时具有良好的 整车驾驶性。参 考 文 献P.AHigh Speed Direct Injection Diesel Engines.SAE 980

3、803. 2刘巽俊 . 使用最新燃油喷射技术的小型增压四气门直喷式 柴油机 . 国外内燃机 ,1999(4 :12.3刘巽俊 . 小型轿车用福特 DIATA 柴油机的设计和开发 . 国 外内燃机 ,1999(5 .4周梅等 . 可变技术在车用柴油机上的应用 . 内燃机 ,2005(3 : 1519.5刘 斌 彬 等 . 柴 油 机 高 压 共 轨 燃 油 喷 射 系 统 现 状 与 发 展 趋 势 . 内燃机 ,2006(2 :13.6冒晓建等 . 满足未来排放要求的轿车用柴油机关键技术 . 车用发动机 ,2006(2 :614.(责任编辑 辛 民 修改稿收到日期为 2006年 7月 25日。

4、油气弹簧阀片厚度与节流缝隙的分析研究 Y 周长城 1, 2顾 亮 2(1. 山东理工大学 ; 2. 北京理工大学 【摘要】 利用节流阀片弯曲变形量 Gr 计算方法 , 对节流缝隙增量和弯曲变形量的关系进行了分析 , 对节流缝隙 增量随压力的变化进行了探讨。对油气弹簧节流阀的设计进行了研究 , 给出了由车辆的基本参数设计节流阀片厚度 和节流缝隙的方法和步骤 , 最后对所设计油气弹簧进行了阻力特性试验。主题词 :油气弹簧 节流阀 阀片厚度 节流缝隙中图分类号 :U463.33.43文献标识码 :A 文章编号 :1000-3703(2006 10-0015-04Study on the Thrott

5、le Valve Slice Thickness andAperture of Hydro-Pneumatic SpringZhou 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 thrott

6、le aperture increment and bending transformation value,and 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 vehic

7、le parameters are given,at last,the resistance characteristics of hydro-pneumatic spring is tested.Key words :Hydro-pneumatic spring,Throttle valve,Throttle slice thickness,Throttle aper-ture.15 2006年 第 10期汽车技术图 1油气弹簧结构原理当油气弹簧的相对移动速度、 环型节流阀片上下 腔的压力差都较小时 , 环型节流阀片的弯曲变形很 小 , 油液经过原设计的环型小缝隙 形成缝隙节流 , 产生阻尼

8、力 ; 当油气弹簧的相对移动速度达到一定的 数值时 , 环型节流阀片上、下腔的压力差增大 , 使环型 节流阀片产生一定的弯曲变形量 , 这时环型节流缝隙 增大为 t =+, 油液经过环型缝隙 t 形成缝隙节 流 , 产生阻尼力。 同时 , 由于在气室中充有一定压力气 体 (氮气 , 当活塞在不同的位置时 , 气室压力也将随 着活塞位置变化。所以 , 油气弹簧的阻力是由两部分 组成的 , 一部分是缝隙节流阻尼力 , 另一部分是气室 压力阻力。当油气弹簧作相对运动时 , 随着活塞位置 和速度的变化 , 油气弹簧的阻力呈非线性变化。3节流阀片弯曲变形量节流阀片的力学模型如图 2所示。环形弹性节流阀片

9、中间是固定约束 , 有效内园半径为 r a , 外园半 径为 r b , 阀片厚度为 h , 所受压力为 q , 在半径 r 处的 弯曲变形量为 f r2, 3。图 2节流阀片力学模型利用弯曲变形系数 G r 法 , 可得节流阀片在外半 径 r b 处的最大弯曲变形精确解析表达式 4:f r b=G rbq (1式中 , G r b为节流阀片在外半径 r b 处的变形系数 , 它的。 解的各项系数都含有公共因子 p /h 3, 将各项都化 为公共因子 p /h 3的表达式 , 将阀片弹性模量 E 、 内 径 r a 、外径 r b 以及需要计算弯曲变形的位置半径 r , 都归到一个常数项系数。

10、因此 , G r b是由弹性阀片的E 、 材料的泊松比 、 r a 和 r b 所决定的 , 表现了阀片 在单位厚度、 单位载荷下的一种弯曲变形的能力。 根 据弹性阀片的 r a 、 r b 和 , 可以求得节流阀片在外径r b 处变形系数 G r b。由 (1 式可知 , 节流阀片在外径处的最大弯曲变 形量 f r b, 将随着节流阀片所受的压力差的大小而变化 , 即最大挠度随着油气弹簧的相对移动速度而变化。节流阀片最大弯曲变化量随压力的变化曲线如图 3所示。图 3节流阀片最大弯曲变形量随压力变化曲线4油气弹簧的阻尼系数4.1油气悬架的阻尼系数 C S按单自由度振动模型考虑 , 油气悬架阻尼

11、为 5:C S =2n m=4f n m (2式中 , n 、f n 、 分别为悬架系统的圆频率、 固有频率 和最佳阻尼比 ; m 为单轮簧上质量。4.2油气弹簧的阻尼系数 C D根据油气弹簧阻尼功率与悬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 别 为 悬 架 系 统 阻 尼 力 和 速 度 ; F D 、 V D 分别为油气弹簧阻尼力和速度 ; i 为悬架杠杆比。油气弹簧的阻尼系数 C D 为 :C D =C S(35油气弹簧阀片开阀压差5.1油气悬架系统开阀阻尼力假

12、定油气悬架相对运动速度达到 V S (m/s 时节16 2006年第 10期流阀开阀 , 根据油气悬架阻尼力与阻尼系数和速度 之间的关系 , 得油气悬架系统的开阀阻尼力为 :F S =C S V S =4f n mV S(45.2油气弹簧开阀阻尼力根据油气悬架系统的阻尼力 F C , 利用悬架杠杆 比 , 可以求得油气弹簧开阀阻尼力 F D :F D =F =4f mV (55.3油气弹簧阀片开阀压差根据油气弹簧的承压面和所承受的压力 , 可以 得到油气弹簧的开阀压差 q k 为 :q k =F D h =4f n mV D h(6式中 , A h 为承受压差的面积 , 是由缸筒内径和活塞杆直

13、径决定的。6油气弹簧节流阀设计6.1节流阀片厚度设计由图 1可知 , 当油气弹簧的运动速度达到一定的数值时 , 节流阀片所受的压差使其最大弯曲变形 量达到节流阀片厚度 , 油气弹簧开阀。此时的速度和 压力就分别是油气弹簧的开阀速度和开阀压力。为 了实现油气弹簧在给定的速度下开阀 , 节流阀片必 须具有恰当厚度。根据油气弹簧开阀的定义 , 由节流阀片弯曲变 形系数 G r 的计算公式 , 可得f r b=G rbq k=h (7即h=r bk 4! 所以 , 节流阀片设计厚度为h=G rb2h4!(8可知节流阀片厚度与阀片内径、 外径有关 , 与对 车辆所要求的最佳阻尼比有关 , 与油气弹簧缸筒

14、内 径和活塞直径有关 , 并且还与油气悬架杠杆比有关。6.2多片叠加阀片的当量厚度为了保证节流阀片的强度和节流阀片生产的规范化 , 节流阀片通常采用多片叠加阀片。 为了保证叠 加节流阀片与单片阀片具有相同的阻尼力特性 , 必 须保证多片叠加阀片的当量厚度等于设计厚度。当 n 片不同厚度阀片叠加时 , 相当于多根长度 相等而弹性系数不同弹簧的并联 , 因此 , 多片节流阀 片叠加在一起时 , 各个叠加阀片的弯曲变形量是相 等的 , 所承受压力不同 , 但各片所承受压力之和等于 , i 当量厚度为 :h d =h 1+h 2+ +h n3! (9由式 (9 可知 , 为了保证叠加阀片的当量厚度等

15、于原节流阀片的设计厚度 , 必须对叠加节流阀片的 厚度和片数进行设计。6.3环形节流缝隙设计由节流缝隙流量和压力之间的关系以及油液连续性定理得 :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 , 油气弹簧节流缝隙为 :=3t li 2A hb n 3!(11 式中 , l 为缝隙的长度 , 即由厚度为 h i 的 n 片叠加组成的缝隙轴向长度 , l=h 1+h 2+ +h n ; t 为油液动力粘 度 ; 为阀片相对缸筒的偏心率 ; r b 为阀片外半径。6.4叠加节流阀片对节流缝隙设计的影响 例如 ,

16、对于节流阀片的设计厚度为 0.5mm , 在保证当量厚度相等的情况下 , 可以采用多种节流阀 片叠加方案。 不同的叠加方案 , 相应的节流缝隙长度 不同 , 因此 , 原始设计节流缝隙也不同。节流缝隙随 节流缝隙长度 (叠加阀片厚度之和 的变化曲线见图4所示。图 4节流缝隙随不同节流缝隙长度的变化曲线由图 4可知 , 当采用等效厚度等于设计厚度的 叠加阀片时 , 将影响开阀压力 , 因此 , 也影响设计缝 隙的大小。因此 , 对叠加阀片的节流缝隙设计时 , 必 须考虑叠加阀片厚度之和对节流缝隙的影响。7节流缝隙随压力的变化7.1节流缝隙增量与弯曲变形量的关系根据阀片弯曲变形几何关系 , 节流缝

17、隙增量 与阀片最大弯曲变形量 f r b之间的关系为 :=(r b -r a -(r b -r a 2-f rb!(12设 L=r b -r a , 则上式简化为17 汽车技术f r b=! (137.2节流缝隙增量与压力差的关系将节流阀片最大弯曲变形量计算公式 , 代入上式可得 :G r b=q =! 即 2-L +G 2r bq 2=0(14 式 (15 即为节流缝隙增量随压力变化的关系。例如 , 某油气弹簧其原始节流缝隙为 , 则节流 缝 隙 增 量 为 , 总 节 流 缝 隙 t =+。 利 用MATLAB 软件绘制出在不同压力下节流缝隙增量和总节流缝隙随压力的变化曲线 , 如图 5所

18、示。图 5节流缝隙增量和总节流缝隙随压力变化曲线8设计实例与阻力特性试验8.1设计实例对某油气弹簧 , 根据车辆的基本参数和开阀速度 , 对节流阀进行设计。设计方案有两种 , 第一方案 是采用单片节流阀片 , 阀片设计厚度 h=0.5mm , 节 流缝隙 1=0.0726mm ; 第二方案是采用叠加阀片 , 根 据 叠 加 阀 片 等 效 厚 度 原 则 , 采 用 3片 厚 度 为0.35mm 的阀片叠加 , 其等效厚度 h e =0.5048mm , 叠 加阀片厚度之和 h s =3×0.35=1.05mm , 节流缝隙 2=0.0926mm 。8.2试验原理与过程对所设计的油气弹簧 , 根据设计要求对气室充 一定压力的气体 (氮气 , 然后利用全自动振动试验 台 , 通过控制柜和液压泵站 , 控制液压动作器对油气 弹簧施加一定幅值和频率振动激励 , 对油气弹簧进 行阻力特性试验。加载频率和加载幅值是根据油气 弹簧试验测试最大速度来确定的 , 而加载信号可以 是正弦信号 , 也可以是随机路谱信号。 本次试验由于 是对阻力特性进行测试 , 因此 , 施加正弦谐波信号。 测试过程中 , 利用拉、 压力传感器和位移传感器 , 测 量油气弹簧的位移和拉、 压力 , 然后利用 A/D 采集 卡对测试信号进