双筒液压减振器设计与分析

JIUJIANG UNIVERSITY毕 业 设 计 题 目 双筒液压减振器设计与分析 英文题目 Design and Analysis of the Hydraulic Shock Absorb Cylinder 院 系 机械与材料工程学院 专 业 车辆工程 姓 名 于志国 年 级 2010（机 A1031） 指导教师 肖静 二零一四年 六 月 摘 要本文主要对双筒液压减振器进行设计，一共有五章进行设计分析。第一章为绪论，主要是对减振器的介绍，其中包括选题背景目的、减振器发展史、未来发张趋势等几个方面。第二章主要介绍的是减震器的工作原理。第三章是本文的一个重点部分，主要是对液压减振器的设计计算包括工作缸直径、活塞杆的设计、活塞的设计、阀系的选取与计算等。第四章主要是通过 proe 软件对双筒液压减振器进行三维造型以及装配。第五章主要是通过 ANSYS 软件对液压减震器的活塞杆进行应力分析、变性分析等。最后是得到的结论以及参考文献等。【关键词】液压；减振器；双筒；ANSYS ；proeIAbstractThis paper mainly carries on the design to the double cylinder hydraulic shock absorber, a total of five chapters of analysis and design. The first chapter is the introduction, mainly on the shock absorber is introduced, including the background, purpose, shock absorber, the future development trend of the history of the development of several aspects such as. The second chapter mainly introduces the principle of shock absorber. The third chapter is a key part of this paper, is mainly to the hydraulic shock absorber design including the work cylinder, piston rod diameter design, design of piston, valve selection and calculation. The fourth chapter mainly through the proe software for 3D modeling and assembly of double cylinder hydraulic shock absorber. The fifth chapter is the analysis of stress variation analysis by ANSYS software, such as the piston rod of the hydraulic shock absorber. Finally is the conclusions and references.【Keywords】 hydraulic double cylinder; damper; damping;ANSYS；proeII目 录前言1第一章 绪论3 1.1 减振器概述31.2 减振器原理的工作原理31.3 本章小结4第二章 双筒式液压减振器的设计5 2.1 双筒式液压减振器的设计参数52.2 双筒液压减振器的外特性5 2.3 双筒式减振器参数和尺寸的确III定52.3.1 悬架弹性特性的选择52.3.2 双筒式减振器相对阻尼系数的确定62.3.3 双筒式减振器阻尼系数的确定82.3.4 最大卸荷力的确定92.3.5 减振器工作缸直径 D 的确定92.3.6 双筒式减振器活塞行程的确定102.3.7 减振器活塞杆设计11 2.3.8 导向器和活塞宽度的设计计算122.3.9 减振器油的选择132.3.10 液压缸结构设计IV132.3.11 活塞环设计14 2.3.12 减振器阀系选取与设计 142.4 本章小结19第三章 双筒液压减震器的三维造型203.1 运用 pro/e 对双筒和液压减振器的主要零件进行绘制203.1.1 工作缸的三维造型203.1.2 活塞组件的绘制213.1.3 活塞杆的三维造型263.1.4 底座阀系三维造型273.1.5 减振器整体三维造型V293.2 本章小结42第四章 基于 ANSYS 活塞杆应力的有限元分析434.1 启动 ANSYS Workbench 并建立分析项目434.2 创建几何模型434.3 添加材料属性434.4 划分网格434.5 施加载荷和约束434.6 结果后处理444.7 保存与退出444.8 本章小结47VI结 论48参考文献49致 谢510前 言机车车辆减振器是机车车辆行走部件的关键部件，可以迅速减弱由路面传给车身的振动，以此来提高行驶的平顺性;可以使司和乘坐人员减少疲劳感，货物不易损坏，提高驾驶员乘座舒适性; 可以改善轮胎接地性，抑制高速行驶时轮胎跳动，提高了驾驶安全性;随着社会的发展，汽车逐渐走进千家万户，私家车的普及也已经成为一个必然的趋势。公安部提供的数据显示，截至去年底，我国汽车保有量达 1.37 亿辆。人们对汽车的舒适性、安全性、实用性要求也越来越高。汽车而减振器对汽车的舒适性祈祷决定性的作用。因此研究减振器的目的就是解决这一问题，提高汽车的舒适性、安全性，满足人们的需求。12第 1 章 绪 论1.1 减振器概述减振器作为车辆行走的关键部分能迅速减小从地面传递到车身的震动。以此来提高汽车行驶的平顺性以及驾驶员和乘客的舒适性。而随着社会的快速发展，人们对汽车乘坐的舒适性、安全性等要求也越来越高。研究减振器就是为了解决人们这一需求。1908 年法国人研究出第一个液压减振器。20 世纪 30 年代，摇臂式减震器得到迅猛发展，最终由于缺点过多而被淘汰。到了 20 世纪 50 年代出此案了充气式减振器。现如今，机动车上使用最多的是充气式减振器和液压式减振器。双筒液压减振器包含四个阀，分别是压缩阀、补偿阀、流通阀和伸张阀。液压减振器按缸筒个数分可分为单通液压减振器和双筒液压减振器；按作用方式分可分为单作用式减振器和双作用式减振器。液压减振器主要有寿命长、质量轻、成本低、工艺简单等几个方面的优点。本文研究的主要方法为通过 pro/e 和 Ansys 软件的辅助，设计一种用于城市小型车并且符合技术要求，具有良好经济性与实用性的双筒液压式减振器。通过大量的社会实调查研究和图书馆查阅资料，设计计算以及老师的指导下，按照任务书的要求最终完成设计工作。设计的主要内容包括（1）液压减振器的工作原理（2) 双筒式液压减振器的设计（包括减振器特性、各项参数以及尺寸等）（3）液压减振器三维造型（4）运用 Ansys 分析活塞杆应力四个方面。1.2 双筒液压振器的工作原理 筒式液压减振器中包含四个阀，分别为复原阀、压缩阀、补偿阀和流通阀，其工作原理如图 1-1 所示。当振动达到一定之式压缩阀和流通阀打开，此时处于压缩行程。下腔的油液经流通阀流入上腔。上腔因为活塞杆占去了一部分的体积，所以会有剩余的油液经压缩阀流入工作缸与外缸之间的缝隙。从而达到减小传递到车身的震动的作用。当减震器处于伸张行程时，伸张阀和补偿阀开启，上腔的油液经伸张阀流3进下腔，同样由于流入上腔的油液流回下腔时油液不够，所以在工作缸和外港之间的油液就经补偿阀流回下腔。图 1-1 双筒液压减振器原理图1.活塞杆 2.上腔 3.流通阀 4.伸张阀 5.外缸 6.压缩阀 7.补偿阀 8.活塞 9.工作缸 10.防尘罩 11.导向座1.3 本章小结本章主要对减振器的一些发展史、原理、类型等方面做一个简单的介绍，以方便加深对减振器的了解。为下面的工作做铺垫。4第二章 双筒式液压减振器设计2.1 双筒式液压减振器的设计参数筒式减振器设计中涉及的参数较多，大致可以分为如下几类：（1）整车参数包括车辆全重、悬置质量、车辆纵向的转动惯量、车辆悬架刚度、减振器个数等。（2）几何布置参数包括减振器的位置、弹性元件位置、安装杠杆角度等。（3）减振器结构参数包括减振器长度、减振器活塞直径、活塞杆直径、阀孔位置、阀孔个数、阀孔直径、减振器筒径、工作缸直径与长度、储液筒直径与长度等。（4）减振器工作参数包括减振器的工作长度、限压阀阀门弹簧的刚度、弹簧预紧压缩量、阀门附加最大行程、活塞行程、活塞最大线速度、开阀压力、减振器阻尼系数等。2.2 双筒液压减振器的外特性减振器的外特性，是指减振器伴随（相对）运动的位移或（相对）运动的速度，与相应产生的工作阻力之间的关系，通常我们分别称之为示功特性和速度特性。外特性能良好的匹配悬架的性能需要，就能获得良好的振动特性。设计的减振器在实际使用中，其外特性必须保证良好的相对稳定性。图 2-1、2-2分别表示示功特性和速度特性。图 2-1 阻力位移特性曲线 图 2-2 阻力速度特性曲线2.3 双筒式减振器参数和尺寸的确定2.3.1 悬架弹性特性的选择5在前轮或者是后轮上，把前后轮接地点垂直方向的载荷变化和轮心在垂直方向位置变化量关系称为悬架系统的弹性特性。如图 3-1 所示，在任意载荷状态下，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。图 2-3 悬架弹性特性设悬架刚度为 k，簧上质量 m，则根据下式可求系统的固有震动频率 f（2-1）kf21簧上质量按整备质量算 g5.896043车轮上下跳动行程的一般范围是：上跳行程 70120mm，下跳动行程80120mm。悬架垂直刚度随车辆参数而不同，换算成系统固有振动频率为12Hz。由于我设计的是轿车减振器，主要是用于城市一些比较好的路面上。所以，轿车在行驶时路面激起振动频率会相对比较高。所以取减振器系统固有频 f=1.5Hz。而 m=896.5kg 可求出 k=8068.5 22.3.2 双筒式减振器相对阻尼系数的确定 由于本文设计的对象是城市小型车，故选择北京现代 BH7181MW 的参数作为研究对象，如图表 2-1 所示6表 2-1 北京现代 BH711MW 参数车型 北京现代 BH7181MW长宽 高（mm） 474718201440轴数（个） 2前悬/后悬（mm） 952/1095前轮距/后轮距（mm） 1540/1530轴距（mm） 2700总质量（kg） 1875整备质量（kg） 1435额定承载人数（人） 5发动机型号 G4GB排量（ml） 1795发动机功率（kw） 96最高车速（km/h） 181轮胎规格 205/65R15，205/60R16（1）相对阻尼系数 通常根据汽车的平顺性、操纵性和稳定性的要求确定减振器阻力特性。上图 3-2 阻力速度特性曲线具有如下特点：阻力速度特性由四段接近直线的线段组成，其中伸张形成和压缩行程的阻力速度特性各占两段；各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数 =F/v，所以减振器有四个阻尼系数。在没有特别指明时。减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数而言。汽车悬架有阻尼后，弹簧头振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数 的大小来评定振动衰减的快慢程度。 的表达式是=/(2 ) (2-2)2cms式中：C 为悬架系统刚度为弹簧上质量s 为阻尼系数上式表明，相对系数 的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度 c7和不同簧上质量 ms 的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。 值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身； 值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数 取的小些，伸张行程的相对阻尼系数y取得大些。两者之间保持 (0.25 0.50) = 的关系s s y设计时，先选取 与 的平均值 。相对无摩擦的弹性元件悬架，取ys=0.250.35；对有内摩擦的弹性元件悬架， 值取的小些。为避免悬架碰撞车架取 =0.5ys取 =0.3，则有 =0.325.0ss经计算得，伸张相对阻尼系数 =0.4s压缩相对阻尼系数 =0.2y2.3.3 减振器阻尼系数 的确定减振器阻尼系数 =2 。因悬架系统固有振动频率 = ，2cms msc/所以理论上 =2 。实际上，应该根据减振器的布置特点确定减振器的s阻尼系数。例如，当减振器如图（2-3)/(2-4)/(2-5)三种方式安装时，计算方法分别不同，而我选择的是第二种安装方式并取 =30.悬架系统固有振动频率的值在 1.001.45 之间，取为 1.3。图2-4 图2-5 图2-6则阻尼系数（2-ms2co23）8由公式 （2-mcn214）式中：n 为悬架系统固有振动频率得 =21.3=2.6 (2-5)n2以整备质量计算有 kgms 5.896017代入数据得减振器阻尼系数=20.3896.52.6 =1864.7 (2-6)s2co2 342.3.4 最大卸荷力的确定为减少传到车身的冲击力，当减震器活塞震动达到一定值时，减震器的卸荷阀便被打开，减振器不再提供阻尼力，以限制减振器所提供的最大阻尼力。此时活塞速度称为卸荷速度，即(2-7)iAvxcos式中：A 为车身振幅，取 ；m40为卸荷速度取 0.150.3m/s 之间；vx为悬架系统固有频率，带入数据可得；=0.042.6 =0.28m/s 符合要求。iAxcos123已知伸张行程阻尼系数，则最大卸荷力为：F= =1864.7 0.28=1639.44Nvx2.3.5 减振器工作缸直径 D 的确定（1）根据伸张是最大载荷力计算，则减振器工作缸内直径值设计为9D= (2-8)1(2max4dPF其中： 为最大卸荷力Fdmax为工作缸筒最大允许的压力P为连杆直径与缸筒直径之比d式中 一般取34MPa 为减振器活塞杆直径 与缸筒内径 的比值，d dgDh一般取030035。减振器的工作缸直径 D 根据 QC T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件中表2-2标准选取表 2-2 工作缸直径工作缸直径 D（mm）20 30 40 （45） 50 65D= = =2837mm (2-9)1(2max4dPF)12.09.()43(5*所以工作缸内直径选择 30mm，长度要大于活塞行程长度，这里取 160mm。（2）减振器外缸筒即储油缸，其直径一般为 =1.351.50D；所以设计外dc缸筒直径为 =40.545mm，故取 =40mm。外缸筒长度应略大于内筒，这c c里取 200mm。减振器外缸筒壁厚一般取 2.02.5mm，这里取 2.5mm，并材料选择 20 号钢。3.3.6 双筒式液压减振器活塞行程及最大拉伸和最小压缩长度的确定活塞行程即活塞从最上面的点到最下面的点的距离，用 S 表示 根据 QC T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件 中表2-3标准选取S=150mm。10表2-3 活塞行程与工作缸直径工作缸直径 D 活塞行程130 140 16020 - -150- -30 - - - -40 - - - -（45） - - -50 - -65 -根据 QC T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件 中表 2-4 选取 HH 型，基长 =120mml1表 2-4 基长与储液桶直径选取基长（mm）工作缸直径D（mm）l1（HH 型）l2（CG 型）l3（HG 型）储液桶最大外径（mmD1）防尘罩最大外径（mm2）20 90 70 80 34 4030 120 86 103 48 5640 65 75（45）160 120 14070 8050 190 120 155 80 90则最大拉伸长度 = =150+240=390mmlmaxs12最小压缩长度 =150+120=270mmin工作缸长度要大于活塞行程，所以取 L=160mm11储油缸长度应大于工作缸，所以取 L=170mm2.3.7 减振器活塞杆设计（1）活塞杆直径 d 设计减振器活塞杆直径 d 影响减振器的特性，特别是影响减振器压缩行程的特性。同时，减振器活塞杆直径 d 的大小，还影响减振器的应力强度。减振器活塞杆如图 3-7 所示。图2-7 活塞杆根据 (2-10)Ddhdg其中： 为活塞杆直径dg为活塞直径与钢桶内径之比为钢桶内经Dh一般 取 0.300.35 这里取 0.35，代入数据得d=10.5mmdg所以 =10.5mm，材料 45 号钢。g（2）活塞杆长度 L 设计由于活塞杆长度要比活塞行程大，这里取 180mm2.3.8 导向器和活塞宽度的设计计算减振器导向器总成是由导向器体、导向衬套和油封和密封圈组成的所示。减振器导向器主要起减振器活塞杆导向和密封的作用。导向器由于需要与减振器内、外缸简配合并密封，因此，导向器端部都分别设计加工有与内、外缸简过渡配合的部分，如图 2-8 所示。配合部分要求加工精度高因此，与内、外缸筒配合部位应进行磨削加工。活塞宽度 B，一般为 B=（0.61.0)D，导向座 L，这里取 0.9，根据液压缸直径 D 可知12B=0.930=27mm图 2-8 活塞L=0.827=21.6mm故导向座长度 L=21.6mm，活塞宽度 L=27mm材料选取 45 号钢。导向器衬套选取 C1020 铜合金钢。油封材料采用丁腈橡胶，连接方式采取粘结方式。2.3.9 减振器油的选择液压油既是液压传动与控制系统的丁作介质，又是各种液压元件的润滑剂，因此液压油的性能会直接影响液压系统的功能，如工作可靠性、灵敏性、稳定性、系统效率和零件寿命等。选用液压油时应满足粘度适宜和粘温特性好，润滑性能好，稳定性能好，消泡性好，凝固点低，闪点高，杂质要少等要求。根据上述要求选择上海海联润滑材料科技有限公司生产的 HIRI 281 系列减振器油。2.3.10 液压缸盖结构设计液压缸一般采用平地缸盖，根据下面公式可算出缸盖厚度 T(2-11)(43.0dDPT式中：T 表示缸盖厚度D 表示缸盖止口内径 表示材料许用应力13d 表示缸盖孔直径P 表示试验压力这里 D=40mm d=8.1mm P 取 4.5 =75.2，经计算得106T0.0051m故取 T=5.5mm采用 45 号钢 表面阳极氧化处理。2.3.11 活塞环设计活塞环主要起密封作用，防止油液从高压腔泄漏到低压腔，减小内泄露，以保证阻尼效果。本设计材料选择尼龙 1010，表面粗糙度 R0.8，直径d=30mm。2.3.12 减振器阀系选取与设计(1) 阀系总成中的关键结构参数（参照 SCANIA 活塞阀系进行选取)节流片和调节片最大外径 Ra=12.5mm，内径 Rc=6mm；节流片厚度 h1=0.1mm；开阀前节流片与活塞阀体形成的长窄缝节流缝隙的流到长度 L=0.5mm；阀体内外环台高度差 1=0.1mm；限位片内径 Rxb=6mm，外径 Rb=7.5mm；活塞杆螺纹联接部分的直径 d1=5mm；活塞杆横截面积 Ag=50.2mm2；活塞缸内部空间的横截面积 Ah=706.5mm2；（2）节流阀片参数的确定vg=0.05m/s 时流经活塞阀系的油液流量为3.22 (2-12)(AghgQ1050.05m/s 时，减振器的复原阻尼力值 Fr=517，则此时活塞阀系的节流压差可认为是 根据给定油液参数可确定25时油液粘度为0.0224 kgm-1s，油液密度=832kgm-3。给定此节流孔系数的初始值为 K=0.4。可知道长窄缝的径向间隙14C=0.1mm。下面根据给定的 0.05m/s 时减振器复原行程阻尼力值确定槽口的过流面积 Ac。合理的叠加阀片式的阀系结构，在开阀前节流孔节流作用对减振器阻尼力值的影响非常小，这样有利于减振器开阀前性能的调试，所以可以认为活塞杆运动速度为 0.05m/s 时活塞阀系的节流压差全部由节流阀片与活塞阀系形成的长窄缝节流缝隙产生。则(2-13)/2pgKQAc 10753.6m3节流片槽口的个数 n1=4，则流到的宽度为m (2-14) 317.CBc流道内油液的雷诺数为(2-15)5.29)(Re1BugQn根据 Re 和 C/L 重新确定 K 值，得到 K=0.32；将 K 值重新代入上面的公式计算得到，mABc 3370.1,1.8 4.29Re根据 Re 和 C/L 重新确定 K 值，得到 K=0.29；将 K 值重新代入上面的公式计算得到， ，Re=21.7c3697.039.1（3）节流片与调节片等效厚度的确定vg=0.1m/s 时流经活塞的油液流量为(2-16)(AVghgQsm/58.35根据给定的复原阻力速度曲线，可认为 0.1m/s 是开阀速度点。开阀点的阀系节流阻尼可以认为是节流片形成的长窄缝的节流作用产生的。给定此节流孔系数的初始值为 K=0.4。忽略节流孔节流作用的影响，则活塞阀系的节流压差为151.05 (2-17)ApgKQ2paM根据 Re 和 C/L 重新确定 K 值，得到 K=0.41，因此迭代计算不需要继续进行。则可认为 0.1m/s 时减振器的阻尼力为(2-18)NpFghr 960)(2在开阀点可认为叠加阀片在油液均布载荷的作用下，外径 Ra 处的最大挠度变形为 1。叠加阀片简化模型见图 2-8。图 2-9 阀片支承与载荷特性在均布载荷 p2作用下(2-19) 22d11dpfrrD求解上式可得挠度的通解表达式为(2-20) 22p1 34abb1ln()ln()rrrfBBRR式中： fp为微分方程的特解， ， B1B4 为由边界条件决定的常42p6rfD数。方程的边界条件为在 r=Rb处（2-21 ） 0dfr在 r=Ra处16(2-22) 2132d0dvffrfr根据以上边界条件确定积分常数为， ， ， （2-4a21RpBGD4a223RpB4a21RpBGD4a2RpB23）其中， ， (2-24)2221b1ba1ba1 1(3)()/)4()ln/6(v vRv， ， 。 (2-25)22bb21aa()6RGG2b3a8 4ab42al6RG可求得阀片的最大挠度为(2-26)4222aaamax314bbln6pRfDR 阀片的弯曲刚度： (2-27)e21Ehv其中， E 为阀片的弹性模量， he为阀片的厚度。则令24221aaamax 3143ebbln6pRRf GGh (2-28)24221aaat1 314bblGE则(2-29) 2maxt13epfGh易知 (2-30)mtg 043128.由此可以确定叠加阀片的等效厚度为 0.39mm。在选取阀片时参照下式进行17选取(2-31)33321nehh（4）节流孔参数的确定开阀后各个速度点下叠加阀片的节流压差可以根据下式进行求解(2-32)0/2)(1321 gRKQhpGbahet式中 Kh 为环形缝隙的节流系数，其确定方法参照长窄缝节流缝隙节流系数的确定方法。通过计算可以确定 0.3m/s 时叠加阀片产生的阻尼力Fr=1450N0.6m/s 时叠加阀片产生的阻尼力Fr=11670N1m/s 时叠加阀片产生的阻尼力Fr=1860N活塞节流孔的节流压差与油液流量之间的关系为(2-33)kqpACQ2Cq 为流量系数，C q=0.82。由此可以确定节流孔总的过流面积的计算公式为(2-34)kqpCQA2根据给定的 0.3m/s,0.6m/s 和 1m/s 时减振器的阻尼力值和计算得到叠加阀片节流阻尼力值，可以得到 0.3m/s 时18paM15.00.6m/s 时 ak.1m/s 时 pakM1.2根据各个速度点下的节流压差得到的节流孔总的过流面积分别为， ，mAq2510.qA26204.mq25308.为减小误差取（2-35）qq 2532118.02.4 小结本章主要对减振器阻尼系数的确定以及总体结构各部件的大小尺寸、材料的选取、减振器油液的确定等进行设计。至此本篇设计结束。19第三章 双筒液压减震器的三维造型3.1 运用 pro/e 对双筒和液压减振器的主要零件进行绘制3.1.1 工作缸的三维造型单击 新建一个零件 进入绘图工作面，选择 front 为基准面。单击 进入草绘界面。在操作平面花两个同心圆，并单击完成按钮 ，如下图所示。图 3-1 工作缸草绘图20单击拉伸工具 输入深度值并单击完成按钮。图 3-2 工作缸三维效果图3.1.2 活塞组件的绘制活塞的三维造型单击草绘 进入工作界面画出下图。单击确认 。图 3-3 活塞草绘单击旋转 得到下图21图 3-4 活塞三维造型进入草绘平面会出下图图 3-5 长通流通空单击确认。用阵列功能 画出下图