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摘 要
為改善輪椅在運(yùn)行時(shí)受到來(lái)自路面的高頻激振，懸架中與彈性元件并聯(lián)安裝液壓減振器，其工作原理是當(dāng)輪椅和車輪間受振動(dòng)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的活塞上下移動(dòng)，減振器腔內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個(gè)腔經(jīng)過(guò)不同的孔隙流入另一個(gè)腔內(nèi)。此時(shí)孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內(nèi)摩擦對(duì)振動(dòng)形成阻尼力，使輪椅振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為油液熱能，再由減振器吸收散發(fā)到大氣中。在油液通道截面和等因素不變時(shí)，阻尼力隨輪椅與車輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增減，并與油液粘度有關(guān)。
發(fā)展到今天減振器的結(jié)構(gòu)有了很大的改變，性能也有了極大的提高。通過(guò)對(duì)減振器的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)的深入了解，明確了設(shè)計(jì)該型減振器的重要性和意義，并設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于輪椅懸架的雙筒油壓減振器。本文研究的主要問(wèn)題如下：
（1）對(duì)雙筒式油壓減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定減振器的類型、布置形式、安裝角度和選用數(shù)量，這是進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
（2）對(duì)雙筒式油壓減震器的尺寸設(shè)計(jì)，尺寸設(shè)計(jì)的過(guò)程主要包括相對(duì)阻尼系數(shù)以及最大卸荷力的確定，減振器工作缸、活塞、活塞桿、閥系以及相關(guān)零部件的尺寸計(jì)算。
（3）完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與尺寸設(shè)計(jì)后應(yīng)對(duì)減振器的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核，校核的結(jié)果應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
（4）對(duì)雙筒油壓減震器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這主要是連接件的比較和焊接工藝的優(yōu)化。
本文的研究成果對(duì)減振器的進(jìn)一步研究有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義，本文提出的優(yōu)化方案為實(shí)際的生產(chǎn)制造提供一定的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：油壓式； 減振器； 優(yōu)化；阻尼系數(shù)；工作缸
ABSTRACT
Improve wheelchair in motion by the high-frequency excitation from the road; it has a big change in the structure of the shock absorber until now. The performance also had big enhancement. Through the deep understanding of the history and tendency of the shock absorber, we make clear the importance and significance of the designing of the shock absorber, and design a kind of shock absorber which is applied to the suspension of the compact car. The main problems discussed in this paper are as follows:
（1）The design to the structure of the gasification type shock absorber. It mainly determines the types of the shock absorber, layouts, the angle of installing and the quantity of selecting, these are the foundation of the designing of the sizes.
（2）The design to the size of the gasification type shock absorber. It includes relative damping coefficient, the determination of the biggest discharge strength, and the computing of the sizes of work cylinder, piston, connecting rod, valve and related spare parts.
（3）After completing the structural design and the designing of the sizes, the shock absorber intensity and the stability should be checked, the results should conform to the country related technical standards.
（4）The optimization design to the structure of the gasification type shock absorber, which mainly concludes the comparison of connected pieces and optimization of the welding process.
In this paper, the results of research has important theoretical and practical significance on the shock absorber’s further study, the optimal scheme which put forward in this paper has provided the certain theoretical basis for the manufacturing of the reality production.
Key words: Type；Shock Absorber；Optimization；Damping Factor；Work Cylinder
IV
目 錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
第1章 緒論 1
1.1 選題的目的和意義 1
1.2 減振器的發(fā)展歷史 1
1.3雙筒式減振器國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì) 2
1.4 研究的主要內(nèi)容及方法 4
第2章 減振器的類型和工作原理 5
2.1 減振器的類型 5
2.2 減振器的工作原理 5
2.3 雙筒式液壓減振器的工作原理及優(yōu)點(diǎn) 6
2.4 本章小結(jié) 7
第3章 輪椅減振器示功特性分析 8
3.1 建立模型 8
3.1.1輪椅減震器的動(dòng)力學(xué)模型 8
3.1.2輪椅減震器示功圖測(cè)試模型 8
3.2 輪椅減震器示功圖 9
3.2.1簡(jiǎn)化測(cè)試模型的示功圖 9
3.2.2實(shí)測(cè)示功圖分析 9
第4章 雙筒式液壓減振器的設(shè)計(jì) 12
4.1 雙筒式液壓減振器的設(shè)計(jì)參數(shù) 12
4.2雙筒式減振器參數(shù)和尺寸的確定 12
4.2.1液壓器工作缸直徑D的確定 12
4.2.2雙筒式減震器活塞行程的確定 13
4.2.3液壓缸壁厚、缸蓋、活塞桿和最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的計(jì)算 14
4.2.4液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.2.5活塞及閥系的尺寸計(jì)算 22
4.2.6密封元件和工作油液的確定 25
4.2.7液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.3 本章小結(jié) 27
第5章 雙筒液壓減振器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 28
5.1雙筒液壓減振器連接件的優(yōu)化 28
5.2 雙筒液壓振器焊接方法的優(yōu)化 30
5.3 本章小結(jié) 31
結(jié) 論 32
致 謝 33
參考文獻(xiàn) 34
第1章 緒 論
1.1 選題的目的和意義
輪椅是病人康復(fù)的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)。普通輪椅一般由輪椅架、車輪、剎車裝置及座靠四部分組成。
許多行動(dòng)不便者在解決移動(dòng)能力障礙時(shí)，最直接使用的工具便是輪椅。根據(jù)我國(guó)統(tǒng)計(jì)部門統(tǒng)計(jì)，截止到2006年4月1號(hào)，全國(guó)現(xiàn)有各類殘疾人總數(shù)約8296萬(wàn)人，占總?cè)丝跀?shù)的比例為6.34%，而屬于肢體殘疾的占總殘疾人數(shù)的比例為29.07%，人數(shù)達(dá)到2412萬(wàn)。與1987年第一次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，肢體殘疾人數(shù)略有所增加。2005年底，中國(guó)60歲以上老年人口1.44億，占總?cè)丝诘谋壤_(dá)11%?，F(xiàn)在我國(guó)60歲以上老年人口每年以3%的速度遞增。在60歲以上的老年人口中，有相當(dāng)一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治療和康復(fù)過(guò)程中，都需要借助使用輪椅。這對(duì)于家庭生計(jì)、社會(huì)成本與國(guó)家經(jīng)濟(jì)均會(huì)造成嚴(yán)重的影響，不可輕視。對(duì)于青壯年的肢體障礙患者而言，輪椅可使他們重新返回職場(chǎng)，以改善家庭生計(jì)和降低社會(huì)負(fù)擔(dān)；對(duì)于行動(dòng)不便的高齡老人或出現(xiàn)重度神經(jīng)肌肉萎縮的患者而言，輪椅是他們走出戶外的最佳輔具，不但能改善他（她）們的精神生活，而且在心靈層面上更得到慰藉。
隨著我國(guó)人口老齡化速度越來(lái)越快。老人因疾病或衰老，需要輪椅來(lái)輔助行走。但是目前城市人行道上都鋪設(shè)了各種尺寸的地磚，加上凹凸不平的盲道，使得輪椅在行駛時(shí)受到來(lái)自路面的高頻激振，嚴(yán)重影響乘坐的舒適性。所以，需要一種研究針對(duì)人行道路面激勵(lì)的減振裝置。而根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，老人和殘疾人的收入相對(duì)較低，所以輪椅減振機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要盡可能地簡(jiǎn)單，以使輪椅的價(jià)格便宜。
1.2 減振器的發(fā)展歷史
世界上第一個(gè)有記載、比較簡(jiǎn)單的減振器是1897年由兩個(gè)姓吉明的人發(fā)明的。他們把橡膠塊與葉片彈簧的端部相連，當(dāng)懸架被完全壓縮時(shí)，橡膠減振塊就碰到連接在汽車大梁上的一個(gè)螺栓，產(chǎn)生止動(dòng)。這種減振器在很多現(xiàn)代汽車懸架上仍有使用，但其減振效果很小。
1898年，第一個(gè)實(shí)用的減振器由一法國(guó)人特魯芬特研制成功并被安裝到摩托賽車上。該車的前叉懸置于彈簧上，同時(shí)與一個(gè)摩擦阻尼件相連，以防止摩托車的振顫。減振器的結(jié)構(gòu)發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾種發(fā)展形式：
加布里埃爾減振器，它是由固定在汽車大梁上的罩殼和裝在其里面的渦旋形鋼帶組成，鋼帶通過(guò)一個(gè)彈簧保持其張力，鋼帶的外端與車橋軸端連接，以限制由振動(dòng)引起的彈跳量。
平衡彈簧式減振器，這是加到葉片彈簧上的一種輔助螺旋彈簧。由于每一個(gè)彈簧都有不同的諧振頻率，它們趨向于抵消各自的振顫，但同時(shí)也增大了懸架的剛性，所以很快就停止了使用。
空氣彈簧減振器，空氣彈簧不僅兼有彈簧和吸振的作用，而且常?？墒∪ソ饘?gòu)椈?。第一個(gè)空氣彈簧減振器是1909年由英國(guó)考溫汽車工廠研制成功的。它是一個(gè)圓柱形的空氣筒，利用打氣筒可以把空氣經(jīng)外殼上部的氣閥注滿空氣筒，空氣筒的下半部分容納一個(gè)由橡膠和簾布制成的膜片。因?yàn)樗豢諝馑鼑?，所以其工作原理與充氣輪胎相似，它的主要缺點(diǎn)是常常泄漏空氣。
液壓減振器，第一個(gè)實(shí)用的液壓減振器是1908年由法國(guó)人霍迪立設(shè)計(jì)的。液壓減振器的原理是迫使液流通過(guò)小孔產(chǎn)生阻尼作用。通常的筒式減振器是由一個(gè)與汽車底盤固定的帶有節(jié)流小孔的活塞和一個(gè)與懸架或車橋固定的圓柱形貯液筒組成。門羅在1933年為赫德森制造的汽車裝用了第一個(gè)采用原始液壓減振器的汽車。到了二十世紀(jì)三十年代末，雙作用減振器在美國(guó)生產(chǎn)的汽車上被普遍采用。到了二十世紀(jì)六十年代，歐洲采用的杠桿式液壓減振器占了優(yōu)勢(shì)，這種減振器與哈德福特的摩擦式減振原理相似，但使用的是液流而不是摩擦緩沖襯墊。
麥弗遜支柱式減振器，隨著前輪驅(qū)動(dòng)汽車的出現(xiàn)，二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，制造商開(kāi)始采用麥弗遜式減振器。這種減振器是二十世紀(jì)六十年代通用公司麥弗遜工程師研制成功的。他把螺旋彈簧、液壓減振器和上懸架臂桿組成一個(gè)緊湊的部件。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，適合前輪驅(qū)動(dòng)汽車，可在與變速器組成一體的驅(qū)動(dòng)橋上應(yīng)用。另外，有一種電子控制減振器，能根據(jù)道路狀況、車速和驅(qū)動(dòng)形式自動(dòng)調(diào)節(jié)懸架軟、中、硬三種剛度。該減振器通過(guò)在汽車保險(xiǎn)杠下方裝有一個(gè)帶聲納的測(cè)量部件監(jiān)測(cè)路面狀況，把測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入處理單元，然后調(diào)節(jié)減振器中的按鍵，以改變液流通道的尺寸。
充氣式減振器是二十世紀(jì)六七十年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型減振器。充氣式減振器的特殊結(jié)構(gòu)和充氣參數(shù)，可以大大地降低噪音，并有利于保證活塞高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼特征，同時(shí)減振器上的減振支柱實(shí)質(zhì)上屬于雙筒結(jié)構(gòu)，它除了阻尼減振還有如下附加功能：他和控制臂一起對(duì)車輪進(jìn)行導(dǎo)向。
1.3雙筒式減振器國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)
目前國(guó)內(nèi)汽車減振器大部分是筒式液阻減振器，其阻尼力主要通過(guò)油液流經(jīng)空隙的節(jié)流作用產(chǎn)生。減振器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也由基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加實(shí)驗(yàn)修整的傳統(tǒng)方法向基于CAD/CAE技術(shù)的現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)了液壓減振器技術(shù)，在雙筒式減振器內(nèi)充入油液（0.3～0.5MPa）減振器的臨界工作速度相應(yīng)提高，后來(lái)又發(fā)展了雙筒式減振器，它采用活塞閥體與底閥相配合的結(jié)構(gòu)，在浮動(dòng)活塞在缸筒間的一端形成的補(bǔ)償室內(nèi)充入一定量的高壓氣體（2.0～2.5MPa）氮?dú)?。與雙筒式減振器比，單筒充氣式減振器質(zhì)量顯著減輕，安裝角度不受限制，但其制造精度要求和成本較高。
據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)雙筒液阻減振器配套產(chǎn)能有過(guò)剩趨勢(shì)，生產(chǎn)高檔次減振器的不多。單筒充氣式減振器國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家正在消化吸收設(shè)計(jì)技術(shù)和提高制造工藝技術(shù)階段，產(chǎn)品質(zhì)量還沒(méi)很過(guò)關(guān)。對(duì)于充氣式減振器的研究也主要集中在單缸充氣式汽車減振器方面。在郭孔輝院士的領(lǐng)導(dǎo)下，長(zhǎng)春汽車研究所作了大量的試驗(yàn)工作，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。但由于橡膠的壽命不過(guò)關(guān)及設(shè)計(jì)、制造等多方面因素的影響，一直沒(méi)有形成比較成熟的技術(shù)。近幾年，由于高速公路的迅速發(fā)展，對(duì)舒適性的要求也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)對(duì)充氣式減振器研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作又重新重視起來(lái)。哈爾濱鐵路局減速預(yù)調(diào)速研究中心和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的高起波、曾祥榮兩位老師對(duì)充氣式減振器性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)；天津大學(xué)的馬國(guó)清、王樹(shù)新、卞學(xué)良等對(duì)充氣式減振器建立數(shù)學(xué)模型，建立計(jì)算機(jī)仿真程序，利用該程序可以得到參數(shù)變化對(duì)減振器性能的影響趨勢(shì)，取得一些較好的研究成果。后勤工程學(xué)院的晏華等設(shè)計(jì)的充氣式電流變減振器設(shè)計(jì)比較先進(jìn)。有些廠家也投入人力物力對(duì)充氣式減振器關(guān)鍵部件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如浙江瑞安東歐汽車零部件廠、貴州前進(jìn)橡膠有限公司、寧波美亞達(dá)金屬塑料有限公司等，并具有了一定的生產(chǎn)規(guī)模。
國(guó)外工程機(jī)械主要配套件大多數(shù)都生產(chǎn)歷史悠久，技術(shù)成熟、供應(yīng)充足、生產(chǎn)集中度高、品牌效應(yīng)突出。目前世界上生產(chǎn)減振器最大的企業(yè)，美國(guó)天納克（TA）汽車工業(yè)公司是世界最著名的減振器生產(chǎn)商，也是目前全球最大的專業(yè)生產(chǎn)減振器的廠家，其生產(chǎn)的充氣式減振器符合美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還不斷推出新的減振器，推動(dòng)減振器技術(shù)不斷向更高技術(shù)水平發(fā)展。另外還有幾家較為先進(jìn)的公司如：Ford和General Motors這兩家。這兩家公司生產(chǎn)的減振器能很好的解決汽車的安全性和舒適性這兩方面的要求，例如德國(guó)大眾公司的GTI、甲殼蟲(chóng)，奔馳-戴姆勒·克萊斯勒汽車有限公司生產(chǎn)的C200均采用了雙筒油壓式減振器，在保證安全性的前提下充分提升了汽車的穩(wěn)定和操控性。
由于汽車在不同的行駛工況下對(duì)減振器的特性有不同的要求，可調(diào)阻尼減振器是筒式減振器技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)有機(jī)械控制式的充氣式減振器，電子控制式的充氣式減振器，在個(gè)別高檔車還試用電流變液減振器，但電流變液減振器的工作溫度范圍窄-25～125℃，其強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性較差，影響其工作的可靠性。充氣式減振器相比電流變液減振器，不需要特殊的高壓供電裝置，成本低、使用安全、穩(wěn)定性強(qiáng)[9]。目前最先進(jìn)的充氣式減振器的響應(yīng)時(shí)間約10ms，需進(jìn)一步提高。充氣式減振器有很好的運(yùn)用前景，是半主動(dòng)或主動(dòng)懸架較好的配置，但是尚需在縮短響應(yīng)時(shí)間上改進(jìn)。德國(guó)奧迪推出的2.7T越野車，使用了雙充氣式減振器，奔馳-戴姆勒·克萊斯勒汽車有限公司生產(chǎn)的300C和Jeep4700均采用了充氣式減振器。充氣式減振器是一個(gè)較為新興的技術(shù)，可同時(shí)提高車輛的舒適程度、駕駛性能和安全性能。由于車輪控制得到改善，車輛的安全性和可靠性得到提升；通過(guò)控制車身運(yùn)動(dòng)，提高駕駛平順性，并使操作更精確、反應(yīng)更迅速；在剎車和加速過(guò)程中減少乘員“前沖”和“后仰”；改善負(fù)荷轉(zhuǎn)移特性，在車輛高速行駛中突然變向時(shí)，可提供更好的防側(cè)翻控制；由于減小了路面反沖力，使駕駛更為安靜、精確。正是由于這些特點(diǎn)，充氣式減振器首先在中高級(jí)轎車上得到了應(yīng)用。
充氣式減振器的發(fā)展前景，國(guó)外對(duì)充氣式減振器的研究已經(jīng)發(fā)展到電子控制式減振器。我國(guó)對(duì)減振器的研究主要集中在單筒充氣式減振器方面，而且發(fā)展比較緩慢。我們應(yīng)當(dāng)在前人對(duì)充氣式減振器研究的基礎(chǔ)上更加深入地對(duì)其進(jìn)行分析和研究，努力縮短和發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。對(duì)充氣式減振器的研究能有效的提高我國(guó)汽車工業(yè)的制造水平，降低汽車的制造成本，對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展大有益處。
1.4 研究的主要內(nèi)容及方法
通過(guò)Autocad軟件的輔助，設(shè)計(jì)一種用于老年人輪椅并且符合技術(shù)要求，具有良好經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的雙筒液壓式減振器。通過(guò)大量的社會(huì)實(shí)際調(diào)查研究和圖書(shū)館查閱資料，設(shè)計(jì)計(jì)算以及老師的指導(dǎo)下，按照任務(wù)書(shū)的要求最終完成設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)資料以及借鑒相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品，預(yù)期的設(shè)計(jì)產(chǎn)品能夠符合理論設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合要求，并且將生產(chǎn)成本降到最低。
第2章 減振器的類型和工作原理
2.1 減振器的類型
懸架中用的最多的減振器是內(nèi)部充有液體的液力式減振器。輪椅和車輪振動(dòng)時(shí)減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和粘性液體的摩擦形成了振動(dòng)阻尼，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，并散發(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。如果能量的消耗僅僅只是在壓縮行程或者是在伸張行程進(jìn)行，則把這種減振器稱為單向作用減振器；反之稱為雙向作用減振器。后者因?yàn)闇p振作用比前者好而得到廣泛應(yīng)用。
減振器大體上分為兩大類，即摩擦式減振器和液力減振器。摩擦式減振器利用兩個(gè)緊壓在一起的盤片之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力提供阻尼。但是由于庫(kù)侖摩擦力隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的提高而減小，并且很容易受到油、水等的影響，無(wú)法正常工作，無(wú)法滿
足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價(jià)低、容易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)在已經(jīng)很少采用這類減振器。
液力減振器最早出現(xiàn)于1901年，有兩種主要的結(jié)構(gòu)形式分別是搖臂式和筒式。懸架中用的最多的減振器是內(nèi)部充有液體的液力式減振器。所以我選擇筒式減振器。而在筒式減振器中，常用的三種形式是：雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。我選擇雙筒式液力減振器。
2.2 減振器的工作原理
懸架系統(tǒng)中由于彈性元件受沖擊產(chǎn)生振動(dòng)，為改善輪椅行駛平順性，懸架中與彈性元件并聯(lián)安裝減振器用來(lái)衰減振動(dòng)。液力減振器在汽車懸架系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其作用原理是利用液體流動(dòng)的阻力來(lái)消耗振動(dòng)的能量。當(dāng)車架與車橋相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞在缸筒內(nèi)上下移動(dòng)，減振器殼體內(nèi)的油壓便反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)一些窄小的孔隙流入另一個(gè)內(nèi)腔。此時(shí)，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對(duì)振動(dòng)的阻尼，使車身和車架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而被油液和減振器殼體所吸收，最后散到大氣中去。減振器的阻尼力大小隨車架與車橋的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的增減而增減，并且與油液的粘度有關(guān)。
減振器與彈性元件承擔(dān)著減振和緩沖擊的任務(wù)，阻尼力過(guò)大，將使懸架彈性變壞，甚至使減振器連接件損壞，因面要調(diào)節(jié)彈性元件和減振器這一矛盾。
1、壓縮行程
車橋和車架相互靠近，減振器阻尼力較小，以便充分發(fā)揮彈性元件的彈性作用，緩和沖擊。這時(shí)，彈性元件起主要作用。
2、懸架伸張行程
車橋和車架相互遠(yuǎn)離，減振器阻尼力應(yīng)大，迅速減振。
3、相對(duì)速度
當(dāng)車橋或車輪與車橋間的相對(duì)速度過(guò)大時(shí)，要求減振器能自動(dòng)加大液流量，使阻尼力始終保持在一定限度之內(nèi)，以避免承受過(guò)大的沖擊載荷。
在汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用的是筒式減振器，且在壓縮和伸張行程中均能起減振作用叫雙向作用式減振器。還有采用新式減振器，它包括充氣式減振器和阻力可調(diào)式減振器.
2.3 雙筒式液壓減振器的工作原理及優(yōu)點(diǎn)
主要構(gòu)成有：密封氣室、浮動(dòng)活塞、工作活塞、封圈、壓力閥板、活塞、速度閥板、活塞桿等。
雙向作用筒式減振器工作原理說(shuō)明。在壓縮行程時(shí)，指汽車車輪移近車身減振器受壓縮，此時(shí)減振器內(nèi)活塞3向下移動(dòng)?；钊虑皇业娜莘e減少，油壓升高，油液流經(jīng)流通閥8流到活塞上面的腔室(上腔)。上腔被活塞桿1占去了一部分空間，因而上腔增加的容積小于下腔減小的容積，一部分油液于是就推開(kāi)壓縮閥6流回貯油缸5。這些閥對(duì)油的節(jié)約形成懸架受壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力。減振器在伸張行程時(shí)，車輪相當(dāng)于遠(yuǎn)離車身，減振器受拉伸。這時(shí)減振器的活塞向上移動(dòng)。活塞上腔油壓升高，流通閥8關(guān)閉，上腔內(nèi)的油液推開(kāi)伸張閥4流入下腔。由于活塞桿的存在，自上腔流來(lái)的油液不足以充滿下腔增加的容積，主使下腔產(chǎn)生一真空度，這時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液推開(kāi)補(bǔ)償閥7流進(jìn)下腔進(jìn)行補(bǔ)充。由于這些閥的節(jié)流作用對(duì)懸架在伸張運(yùn)動(dòng)時(shí)起到阻尼作用。由于伸張閥彈簧的剛度和預(yù)緊力設(shè)計(jì)的大于壓縮閥，在同樣壓力作用下，伸張閥及相應(yīng)的常通縫隙的通道載面積總和小于壓縮閥及相應(yīng)常通縫隙通道截面積總和。這使得減振器的伸張行程產(chǎn)生的阻尼力大于壓縮行程的阻尼力，達(dá)到迅速減振的要求。
（2-1）
雙筒式減振器具有如下的優(yōu)點(diǎn)：使用廣泛、制造成本低，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，重量減輕、性能也較為穩(wěn)定，而且是雙向作用，在壓縮與伸張的狀態(tài)下都有設(shè)計(jì)好的阻尼力，所以在各個(gè)工況
2.4 本章小結(jié)
主要介紹減振器種類、分類方法和具體的工作原理以及在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用。在闡明雙筒式液壓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用，得出雙筒式液壓減震器功能上的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為后文的設(shè)計(jì)計(jì)算做好基礎(chǔ)。
第3章 輪椅減振器示功特性分析
3.1 建立模型
3.1.1輪椅減震器的動(dòng)力學(xué)模型
把道路不平假定為按正弦曲線的變化形式,并且只考慮垂直方向的運(yùn)動(dòng)，這樣就可以簡(jiǎn)化模型，MJ試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)提供簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)際路況。MJ的動(dòng)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度的二階受迫振動(dòng)，即：
（2-1）
其中m為質(zhì)量，單位kg, c為阻尼系數(shù)，k為彈性系數(shù)。
圖2-1 路況簡(jiǎn)化圖
3.1.2輪椅減震器示功圖測(cè)試模型
由于示功圖測(cè)試主要是測(cè)試減震器液壓阻尼所吸收的能量，可對(duì)（2-1）式作
進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。規(guī)定測(cè)試時(shí)不裝緩沖彈簧，即上式中的k=0，得：
（2-2）
上式中的m為隨減震器一起移動(dòng)的質(zhì)量，在示功圖測(cè)試中，由于傳感器固定在橫梁上，滑塊和減震器外筒運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力未作用在測(cè)試的力傳感器上。傳感器測(cè)得的僅僅是部分油液運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力。因此可忽略慣性力的影響，這時(shí)有：
（2-3）
即示功圖的測(cè)試模型簡(jiǎn)化成了純阻尼模型,。由于復(fù)原行程與壓縮行程有不同的阻尼系數(shù)，因此有：
（2-4）
示功圖測(cè)試臺(tái)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供近似的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：
（2-5）
式中，r為曲柄半徑，l為連桿長(zhǎng)度，ω為曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度。
3.2 輪椅減震器示功圖
3.2.1簡(jiǎn)化測(cè)試模型的示功圖
由(2-4)式描述的線性阻尼模型的示功圖如圖2-2所示。MJ中國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所列出的示范圖形與此相同。示功圖曲線所包容的面積即為阻尼吸收的能量。減震器受簡(jiǎn)諧激振時(shí), 示功圖是相對(duì)Y軸的對(duì)稱圖形。從示功圖中，不僅可以反映減震器壓縮阻力、復(fù)原阻力的大小和Pf/Py的比值。更重要的是通過(guò)示功圖曲線的形狀，描繪出了減震器的整體工作性能。曲線應(yīng)該飽滿，沒(méi)有畸變和突變。
圖2-2 線性阻尼模型的示功圖
3.2.2實(shí)測(cè)示功圖分析
圖2-3 幾種有問(wèn)題的示功圖
根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體復(fù)原阻力和壓縮阻力應(yīng)符合圖樣要求值，偏差為±25 %(后減震器)和±30 %(前減震器)。速度特性圖反映了減震器的阻尼力與速度之間的變化關(guān)系，線性阻尼與速度之間呈線性關(guān)系，以及實(shí)際阻尼系數(shù)的非線性，造成正反向速度的阻力變化曲線不重合和非線性。實(shí)際MJ阻尼表現(xiàn)為非線性特性，其與減震器的速度、加速度，以及溫度、油液粘度及油液在減震器內(nèi)的流動(dòng)特性有關(guān)，加之慣性、摩擦力等因素的影響產(chǎn)生遲滯誤差。由于各相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間存在摩擦力。又由于減震器的內(nèi)腔容積是變化的，油氣共存?；c外筒的滑配以及油封的作用基本上對(duì)內(nèi)腔的空氣起封閉作用，形成一定的空氣阻力。因此實(shí)際模型還應(yīng)包括空氣阻力和摩擦力的影響。即：
（2-6）
式中，為空氣彈簧剛度，為摩擦力，視其為常量(實(shí)際上它是隨速度變化的)。
圖2-3(a)表示復(fù)原阻尼力過(guò)小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是復(fù)原節(jié)流孔過(guò)大；阻尼器內(nèi)泄漏嚴(yán)重；流通閥關(guān)閉不嚴(yán)；復(fù)原閥開(kāi)啟過(guò)早或關(guān)閉不嚴(yán)；試驗(yàn)速度偏低以及油液偏稀所致。
圖2-3(b)表示壓縮阻力過(guò)小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是壓縮節(jié)流孔偏大；阻尼器內(nèi)泄漏嚴(yán)重；補(bǔ)償閥關(guān)閉不嚴(yán)；壓縮閥開(kāi)啟過(guò)早或關(guān)閉不嚴(yán)；底閥脫落等原因所致。
圖2-3(c)是無(wú)液壓阻尼，僅有機(jī)械摩擦，這類缺陷通常出現(xiàn)在前阻尼器上，其阻力實(shí)際上是油封和內(nèi)外套筒間的摩擦而非液壓阻尼。摩擦阻力一般要小于技術(shù)要求值，但若達(dá)到與技術(shù)要求接近，則說(shuō)明該阻尼器摩擦阻力過(guò)大，不能適應(yīng)摩托車的需要。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是阻尼器內(nèi)油液過(guò)少；阻尼孔過(guò)大；油封過(guò)緊；或套筒配合、導(dǎo)向不良。
圖2-3(d)復(fù)原行程有空程，這類示功圖表現(xiàn)為復(fù)原行程初期無(wú)阻力，運(yùn)行一定距離后阻力才建立。出現(xiàn)這類現(xiàn)象的直接原因是受壓腔未被油液充滿，需待該腔中的空氣被排除后，液壓阻力才能建立起來(lái)，這類缺陷可能因底閥座、補(bǔ)償閥、壓縮閥過(guò)大的泄漏引起(如閥片翹曲、閥座不平、密封面間墊入細(xì)屑等)；也可能因活塞上流通閥片關(guān)閉不暢引起。
圖2-3(e)是壓縮行程有空程，特點(diǎn)是壓縮行程初期無(wú)壓縮阻力，運(yùn)行一定距離后，壓縮阻力才能建立。產(chǎn)生這類缺陷的原因可能是壓縮初期補(bǔ)償閥關(guān)閉不嚴(yán)；也可能是復(fù)原行程時(shí)補(bǔ)償閥開(kāi)啟不良所致。當(dāng)阻尼器內(nèi)油液不足時(shí)也常導(dǎo)致這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。
圖2-3(f)壓縮終端處的阻力陡增，對(duì)前阻尼器來(lái)說(shuō)，這是正?，F(xiàn)象。此時(shí)阻尼器運(yùn)行于壓縮終端的液壓限位區(qū)，理應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)勁的液壓緩沖阻力，防止阻尼器剛性碰撞，但對(duì)后阻尼器來(lái)說(shuō)，這就是非正常現(xiàn)象了，產(chǎn)生這類缺陷的原因是阻尼器內(nèi)油液過(guò)多所致，特別當(dāng)阻尼器溫度升高，油液膨脹后，此類現(xiàn)象更常遇到。
綜上所述，過(guò)大的摩擦力與加工精度和裝配質(zhì)量有很大關(guān)系，也是造成日后MJ漏油的主要原因之一，因此希望在今后的MJ測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)修訂中增加摩擦力的測(cè)試。
總之，示功圖是阻尼器質(zhì)量檢驗(yàn)的依據(jù)，又是阻尼器缺陷分析的第一手材料。
因此，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)減震器進(jìn)行示功測(cè)試的意義也就在此。
第4章 雙筒式液壓減振器的設(shè)計(jì)
4.1 雙筒式液壓減振器的設(shè)計(jì)參數(shù)
筒式減振器設(shè)計(jì)中涉及的參數(shù)較多，大致可以分為如下幾類：
（1）整車參數(shù)
包括輪椅全重、懸置質(zhì)量、車輛縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輪椅懸架剛度、輪椅振動(dòng)固有頻率（圓頻率）、減振器個(gè)數(shù)等。
（2）幾何布置參數(shù)
包括減振器的位置、彈性元件位置等。
（3）減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)
包括減振器長(zhǎng)度、減振器活塞直徑、活塞桿直徑、閥孔位置、閥孔個(gè)數(shù)、閥孔直徑、減振器筒徑、工作缸直徑與長(zhǎng)度、儲(chǔ)液筒直徑與長(zhǎng)度等。
（4）減振器工作參數(shù)
包括減振器的工作長(zhǎng)度、限壓閥閥門彈簧的剛度、彈簧預(yù)緊壓縮量、閥門附加最大行程、活塞行程、活塞最大線速度、活塞正反最大阻力、開(kāi)閥壓力、減振器阻尼系數(shù)等。
這些參數(shù)在設(shè)計(jì)中有的是作為已知量，有的是作為待確定量，所以選擇參數(shù)時(shí)，要考慮的情況比較多，但一般來(lái)說(shuō)，主要包括活塞面積計(jì)算、閥門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、阻尼比或者阻尼系數(shù)，最大卸荷力等參數(shù)的計(jì)算，尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算，強(qiáng)度校合，壽命計(jì)算等?；钊娣e按反行程的最大阻力來(lái)確定，反行程最大阻力與活塞最大線速度有關(guān)，活塞最大線速度取決于懸架裝置結(jié)構(gòu)。閥門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括常通孔面積計(jì)算和閥門彈簧的計(jì)算。減振器內(nèi)通常有兩個(gè)常通孔，活塞上常通孔和補(bǔ)償閥座上的常通孔?；钊铣Ｍ酌娣e按壓縮行程最大活塞線速度即開(kāi)閥速度計(jì)算。設(shè)計(jì)減振器時(shí)，阻尼比的確切值是未知的，它只能通過(guò)測(cè)定減振器工作時(shí)的衰減振動(dòng)情況計(jì)算求得。但是阻尼比的大小又關(guān)系到活塞最大線速度、減振器阻尼力等物理量的值，所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常從減振器吸收振動(dòng)能量的角度來(lái)估計(jì)阻尼比的值。
4.2 雙筒式減振器參數(shù)和尺寸的確定
4.2.1 液壓器工作缸直徑D的確定
根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑D為：
（4.1）
式中：[p]為工作缸最大允許壓力，取3～4MPa，為連桿直徑與缸筒直徑之比，單筒式減震器取，取。根據(jù)式（3.1）計(jì)算得：
由上式計(jì)算得出工作缸直徑的理論值，再依據(jù) QC/T4911999《汽車筒式減震器尺寸系列及技術(shù)條件》，如表 4.1。將工作缸直徑D圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑為30mm；初選壁厚取為2mm，材料選用20 鋼。
表4.1 筒式減振器工作缸直徑 （mm）
工作缸直徑D
20
30
40
(45)
50
65
注：表中有括號(hào)者，不推薦使用。
由于已經(jīng)知道了減震器的工作缸直徑D=30mm，根據(jù)表4.2確定減震器的復(fù)原阻力在1000—2800之間和壓縮阻力不大于1000，可以確定其大概的復(fù)原阻力和壓縮阻力分別是1800N和700N。
表4.2 復(fù)原阻力和壓縮阻力取值 （N）
工作缸直徑D（mm）
復(fù)原阻力
壓縮阻力
20
200—1200
不大于600
30
1000—2800
不大于1000
40
1600—4500
400—1800
（45）
2500—5500
600—2000
50
4000—7000
700—2800
65
5000—10000
1000—3600
4.2.2 雙筒式減震器活塞行程的確定
減震器活塞行程即液壓缸的工作行程。液壓缸的工作行程長(zhǎng)度，可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來(lái)確定，并參照表4.3和表4.4設(shè)計(jì)要求來(lái)選取標(biāo)準(zhǔn)值，故選取活塞行程為180mm。
表4.3 減震器設(shè)計(jì)尺寸（mm）
工作缸
基長(zhǎng)
駐液筒最大外徑
防塵罩最大外徑
壓縮到底長(zhǎng)度
最大拉伸長(zhǎng)度
L1
L3
L2
直徑D
HH型
CG型
HG/GH型
允差
允差
20
90
70
80
34
40
+3
負(fù)值不限
+4
負(fù)值不限
正值不限
-3
正值不限
-4
30
120
86
103
48
56
40
160
120
140
65
75
（45）
70
80
50
190
120
155
80
90
65
210
130
170
90
102
注：1、基長(zhǎng)() 為設(shè)計(jì)尺寸，其值為 。 2、S為行程。
3、壓縮到底長(zhǎng)度 。 4、最大拉伸長(zhǎng)度。
4.2.3 液壓缸壁厚、缸蓋、活塞桿和最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的計(jì)算
1、液壓缸的壁厚的計(jì)算
液壓缸的壁厚一般指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。當(dāng)缸筒壁厚d與內(nèi)徑D的比值小于0.1時(shí)，稱為薄壁缸筒。壁厚按照材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算。
計(jì)算公式如下式：
（4.2）
式中：—實(shí)驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍；
d—液壓缸壁厚；
D—液壓缸內(nèi)徑：
—缸筒材料的許用應(yīng)力。其值為：鑄鐵：=100～110MPa。
計(jì)算得：
表4.4 減振器活塞行程 （㎜）
工作缸直徑D
活 塞 行 程 S
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
20
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
30
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
40
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
（45）
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
50
－
－
－
－
－
－
－
－
65
－
－
－
－
－
－
在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得的液壓缸壁厚往往很小，是剛體的剛度不夠，如在切削過(guò)程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)程卡死或漏油。因此一般不做計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)取值，然后進(jìn)行校核。
缸筒內(nèi)徑確定后，由強(qiáng)度條件確定壁厚；然后求出缸筒外徑D1。
當(dāng)缸筒壁后厚與內(nèi)徑D的比值小于0.1時(shí)，稱為薄壁缸筒壁厚的校核按照材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算。在設(shè)計(jì)中選定的缸筒壁厚為2mm，內(nèi)徑D為30mm。
因?yàn)楸戎敌∮?.1，故
（4.3）
式中：p—液壓缸的最大工作壓力；
—缸筒材料的抗拉強(qiáng)度極限；
n—安全系數(shù)，一般取n=5；
—活塞桿材料的許用應(yīng)力，=。
取設(shè)計(jì)中的工作壓力3MPa內(nèi)徑D已知為30mm。查閱GB699—88取=376MPa。
==75.2
=0.6
設(shè)計(jì)的壁厚為2mm，符合強(qiáng)度要求。
2、液壓缸的穩(wěn)定性驗(yàn)算
按照材料力學(xué)的理論，一根受壓的直桿，在其軸向負(fù)載超過(guò)穩(wěn)定臨界力時(shí)，即失去原有狀態(tài)下的平衡，稱為失穩(wěn)。對(duì)液壓缸其穩(wěn)定條件為
（4.4）
式中：—液壓缸最大推力；
—液壓缸的穩(wěn)定臨界力；
—穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取=2～4。
液壓缸的穩(wěn)定臨界力值與活塞桿和缸體的材料、長(zhǎng)度、剛度、及其兩端的支撐狀況等因素有關(guān)。
因?yàn)楫?dāng)時(shí)要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，依據(jù)長(zhǎng)度折算系數(shù)知
故需要對(duì)液壓缸進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算：
（4.5）
（4.6）
得
表4.5 穩(wěn)定校核相關(guān)系數(shù)
材 料
a
b
λ1
λ2
鋼（Q235）
3100
11.40
105
61
鋼（Q275）
4600
36.17
100
60
硅 鋼
5890
38.17
100
60
鑄 鐵
7700
120
80
—
由下式計(jì)算：
（4.7）
=
=2.2×N
經(jīng)過(guò)校核，液壓缸穩(wěn)定性符合要求。
3、缸蓋厚度的計(jì)算
一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求可以用下面兩式進(jìn)行近似計(jì)算。
無(wú)孔時(shí) （4.8）
有孔時(shí) （4.9）
式中：t—缸蓋有效厚度（m）；
D2—缸蓋止口內(nèi)徑（m）；
d0—缸蓋孔的直徑（m）；
材料許用應(yīng)力；
—實(shí)驗(yàn)壓力；
因?yàn)榛钊麠U的直徑為20mm，所以，而儲(chǔ)液筒的最大外徑48mm，除去筒壁厚度3m
經(jīng)計(jì)算得
4、活塞桿的計(jì)算
減振器活塞桿（或前叉管）承受來(lái)自活塞和連接部件拉伸和壓縮載荷以及或大或小的側(cè)向力。因其表面粗糙度對(duì)減振器滲漏油影響較大，在減振器所有零部件中被列為A類件。其要求必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和較低的表面粗糙度。
活塞桿（或前叉管）材料一般采用35、40、45、40Cr等冷拉圓鋼。其硬度為HRC18～HRC32。取活塞桿的材料為45鋼，硬度為HRC18。
由于活塞的行程S為200mm，活塞桿的長(zhǎng)度應(yīng)該大于活塞的行程，初步確定活塞桿的長(zhǎng)為220mm。
5、對(duì)桿強(qiáng)度進(jìn)行校核
活塞桿的強(qiáng)度校合，前面已經(jīng)得知活塞的復(fù)原阻力和壓縮阻力分別是1800N和700N。
在確定活塞桿直徑后，還需要滿足液壓缸的穩(wěn)定性及其強(qiáng)度要求。
液壓缸的穩(wěn)定性驗(yàn)算 按照材料力學(xué)的理論，其穩(wěn)定條件為
（4.10）
式中：—液壓缸最大推力；
—液壓缸的穩(wěn)定臨界力；
—穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取=2～4
液壓缸的穩(wěn)定臨界力值與活塞桿和缸體的材料、長(zhǎng)度、剛度、及其兩端的支撐狀況等因素有關(guān)。
當(dāng)?shù)谋戎荡笥?0時(shí)要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，依據(jù)長(zhǎng)度折算系數(shù)知
（4.11）
（4.12）
由歐拉公式計(jì)算
符合要求。
（4.13）
—空心活塞桿內(nèi)徑，對(duì)實(shí)心桿，。
活塞桿材料的許用應(yīng)力，為材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)n=1.4～2，系數(shù)越高，安全性越好，取n為2。
故，符合要求。
6、對(duì)壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行校核
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)徑比，且活塞桿承受壓力時(shí)，需要對(duì)壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行校核。
由上式可知：
桿屬于中長(zhǎng)壓桿，只有細(xì)長(zhǎng)桿才能應(yīng)用歐拉公式來(lái)計(jì)算臨界力，因此采用直線公式計(jì)算臨界力。
（4.14）
在工程中為了簡(jiǎn)便計(jì)算，對(duì)壓桿的穩(wěn)定計(jì)算常采用折減系數(shù)法。引入，則用穩(wěn)定安全系數(shù)表示的穩(wěn)定條件，可以表示為
（4.15）
式中：—工作應(yīng)力；
—穩(wěn)定許用應(yīng)力。
在工程中常將穩(wěn)定需用應(yīng)力表示為強(qiáng)度許用應(yīng)力與一個(gè)小于1的系數(shù)的乘積來(lái)表示，即
（4.16）
式中：—折減系數(shù)。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知，根據(jù)表可以知道桿的折減系數(shù)為。
表4.6 壓桿的折減系數(shù)
柔度
值
Q235鋼
16錳鋼
鑄鐵
木材
0
1.000
1.000
1.00
1.00
10
0.995
0.993
0.97
0.99
20
0.981
0.973
0.91
0.97
30
0.958
0.940
0.81
0.93
40
0.927
0.895
0.69
0.87
得出
（4.17）
壓桿的穩(wěn)定條件為
由式（4.13）和式（4.17）知壓桿符合穩(wěn)定條件。
7、最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定
當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響減振器工作的穩(wěn)定性，因此必須要保證有一定的導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)于一般液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足式（4.18）的要求：
（4.18）
式中：L—液壓缸的最大行程；
D—缸筒內(nèi)徑。
4.2.4 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、缸體與缸蓋的連接形式
缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。主要的幾種連接形式有：法蘭連接、螺紋連接、外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接。選擇使用螺紋連接。原因主要有幾點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；（2）容易加工、便于拆裝；(3）強(qiáng)度較大、能承受高壓。
2、活塞桿與活塞的連接形式
活塞在徑向由活塞桿和壓力閥底座進(jìn)行定位，軸向由活塞桿進(jìn)行定位即可，不需要特殊的連接結(jié)構(gòu)。
3、活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)
活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。在本設(shè)計(jì)中采用上密封蓋進(jìn)行直接導(dǎo)向。
4、活塞及活塞桿處密封圈的選用
活塞及活塞桿處密封圈的選用，應(yīng)根據(jù)密封的部位、使用的壓力、溫度、運(yùn)動(dòng)速度的范圍不同而選取不同類型的密封圈。在本設(shè)計(jì)中主要選用O型密封圈，具體尺寸根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用。
5、液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)包括液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)、液壓缸進(jìn)出油口的連接等。液壓缸的安裝形式，頭部法蘭和按壓連接。
6、活塞環(huán)
活塞環(huán)主要起密封作用，防止油液從高壓腔泄漏到低壓腔，減小內(nèi)泄漏，以保證阻尼效果?；钊h(huán)靠自身的彈力貼緊工作缸的內(nèi)腔，可使工作缸和活塞的加工及配合精度適當(dāng)降低，有利于大批量生產(chǎn)。
活塞環(huán)材料常用：尼龍1010、聚四氟乙烯、酚醛樹(shù)脂、填充聚四氟乙烯及三層復(fù)合材料其工藝應(yīng)保證兩端面與中心線垂直。兩端面平行度不大于0. 03、表面粗糙度Ra0.8。外觀不應(yīng)有裂紋、毛刺、縮孔及折皺。根據(jù)活塞環(huán)的密封原理，在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮活塞環(huán)徑向厚度、開(kāi)口形狀、側(cè)間隙、背間隙以及因材料不同時(shí)的活塞環(huán)圓周線漲量。活塞環(huán)裝入工作缸要求進(jìn)行透光檢驗(yàn)，其貼合面不小于85%。
7、液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求
（1）缸體采用45號(hào)鋼；調(diào)質(zhì)HRC28—33；表面法蘭處理；缸體和端蓋采用螺紋連接。
（2）活塞采用40Cr；調(diào)質(zhì)HRC28—35；上下面高頻淬火HRC40—45；活塞外徑用橡膠密封圈密封時(shí)取f7～f9配合。
（3）活塞桿采用40Cr；調(diào)質(zhì)HRC28—33；表面整體氮化，深度0.4—0.75；使用磁力探傷避免有裂紋；活塞桿和活塞采用H7/t6配合。
（4）缸蓋采用45號(hào)鋼；表面陽(yáng)極氧化處理。
（5）浮動(dòng)活塞采用45號(hào)鋼；熱處理后硬度為HRC28—33；法蘭。
4.2.5 活塞及閥系的尺寸計(jì)算
1、活塞尺寸的計(jì)算
活塞的寬度B由公式得，取B=19mm。導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在D<80mm時(shí)，取，當(dāng)D>80mm時(shí)，取，所以取A=1.0D，A=30mm符合要求，活塞的內(nèi)徑取6mm。
2、閥系的計(jì)算
在液壓系統(tǒng)中，用于控制系統(tǒng)中液流的壓力、流量和液流方向的元件稱為液壓控制閥。在減振器工作的時(shí)候，閥的作用是只允許液流沿一個(gè)方向通過(guò)，而反向液流被截止。故活塞上的閥系均為單向閥，對(duì)單向閥的主要性能要求是液流正向通過(guò)時(shí)壓力損失要小；反向截止時(shí)密封性要好，動(dòng)作靈敏，工作時(shí)無(wú)沖擊噪聲小?？紤]到減振器的內(nèi)部尺寸較小，工作壓力較低，同時(shí)活塞的尺寸本身較小，如采用鋼球式或錐閥式單向閥就會(huì)使閥心的尺寸過(guò)小，從而不能保證其強(qiáng)度。故設(shè)計(jì)時(shí)采用直通式單向閥。單向閥所用的彈簧，主要用來(lái)克服摩擦力，閥板的重力和慣性力，使閥板在反向流動(dòng)時(shí)能迅速關(guān)閉，單向閥開(kāi)啟壓力一般為0.03～0.05MPa。
(1) 閥孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
當(dāng)進(jìn)、出油口前后壓力差較大，閥口流速過(guò)高時(shí)，出油口流場(chǎng)中的局部壓力可能低于油液中所溶空氣的分離壓，使溶解于油液中的空氣分離出來(lái)或者局部的壓力低于油液的飽和蒸汽壓，使油液汽化。兩種情況都會(huì)使油液中產(chǎn)生氣泡，使油液的質(zhì)量變差，同時(shí)這些氣泡隨液流到壓力較高處會(huì)瞬時(shí)壓破，產(chǎn)生噪聲，這種噪聲稱為氣穴噪聲，為了改善這一狀況，在過(guò)程上主要是對(duì)閥孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將液壓油的壓力分級(jí)降低，逐步衰減。故在設(shè)計(jì)的時(shí)候，進(jìn)、出油口的尺寸比閥孔的內(nèi)徑稍大，油孔直徑與內(nèi)徑相差一定的數(shù)量形成階梯狀以降低每一級(jí)的工作壓差。
(2) 閥孔的尺寸計(jì)算
汽車行駛平順性的優(yōu)劣直接關(guān)系到乘員的舒適性"并涉及汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮" 影響到零部件的使用壽命" 所以它是同類車在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)取優(yōu)勢(shì)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)而減震器作為汽車懸架的阻尼元件之一"其作用是確保車輛具有良好的行駛平順性和安全性" 因此汽車阻尼器的質(zhì)量將直接影響汽車的使用性能$ 根據(jù) 減震器復(fù)原閥和補(bǔ)償閥以及 減震器內(nèi)特性的常通孔或閥結(jié)構(gòu)所滿足的制約關(guān)系" 利用加權(quán)因子將由兩個(gè)制約關(guān)系建立的目標(biāo)函數(shù)組合成統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)"選擇活塞桿直徑%復(fù)原閥片厚度%壓縮閥片厚度%常通孔截面寬度%常通孔截面厚度作為優(yōu)化參數(shù)來(lái)保證減震器在復(fù)原行程和壓縮行程上不發(fā)生空程性畸變
首先計(jì)算壓力閥孔的尺寸壓力閥孔取6個(gè)，均布。進(jìn)出油口直徑D應(yīng)滿足下式：
（4.19）
式中：—閥的公稱流量；
—進(jìn)、出油口的許用流速，一般取=6m/s。
活塞的速度一般為0.15～0.3m/s，取0.3m/s。
由于在活塞上孔是均布的8個(gè)小孔，每個(gè)孔的直徑為d，小孔的總面積應(yīng)等于進(jìn)、出油孔的面積。
由于 故
將d圓整為2。
孔的長(zhǎng)度一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3.23）來(lái)確定
（4.20）
取。
單向閥孔的尺寸比壓力閥略大，計(jì)算方法類似。得出單向閥孔徑為3mm，孔長(zhǎng)為。
閥片在減振器中起截流的作用，保證活塞或底閥兩端面的油腔建立高壓及疏通油液，產(chǎn)生節(jié)流壓差，形成阻尼力。由于閥片與閥在長(zhǎng)期高頻振動(dòng)和彎曲變形中要保持密封可靠，不允許出現(xiàn)殘余變形。要求閥片平面度為0.02，兩端面平行度0.01～0.02，維氏硬度HV486～HV600及較高的彈性極限。閥片材料一般采用65Mn、60Si2Mn、5CrMnMo等鋼帶材料，用精密沖壓而成。再進(jìn)行模壓熱定形工藝。一般加熱到380℃±10℃，保溫1小時(shí)定形。溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致硬度下降。
單向閥板尺寸根據(jù)要求和配合尺寸選用外徑為28mm，內(nèi)徑為6mm，厚度為1.2mm。壓縮閥板的尺寸定為外徑為17.5mm，內(nèi)徑為13mm，厚度為1mm。壓力閥板上預(yù)留壓力閥彈簧座，壓縮閥板與壓縮閥板導(dǎo)向套緊密結(jié)合。
單向閥彈簧在選用的時(shí)候根據(jù)彈簧特性?？紤]到減振器在壓縮的行程中閥板的受力圖為一曲線。故選用圓錐螺旋壓縮彈簧。參考GB4357-89選用最小內(nèi)徑為12，最大外徑為21，鋼絲直徑為0.8，采用材料為碳素鋼。壓力閥彈簧GB4357-89采用圓柱螺旋壓縮彈簧。下式為彈簧的旋繞比為：
（4.21）
C是彈簧的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響到彈簧的強(qiáng)度、材料的利用率及彈簧加工時(shí)的難易。一般取C=4～16根據(jù)表3.6可以確定直徑應(yīng)小于2㎜，取直徑為1.6㎜，C的取用范圍是5～10，取C=10，中徑D2=16
外徑
內(nèi)徑
節(jié)距
工作圈數(shù) 取
總?cè)?shù)
自由度
間距
螺旋升角
鋼絲展開(kāi)長(zhǎng)度
表4.7 旋繞比C的選用范圍
d/㎜
0.2~0.4
0.45~1
1.1~2
2.5~6
7~16
18~42
C
7~14
5~12
5~10
4~9
4~8
4`6
4.2.6 密封元件和工作油液的確定
1、密封元件
自然界泥水隨著氣候、車輛行駛狀態(tài)和地理環(huán)境特點(diǎn)的變化，不斷與減振器密封部發(fā)生接觸。接觸結(jié)果一方面侵蝕和磨損減振器密封部外露面，另一方面，在一定條件下會(huì)穿越密封部而進(jìn)入減振器內(nèi)，惡化減振器性能、降低減振器壽命。當(dāng)油封唇口半徑小于0.2mm時(shí)，由于油封失去潤(rùn)滑油膜，活塞桿和油封之間摩擦加劇。過(guò)大的摩擦力會(huì)導(dǎo)致油封迅速失去抵抗泥水的功能。因此，0.2mm為油封唇口半徑最佳值。自然界泥水進(jìn)入減振器內(nèi)部后，對(duì)減振器產(chǎn)生復(fù)雜、多方面的影響：
（1）與工作液混合，改變油液粘度系數(shù)，影響正常阻尼發(fā)揮；
（2）影響工作液粘溫特性，改變減振器額定設(shè)計(jì)阻尼；
（3）惡化其泡沫特性，影響正常阻尼輸出并引發(fā)高頻異響；
（4）在截流部形成無(wú)規(guī)律堵塞，導(dǎo)致硬阻澀，惡化整車乘座感；
（5）其微粒使減振器內(nèi)摩擦部位加速磨損，引發(fā)內(nèi)部泄漏，降低輸出阻尼，導(dǎo)致疲軟感。
表4.8 密封尺寸
項(xiàng)目
尺 寸 （mm）
d1
8
10
12
18
20
22
25
26
d2max
6.6
8.4
10.2
15.8
17.7
19.6
22.5
23.4
自然界泥水進(jìn)入減振器內(nèi)部，導(dǎo)致工作液性能惡化和內(nèi)部零件過(guò)度磨損。隨工作時(shí)間推移，減振器內(nèi)各零、部件工作關(guān)系迅速惡化，這種惡性循環(huán)將急劇降低減振器的耐久性能。油封裝配過(guò)程中，為避免劃傷油封唇口、裝配不到位，在油封裝配孔或軸的設(shè)計(jì)上需要特別注意。車輛減振器冷成型封口工藝對(duì)成品密封性、強(qiáng)度和外觀質(zhì)量都有著嚴(yán)格的要求。如封口工藝不合理，會(huì)使零件出現(xiàn)表面脫落、裂紋及表面材料堆積、起皺。在高速高壓工作狀態(tài)下油封、導(dǎo)向組件將軸向竄動(dòng)，引發(fā)彈性緩沖件早期損壞，更嚴(yán)重的是，過(guò)大減薄外筒管材壁厚，將降低減振器的抗拉強(qiáng)度。與電弧焊熱成型封口工藝比較，冷成型封口成本低廉、操作簡(jiǎn)單，并可有效避免橡膠密封件過(guò)熱失效。行星強(qiáng)力旋壓工藝可從根本上解決密封、強(qiáng)度和外觀質(zhì)量等問(wèn)題，達(dá)到預(yù)期目的。
需要特別說(shuō)明的是，減振器油封分總成是減振器的關(guān)鍵部件之一。油封分總成的材料和工藝路線隨著技術(shù)的新發(fā)展和企業(yè)的實(shí)際情況而多種多樣。圖4.1和表4.8說(shuō)明的僅僅是比較典型的情況。
圖4.2 密封結(jié)構(gòu)
2、油液的選取
由于大多數(shù)減震器是通過(guò)油的流動(dòng)阻尼力來(lái)吸收沖擊和震動(dòng)能量，并轉(zhuǎn)化為油的熱量散發(fā)掉。所以，阻尼力與油的粘度有著密切的關(guān)聯(lián)，而油的粘度是隨溫度變化的。摩托車使用時(shí)間的長(zhǎng)短，使用時(shí)的環(huán)境溫度等都是不同的。因此，為適應(yīng)摩托車運(yùn)行地域的各種氣候條件，對(duì)減震器油提出了以下技術(shù)要求：
（1）減震器油不但要具有良好的粘溫性能以及較高的粘黏度指數(shù)，還應(yīng)有低的凝固點(diǎn)。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化或隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，減震器油本身溫度變化時(shí)，其油的粘度變化應(yīng)很??；
（2）在我國(guó)境內(nèi)使用的減震器油，其凝點(diǎn)不得低于-40℃。也就是說(shuō)，當(dāng)進(jìn)入嚴(yán)寒冬季氣溫下降至0～-40℃時(shí)，其油液應(yīng)不失去流動(dòng)性；
（3）減震器油在所有的使用范圍內(nèi)（包括高速、滿負(fù)荷以及超載行駛等特殊情況），要盡可能少的汽化損失，即所謂的汽化小性能；
（4）當(dāng)減震器油與空氣接觸時(shí)，必須具有抗氧化穩(wěn)定性和抗油氣混合穩(wěn)定性，即所謂的良好的工作穩(wěn)定性能；
（5）由于含有雜質(zhì)的減震器油液會(huì)在摩托車行駛過(guò)程中，很快將活塞桿劃傷或造成油封刃口殘缺，從而導(dǎo)致漏油。所以，減震器油液一定要保持絕對(duì)的清潔；
（6）減震器油必須具有良好的防銹和抗磨作用。
根據(jù)GB7631.2—87，選用型號(hào)為L(zhǎng)—HFC的液壓油。該產(chǎn)品通常為含乙二醇或其他聚合物的水溶液，低溫性、粘溫性和對(duì)橡膠的適用性好。他的耐燃性好，通常用于低壓和中壓系統(tǒng)中，對(duì)溫度適應(yīng)性好，使用溫度為-20—50oC.適用于中國(guó)的大部分地區(qū)的氣溫。
4.3 本章小結(jié)
敘述了在減振器的設(shè)計(jì)中需要的各種設(shè)計(jì)參數(shù)。介紹了減振器各類參數(shù)的選用方法和在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要的各種公式以及對(duì)重要參數(shù)的確定。重點(diǎn)敘述了缸體、活塞、活塞桿以及閥系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算。
第5章 雙筒液壓減振器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
5.1雙筒液壓減振器連接件的優(yōu)化
在本節(jié)中列出了四種減振器連接件的基本型式，選擇一種適合本設(shè)計(jì)的類型作為本文設(shè)計(jì)的減振器的連接件，并對(duì)其結(jié)構(gòu)做一定的優(yōu)化。
圖5.1 H1 H4（錐吊環(huán)）型
圖5.2 H2(直吊環(huán))型
在圖5.1中所描繪的是一種錐型吊環(huán)的減振器吊環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單應(yīng)用廣泛，但是由于技術(shù)過(guò)于陳舊，現(xiàn)代減振器上采用的已經(jīng)很少了。
圖5.2中的是直吊環(huán)型的減振器吊環(huán)，在實(shí)際應(yīng)用中用的比較廣泛，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，我認(rèn)為直吊環(huán)型的減振器吊環(huán)比較適合本文設(shè)計(jì)的減振器，所以我選擇了直吊環(huán)型的減振器吊環(huán)作為本文設(shè)計(jì)的減振器的連接件。
表5.1 連接件尺寸A1
及
型
工作缸直徑
尺 寸 mm
D
h
20
12
19
28.0
18
24
30
19
30
44.5
28
33
40
26
40
57.0
38
50
50
32
50
70.0
46
60
型
20
10
21
28.0
18
24
30
16
35
44.5
28
38
40
22
47
57.0
38
50
50
28
57
70.0
46
60
65
30
64
80.0
50
60
圖5.3 H3(X型銷吊環(huán))型
圖5.4 G(雙頭螺栓)型
圖5.3中的是X型銷吊環(huán)，這種減振器吊環(huán)工作可靠，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝卸不是很方便。
圖5.4 中的是雙頭螺栓型連接件，這種減振器連接件也具有工作可靠，使用方便等特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且不適合本文設(shè)計(jì)的減振器。
表5.2 連接件尺寸A2
型
尺 寸 mm
工作缸直徑
D
H
L
a
b
c
t
20
13.8
21
28
18
53
46.6
63
9
6.4
20
4.6
2.3
30
18.0
28
34
24
65
56.5
77
11
6.4
26
6.4
3.2
G
型
d
L
B
C
t
20
M8×1－6h
14
14
27.5
4
40
4
4
6.0
2.3
30
M10×1.25－6h
16
16
34.5
5
50
5
5
7.5
5.2
40
M14×1.5－6h
25
—
58.0
7
75
8
8
11.0
6.0
（45）
50
M18×1.5－6h
30
—
68.0
8
91
—
10
15.0
9.0
注：1、H型吊環(huán)形狀可以在性能與壽命允許的范圍內(nèi)改變。
2、G型的L為用標(biāo)準(zhǔn)緊固扭矩（M8×1為10N·m，M10×1.25為15N·m，M14×1.5為50N·m，M18×1.5為165-200N·m）擰緊螺母后的尺寸。
3、螺紋精度按CB2516-1981《普通螺紋 偏差表》的規(guī)定。
根據(jù)查表5.1和表5.2得出下列數(shù)據(jù)：因?yàn)楣ぷ鞲字睆綖?0mm，所以直吊環(huán)的D取16mm，取35mm，取44.5mm，h取28mm，取38mm。
直吊環(huán)在根據(jù)表中數(shù)據(jù)裝在減振器上后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際尺寸較大，所以重量也較大，對(duì)減振器的工作有負(fù)面影響。通過(guò)減小沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)值的D和之間的厚度，來(lái)減小質(zhì)量，從而使設(shè)計(jì)在重量和成本上得到一定的優(yōu)化。
5.2 雙筒液壓振器焊接方法的優(yōu)化
針對(duì)汽車減震器連桿凸焊質(zhì)量不穩(wěn)定的工程實(shí)際問(wèn)題，將優(yōu)化理論應(yīng)用于凸焊工藝規(guī)范參數(shù)的確定，建立回歸方程和多變量函數(shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，用內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)