1.3 液壓筒式減振器發(fā)展及研究狀況

1.3.1 液壓減振器發(fā)展?fàn)顩r

液壓筒式減振器是汽車上最廣泛使用的減振器，起初采用較多的是搖臂式液阻減振器。第二次世界大戰(zhàn)期間，美軍吉普車上采用了筒式液阻減振器并在戰(zhàn)場上獲得成功，此后筒式液阻減振器很快成為主流產(chǎn)品。它具有工藝簡單、成本低、壽命長、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，主要零件采用了沖壓、粉末冶金及精密拉管等高效工藝，適于大批量生產(chǎn)。

節(jié)流閥結(jié)構(gòu)和特性對減振器的特性有決定性影響。筒式減振器有三種典型的閥結(jié)構(gòu)，分別為板閥式、滑閥式和彈性閥片式。其中，板閥式和滑閥式多用于早期轎車減振器，通過改變彈簧剛度和彈簧預(yù)變形量調(diào)節(jié)。有關(guān)文獻(xiàn)已對其節(jié)流特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗研究。這兩種閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但由于板閥較小的升程就會形成較大的流通面積，因此導(dǎo)致減振器速度特性呈軟非線性特性；而滑閥與導(dǎo)向座之間存在摩擦，導(dǎo)致閥運(yùn)動響應(yīng)滯后或不連續(xù)。

彈性閥片式節(jié)流閥的突出優(yōu)點(diǎn)是，易于通過增減閥片數(shù)量和墊片等措施改變閥的節(jié)流特性；缺點(diǎn)是要求加工精度要求較高，使用過程中當(dāng)閥片與閥座間存在雜質(zhì)顆粒導(dǎo)致閥片關(guān)閉不嚴(yán)時，會造成減振器阻尼力的顯著下降。這種節(jié)流閥最初多用于賽車減振器，隨著制造技術(shù)的提高，目前已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代轎車。

作為在汽車上應(yīng)用最多的筒式減振器，其設(shè)計開發(fā)技術(shù)也正經(jīng)歷著由基于經(jīng)驗設(shè)計-試驗修正的傳統(tǒng)設(shè)計方法，向著基于CAD/CAE技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計方法轉(zhuǎn)變。但是據(jù)有關(guān)資料分析，先前，國內(nèi)外尚無適合節(jié)流閥片精確設(shè)計的解析式，缺少準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計方法以及特性仿真模型，因此制約了現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

1.3.2 節(jié)流閥片研究狀況

1.閥片變形研究

對于汽車減振器節(jié)流閥片的變形，國內(nèi)外已經(jīng)很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。大多是利用有限元分析軟件，對閥片變形量進(jìn)行數(shù)值分析。也有利用彈性力學(xué)原理，對閥片變形量進(jìn)行分析研究，但是，只是通過閥片變形微分方程，利用邊界條件列出一個通解，只表示節(jié)流閥片可利用彈性力學(xué)原理進(jìn)行分析研究，而不能達(dá)到能實(shí)際應(yīng)用的程度，沒有創(chuàng)建一個可用于閥片厚度設(shè)計、變形計算的簡單、準(zhǔn)確、實(shí)用的解析式，難以在實(shí)際閥片設(shè)計中應(yīng)用。

當(dāng)今，彈性閥片變形計算方法有兩種。一是利用《機(jī)械設(shè)計手冊》的最大撓度系數(shù)和計算公式，二是利用現(xiàn)代流行的有限元分析軟件，如ANSYS。其中，利用《機(jī)械設(shè)計手冊》根據(jù)閥片外半徑r_b與內(nèi)半徑r_a之比r_b/r_a，查得閥片最大撓度系數(shù)和計算公式，可粗略地計算在一定壓力下閥片在外半徑r_b處的最大撓度。利用有限元分析軟件，首先根據(jù)閥片的結(jié)構(gòu)建立仿真分析模型，然后對模型劃分有限元網(wǎng)格并施加載荷，最后利用仿真程序得到閥片變形量數(shù)值解。

以上兩種計算方法對于閥片設(shè)計計算各有缺點(diǎn)。對于《機(jī)械設(shè)計手冊》的最大撓度系數(shù)法，雖然具有計算解析式，可對閥片厚度進(jìn)行粗略設(shè)計。但是，當(dāng)實(shí)際閥片內(nèi)、外半徑比值在手冊中沒有給出時，就難以準(zhǔn)確查得最大撓度系數(shù)。同時，該方法只能計算閥片在外半徑r_b處的最大撓度，而實(shí)際閥片設(shè)計時需要計算在閥口位置半徑r_k處的變形量。

對于有限元分析軟件，雖然可以得到閥片在任意位置半徑r處變形量的數(shù)值解，且比《機(jī)械設(shè)計手冊》的最大撓度系數(shù)法精確。但是，由于該方法沒有閥片變形量計算的解析式，不能對閥片厚度進(jìn)行設(shè)計，只能對給定結(jié)構(gòu)閥片進(jìn)行變形量數(shù)值仿真驗證。

因此，先前對閥片變形的兩種計算方法，都不能滿足對減振器參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)計、特性分析和仿真的要求。

2.疊加閥片研究現(xiàn)狀

汽車減振器節(jié)流閥片大都是利用多片節(jié)流閥片疊加，以滿足減振器不同的特性要求。疊加節(jié)流閥片與單片閥片相比具有很多優(yōu)點(diǎn)。

先前，國內(nèi)外已有學(xué)者采用有限元分析軟件對疊加閥片進(jìn)行初步研究，并得到了有價值的結(jié)論，例如，疊加閥片不等于各疊加閥片厚度之和，疊加閥片變形量不能用單片厚度等于疊加閥片厚度之和的閥片代替，疊加閥片變形量與疊加順序無關(guān)等。

但是，這些研究沒有解決疊加閥片設(shè)計中的關(guān)鍵問題，不能滿足減振器實(shí)際設(shè)計和生產(chǎn)的需要，如多片閥片疊加的等效厚度問題、疊加閥片厚度和應(yīng)力之間關(guān)系問題、設(shè)計厚度閥片拆分設(shè)計為疊加閥片問題及疊加閥片最大厚度問題等。目前，山東理工大學(xué)已對疊加閥片進(jìn)行研究解決了上述問題，并建立了疊加閥片設(shè)計原則。

1.3.3 流體阻尼研究狀況

流體阻尼技術(shù)早已應(yīng)用于很多領(lǐng)域，直到最近二三十年才在理論上形成新的學(xué)科。目前，流體阻尼的機(jī)理普遍被認(rèn)為是耦連的機(jī)械結(jié)構(gòu)和流體之間相對運(yùn)動而耗損能量。小孔阻尼的能量損失實(shí)際包括了黏滯損耗和渦流損耗兩部分。實(shí)際上，減振器阻尼產(chǎn)生的環(huán)境非常復(fù)雜，引起阻尼特性變化的原因有以下幾點(diǎn)：

1）活塞上下表面對流體的壓力阻尼，活塞周邊與油缸之間的薄膜阻尼力。

2）小孔節(jié)流引起的黏滯阻力與壓力阻尼。

3）油缸壁與流體的黏滯阻尼，活塞桿壁與密封圈之間的密封阻尼。

4）特殊工況下活塞桿的振動引起的振動阻尼。

5）油液中的氣泡與渦流引起的功耗。

6）油路突然擴(kuò)大、縮小以及改變方向所產(chǎn)生的局部阻力損失。

1994年，Koenraad Reybrouck所發(fā)表的論文標(biāo)志著國外汽車減振器技術(shù)領(lǐng)域的理論研究最新動向。文中提出了處理減振器高非線性行為的一般方法，涉及一系列正弦激勵信號下阻尼力的測量，所提出的減振器模型對兩個問題作了解答：

1）行駛中汽車的行為不僅與減振器特性參數(shù)的大小有關(guān)，而且還與減振器特性曲線（示功圖）的形狀有關(guān)。

2）減振器阻尼力不僅是速度的函數(shù)，而且還是位移、加速度和溫度的函數(shù)。

但該減振器模型沒有考慮局部阻力損失，例如，油液流動方向改變、流道突然擴(kuò)大和縮小等，同時，油液流動只考慮了紊流，沒有考慮在低速時的層流流動。因此，該模型限制了在低速度下的準(zhǔn)確性，也限制了參數(shù)設(shè)計和特性仿真的準(zhǔn)確性。

1.3.4 設(shè)計方法研究現(xiàn)狀

汽車減振器閥系參數(shù)嚴(yán)重影響減振器的特性，因此，國內(nèi)外有很多學(xué)者一直致力減振器閥系參數(shù)設(shè)計研究。目前，減振器閥系參數(shù)設(shè)計方法有兩類。

（1）利用《機(jī)械設(shè)計手冊》提供的最大撓度系數(shù)和公式進(jìn)行設(shè)計 利用開閥前速度點(diǎn)，根據(jù)節(jié)流壓力和流量之間的關(guān)系，對常通節(jié)流孔面積進(jìn)行設(shè)計；利用開閥后速度點(diǎn)，對閥片厚度進(jìn)行設(shè)計。減振器阻力特性是非線性的，不同速度點(diǎn)設(shè)計得到的參數(shù)值不同。因此，對減振器閥系參數(shù)大都是憑經(jīng)驗確定一個速度點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，先前，國內(nèi)外對單個閥系參數(shù)只能實(shí)現(xiàn)單速度點(diǎn)設(shè)計。

（2）利用計算機(jī)和軟件對減振器進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）先前對節(jié)流閥片缺少精確設(shè)計的解析式，對減振器閥系參數(shù)缺少準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計方法，因此，也難以保證CAD軟件的準(zhǔn)確性和可靠性，制約了現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

以上兩種設(shè)計方法存在的缺點(diǎn)為

1）所采樣的閥片變形計算公式是一個粗略計算公式，半徑和內(nèi)半徑閥片不同時，最大撓度系數(shù)難以準(zhǔn)確確定，對閥片變形量計算不準(zhǔn)確。

2）利用該方法計算得到的是閥片在外半徑r_b處的最大撓度，不是閥片在閥口位置的變形量，而實(shí)際節(jié)流閥開度是由節(jié)流閥片在閥口位置的變形量所決定的，利用閥片最外半徑r_b處的變形量，代替閥口位置半徑r_k處的變形量，將對參數(shù)設(shè)計產(chǎn)生很大誤差。

3）阻尼力是非線性的，利用不同速度設(shè)計點(diǎn)得到的設(shè)計參數(shù)不同。即使對設(shè)計速度點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，但是，當(dāng)減振器參數(shù)發(fā)生變化時，速度點(diǎn)也將變化。

以上兩種傳統(tǒng)設(shè)計方法，因沒有閥片開度精確計算公式，沒有可靠的設(shè)計理論和方法，因此難以獲得準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計參數(shù)。