精品完整版轿车减振器的设计.docx
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精品完整版轿车减振器的设计
轿车减震器的设计
摘要
本文设计出适用于中国一般城市道路使用的双作用筒式减振器。
首先，根据轿车的质量算出减振器的阻尼系数，确定缸体结构参数，然后建立流体力学模型，先选定一条理想的减振器标准阻尼特性曲线，然后利用逼近理想阻尼特性曲线的方法，进行各阀、系的设计计算；在此基础上，设计出整个减震器，并对主要部件的强度进行了校核。
关键词：
双作用筒式减振器；流体力学模型；理想特性曲线；强度校核
1.绪论
1.1本课题设计的目的及意义
减震器是安装在车体与负重轮之间的一个阻尼元件，其作用是衰减车体的振动并阻止共振情况下车体振幅的无限增大，能减小车体振动的振幅和振动次数，因而能延长弹性元件的疲劳寿命和提高人乘车的舒适性[1]。
长期以来，人们对汽车的平顺性一直都在研究，在技术上也有重大的改进革。
减震器是改善汽车平顺性的最好途径。
一个好的减震器能够使车的寿命增长，驾驶员操纵轻便，乘员更加舒服。
1.2减振器国内外是发展状况
为加速车身振动的衰减，改善汽车行使平顺性，大多数轿车的悬架内都装有减震器。
减震器和弹性元件是并联安装的。
其中采用最广泛的是液力减震器，又称筒式液力减振器，现简称为筒式减振器。
根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。
而筒式减震器工作压力仅在2.5～5MPa，但是它的工作性能稳定而在现代的汽车上得道广泛的应用。
又可以分为单筒式、双筒式和充气筒式三种[3]。
减震器的阻尼力越大，振动消除得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥；还可能导致连接件及车架损坏。
通常为了保证伸张过程内产生的阻尼力比压缩行程内产生的阻尼力大得多，所以伸张阀弹簧刚度和预紧力比压缩阀大；在同样油压力作用下，伸张阀及相应的通常缝隙的同道截面积总和小于压缩阀及相应的通常缝隙的通常截面积总和。
这样也保证了悬架在压缩行程内，减震器的阻尼力较小，以便充分利用弹性元件的弹性来缓和冲击；在伸张行程内，减震器的阻尼力应较大，以求迅速减振[2]。
汽车悬架系统中广泛采用的液力减震器。
液力减震器的作用原理是，当车架与车身作往复相对运动时，减震器中的活塞在缸筒内也是往复运动，于是减震器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔。
此时，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，被油液和减震器壳体吸收，然后散到大气中[2]。
减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使减振器连接件损坏。
因而要调节弹性元件和减振器这一矛盾。
（1）在压缩行程（车桥和车架相互靠近），减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的弹性作用，缓和冲击。
这时，弹性元件起主要作用。
（2）在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离），减振器阻尼力应大，迅速减振。
（3）当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。
在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器，还有采用新式减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器[2]。
1.3设计的主要研究内容
本文的设计是要满足一般性能要求：
一是要具有一般的舒适性；二是可以满足中国现代一般城市道路的使用要求；三能保证有足够的使用寿命；四是在使用期间保证汽车行驶平顺性的性能稳定。
在减振器中，流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很弱。
当阀上的油压作用力同向时，只要很小的油压，阀便能开启；压缩阀和伸张阀是卸载阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压到一定程度时，阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀即自行关闭。
根据它们不同的工作要求，各阀系设计计算和装配都有所不同。
根据以上要求，本文设计的基本步骤有1）确定减振器的阻尼系数和相对阻尼系数；2）计算出各机械结构的主要参数，其中包括缸筒、储油缸筒、活塞杆导向座和活塞的尺寸设计计算；3）在总体参数出来以后，就对减振器连接结构、密封结构的设计，弹簧片以及减振器油的选择等；4）总体参数确定后，建立各阀系的力学模型、各阀系模型以及阻尼阀阀片的挠曲变形模型，完成各阀系的设计计算。
5）完成设计计算后，对主要受力部件进行校核验证。
2.减震器阻尼值计算和机械结构设计
2.1相对阻尼系数和阻尼系数的确定
2.1.1悬架弹性特性的选择
在前轮或后轮上，把前、后轮接地点垂直方向的载荷变化和轮心在垂直方向的位置变化量关系称为悬架系统的弹性特性。
如图2-1所示，在任一载荷状态下，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2－1悬架弹性特性
设悬架刚度为k，簧上质量为m，则根据下式可求系统的固有振动频率f：
车轮上下跳动行程的一般范围是：
上跳行程70～120mm，下跳动行程80～120mm。
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1～2Hz[7].
由于轿车减振器主要是用于一些较好的路面上。
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率f＝1.5Hz，而m＝1200kg，则根据上式k＝10800
2.1.2相对阻尼系数
的选择
减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力F与减振器振动速度
之间有如下关系
（2.1）
式中，
为减振器阻尼系数。
图2—1b示出减振器的阻力－速度特性图。
该图具有如下特点：
阻力－速度特性由四段近似直线线段组成，其中压缩行程和伸张行程的阻力－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
，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。
通常压缩行程的阻尼系数
与伸张行程的阻尼系数
不等。
a）阻力一位移特性b）阻力一速度特性
图2—1减振器的特性
汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的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。
的表达式为
（2.2）
式中，c为悬架系统垂直刚度；
为簧上质量。
式（2－2）表明，相对阻尼系数
的物理意义是：
减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量
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
取得小些，伸张行程时的相对阻尼系数
取得大些。
两者之间保持
＝（0.25～0.50）
的关系。
设计时，先选取
与
的平均值
。
对于无内摩擦的弹性元件悬架，取
＝0.25～0.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，
值取小些。
对于行驶路面条件较差的汽车，
值应取大些，一般取
＞0.3；为避免悬架碰撞车架，取
＝0.5
[3]。
根据以上所述：
取
＝0.36
＝0.5
＝0.5×0.36＝0.18
＝0.27
2.1.3减振器阻尼系数
的确定
减振器阻尼系数
。
因悬架系统固有振动频率
，所以理论上
。
实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。
例如，当减振器如图2－2a、b、c三种安装时，我选择了如图2－13b所示安装。
减振器阻尼系数
用下式计算
图2—2减振器安装位置
2－2b所示安装时，减振器的阻尼系数占用下式计算[3]
（2.3）
式中，a为减振器轴线与铅垂线之间的夹角。
然而，
＝0.27
阻尼系数：
伸张阻尼系数：
2.2最大卸荷力
的确定
为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器打开卸荷。
此时的活塞速度称为卸荷速度
。
在减振器安装如图2－2b所示时
（2.4）
式中，
为卸载速度，一般为0.15～0.30m/s；A为车身振幅，取±40mm，
为悬架振动固有频率。
如已知伸张行程时的阻尼系数
，载伸张行程的最大卸荷力
[3]。
伸张行程的最大卸荷力：
压缩行程的最大卸荷力：
2.3缸筒的设计计算
根据伸张行程的最大卸荷力
计算工作缸直径D
（2.5）
式中，
为工作缸最大允许压力，取3～4Mpa；
为连杆直径与缸筒直径之比，双筒式减振器取
＝0.40～0.50，单筒式减振器取
＝0.30～0.35[3]。
减振器的工作缸直径D有20、30、40、（45）、50、65mm等几种。
选取时应按标准选用。
贮油筒直径
＝（1.35～1.50）D，壁厚取为2mm，材料可选ZG45号钢。
取
40mm
2.4活塞杆的设计计算
活塞（工作缸）直径
与活塞杆直径
可按下式计算经验数据：
＝（0.4～0.5）
，取
＝40mm则
＝18mm.
2.5导向座宽度和活塞宽度的设计计算
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。
又因为在减振器工作时，活塞杆与导向座之间是相对滑动的。
在导向座内设计一衬套，在减少活塞杆的摩擦的同时也使活塞杆滑动轻便，迅速[8]。
活塞的宽度B，一般取B＝（0.6～1.0）D;缸盖滑动支承面的长度
根据液压缸内径D而定：
当D<80mm时，取
＝（0.6～1.0）D；
当D>80mm时，取
＝（0.6～1.0）D；
所以：
导向座的长度：
＝0.6
40＝24mm
活塞宽度：
B＝0.6
40＝24mm
2.6小结
本章主要设计计算、选择了减振器的相对阻尼系数，阻尼系数，对主要的结构参数如缸筒的设计计算、活塞杆的设计计算、导向座宽度和活塞宽度的设计计算进行了计算，已经算出了减振器的外部尺寸。
3.减震器其他部件的设计
3.1固定连接的结构形式
减振器与整车连接结构指的是减振器和整车安装连接的部分，为了加强减振器的减振效果，一般在连接部分都附有各种结构形式的橡胶缓冲垫，因此连接部分主要由吊环（螺栓等）和橡胶衬套等组成。
而本文设计的连接结构是一种上部为螺纹连接、下部为吊环连接形式的减振器，上部以上螺纹及穿在螺纹上的橡胶衬套、垫圈和车身连接，下部以吊环及吊环内的附件和横臂连接[9]。
如图3-1、3-2所示：
图3－1上螺纹连接示意图图3－2下吊环连接示意图
下面表A1是吊环设计标准尺寸，本文设计的工作缸直径是40mm根据下表可查出吊环的尺寸：
吊环标准尺寸表mm
及
型
工作缸直径
尺寸
20
12
19
28
18
24
30
19
30
44.5
28
33
40
26
40
57
38
50
（45）
50
32
50
70
46
60
本文选取：
型吊环，
＝40mm,D=26mm,
=40mm,
=57.0mm,h=38,
=50mm
3.2减震器油封设计
1.油封设计：
本文设计的油封，是指对液压油的密封。
其主要功能是把油腔和外界隔离，对内封油，对外封尘。
油封的工作范围如下：
工作压力0.3Mpa；密封线速度，低速型小于4m/s，高速型为4～5m/s；工作温度-60～150℃（与橡胶种类有关）；适用介质：
油、水及弱腐蚀性液体，寿命12000h[10].
根据机械设计手册，选择的密封材料是丁腈橡胶；型式是粘接结构，粘接结构是橡胶部分和金属骨架分别加工制造，再用胶粘接在一起成为外露骨架型。
制造简单，价格便宜。
3.3O型橡胶密封圈
O形橡胶密封圈具有良好的密封性，它是一种压缩性密封件，同时又具有自封能力。
所以使用范围很宽，密封的压力范围从
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