最新双筒液压减震器设计.docx

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最新双筒液压减震器设计

双筒液压减震器设计

摘　　要

为改善汽车行驶平顺性，悬架中与弹性元件并联安装减振器，为衰减振动，汽车悬架系统中采用减振器多是液力减振器，其工作原理是当车架（或车身）和车桥间受振动出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。

此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，使汽车振动能量转化为油液热能，再由减振器吸收散发到大气中。

在油液通道截面和等因素不变时，阻尼力随车架与车桥（或车轮）之间的相对运动速度增减，并与油液粘度有关。

发展到今天减振器的结构有了很大的改变，性能也有了极大的提高。

通过对减振器的发展历史和发展趋势的深入了解，明确了设计该型减振器的重要性和意义，并设计了一种应用于微型汽车悬架的双筒油压减振器。

本文研究的主要问题如下：

（1）对双筒式油压减震器的结构设计，结构设计主要是确定减振器的类型、布置形式、安装角度和选用数量，这是进行尺寸设计的基础。

（2）对双筒式油压减震器的尺寸设计，尺寸设计的过程主要包括相对阻尼系数以及最大卸荷力的确定，减振器工作缸、活塞、活塞杆、阀系以及相关零部件的尺寸计算。

（3）完成结构设计与尺寸设计后应对减振器的强度和稳定性进行校核，校核的结果应符合国家相关技术标准。

（4）对双筒油压减震器的结构进行优化设计，这主要是连接件的比较和焊接工艺的优化。

（5）对双筒油压减振器的三维模型建立，包括工作缸、活塞、活塞杆及相关零件的模型建立，和装配方法。

本文的研究成果对减振器的进一步研究有重要的理论和实际应用意义，本文提出的优化方案为实际的生产制造提供一定的理论依据。

关键词：

油压式；减振器；优化；阻尼系数；工作缸

ABSTRACT

Theshockabsorberisanimportantconstituentofautomobilesuspension;ithasabigchangeinthestructureoftheshockabsorberuntilnow.Theperformancealsohadbigenhancement.Throughthedeepunderstandingofthehistoryandtendencyoftheshockabsorber,wemakecleartheimportanceandsignificanceofthedesigningoftheshockabsorber,anddesignakindofshockabsorberwhichisappliedtothesuspensionofthecompactcar.Themainproblemsdiscussedinthispaperareasfollows:

（1）Thedesigntothestructureofthegasificationtypeshockabsorber.Itmainlydeterminesthetypesoftheshockabsorber,layouts,theangleofinstallingandthequantityofselecting,thesearethefoundationofthedesigningofthesizes.

（2）Thedesigntothesizeofthegasificationtypeshockabsorber.Itincludesrelativedampingcoefficient,thedeterminationofthebiggestdischargestrength,andthecomputingofthesizesofworkcylinder,piston,connectingrod,valveandrelatedspareparts.

（3）Aftercompletingthestructuraldesignandthedesigningofthesizes,theshockabsorberintensityandthestabilityshouldbechecked,theresultsshouldconformtothecountryrelatedtechnicalstandards.

（4）Theoptimizationdesigntothestructureofthegasificationtypeshockabsorber,whichmainlyconcludesthecomparisonofconnectedpiecesandoptimizationoftheweldingprocess.

（5）Thebuildingofthethree-dimensionalmodelofthegasificationtypeshockabsorber.Itincludesthebuildingofthework-cylinder,piston,rodandtherelevantpartsofthemodel,andassemblymethods.

Inthispaper,theresultsofresearchhasimportanttheoreticalandpracticalsignificanceontheshockabsorber’sfurtherstudy,theoptimalschemewhichputforwardinthispaperhasprovidedthecertaintheoreticalbasisforthemanufacturingoftherealityproduction.

Keywords:

Type；ShockAbsorber；Optimization；DampingFactor；WorkCylinder

目　　录

第1章绪　　论1

1.1选题的目的和意义1

1.2减振器的发展历史2

1.3双筒式减振器国内外发展状况和发展趋势3

1.4研究的主要内容及方法4

第2章减振器的类型和工作原理6

2.1减振器的类型6

2.2减振器的工作原理6

2.3双筒式液压减振器的工作原理及优点7

2.4本章小结8

第3章双筒式液压减振器的设计9

3.1双筒式液压减振器的设计参数9

3.2双筒减振器的外特性与设计的原则9

3.2.1汽车悬架与减震器的匹配与减震器的放置9

3.2.2双筒式液压减振器的外特性10

3.2.3双筒式减振器的外特性设计原则11

3.3双筒式减振器参数和尺寸的确定11

3.3.1双筒式减振器相对阻尼系数的确定11

3.3.2双筒式减振器阻尼系数的确定14

3.3.3最大卸荷力的确定15

3.3.4减振器工作缸直径D的确定16

3.3.5双筒式减振器活塞行程的确定16

3.3.6液压缸壁厚、缸盖、活塞杆和最小导向长度的计算17

3.3.7液压缸的结构设计22

3.3.8活塞及阀系的尺寸计算24

3.3.9密封元件和工作油液的确定26

3.4本章小结28

第4章双筒液压减振器的结构优化29

4.1双筒液压减振器连接件的优化29

4.2双筒液压振器焊接方法的优化32

4.3本章小结33

第5章双筒液压减振器的三维造型34

5.1运用Inventor对双筒液压的主要零件进行绘制34

5.1.1工作缸的三维造型34

5.1.2活塞的三维造型35

5.1.3活塞杆的三维造型37

5.1.4活塞的三维造型38

5.2双筒液压减振器的装配过程43

5.3本章小结54

结论55

参考文献56

致谢57

附录58

第1章绪　　论

1.1选题的目的和意义

随着我国经济的迅速发展，人民生活水平日渐提高，汽车已经成为人们的生活中必不可少的交通工具，并且对乘车的安全性和舒适性也有了更高的要求，对研究双筒液压减振器就是为了满足这一目的。

车辆是一个由许多子系统组合而成的复杂系统，其总体性能与零部件的性能关系密切。

因此，零部件的研发，不但涉及零部件本身的分析计算与试验等，而且涉及许多与整车有关的参数，是一个较为复杂的研发过程。

减振器是车辆悬架系统中的重要部件，其性能的好坏对车辆的舒适性以及车辆及悬架系统的使用寿命等有较大影响。

Inventor美国AutoDesk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件Autodesk®Inventor™Professional（AIP），目前已推出最新版本AIP2010。

AutodeskInventorProfessional包括AutodeskInventor®三维设计软件；基于AutoCAD®平台开发的二维机械制图和详图软件AutoCAD®Mechanical；还加入了用于缆线和束线设计、管道设计及PCBIDF文件输入的专业功能模块，并加入了由业界领先的ANSYS®技术支持的FEA功能，可以直接在AutodeskInventor软件中进行应力分析。

在此基础上，集成的数据管理软件Autodesk®Vault-用于安全地管理进展中的设计数据。

由于AutodeskInventorProfessional集所有这些产品于一体，因此提供了一个无风险的二维到三维转换路径。

　　Autodesk®Inventor™软件是一套全面的设计工具，用于创建和验证完整的数字样机；帮助制造商减少物理样机投入，以更快的速度将更多的创新产品推向市场。

AutodeskInventor产品系列正在改变传统的CAD工作流程：

因为简化了复杂三维模型的创建，工程师即可专注于设计的功能实现。

通过快速创建数字样机，并利用数字样机来验证设计的功能，工程师即可在投产前更容易发现设计中的错误。

Inventor能够加速概念设计到产品制造的整个流程，并凭借着这一创新方法，连续7年销量居同类产品之首。

通过运用Inventor的主要功能与双筒液压减震器的具体设计相结合，学会减震器的计算设计与力学校核的同时，学会怎样与设计软件的综合运用，将设计思路清晰化，将设计过程更加科学、更加准确。

1.2减振器的发展历史

世界上第一个有记载、比较简单的减振器是1897年由两个姓吉明的人发明的。

他们把橡胶块与叶片弹簧的端部相连，当悬架被完全压缩时，橡胶减振块就碰到连接在汽车大梁上的一个螺栓，产生止动。

这种减振器在很多现代汽车悬架上仍有使用，但其减振效果很小。

1898年，第一个实用的减振器由一法国人特鲁芬特研制成功并被安装到摩托赛车上。

该车的前叉悬置于弹簧上，同时与一个摩擦阻尼件相连，以防止摩托车的振颤。

减振器的结构发展主要经历了以下几种发展形式：

加布里埃尔减振器，它是由固定在汽车大梁上的罩壳和装在其里面的涡旋形钢带组成，钢带通过一个弹簧保持其张力，钢带的外端与车桥轴端连接，以限制由振动引起的弹跳量。

平衡弹簧式减振器，这是加到叶片弹簧上的一种辅助螺旋弹簧。

由于每一个弹簧都有不同的谐振频率，它们趋向于抵消各自的振颤，但同时也增大了悬架的刚性，所以很快就停止了使用[1]。

空气弹簧减振器，空气弹簧不仅兼有弹簧和吸振的作用，而且常常可省去金属弹簧。

第一个空气弹簧减振器是1909年由英国考温汽车工厂研制成功的。

它是一个圆柱形的空气筒，利用打气筒可以把空气经外壳上部的气阀注满空气筒，空气筒的下半部分容纳一个由橡胶和帘布制成的膜片。

因为它被空气所包围，所以其工作原理与充气轮胎相似，它的主要缺点是常常泄漏空气。

液压减振器，第一个实用的液压减振器是1908年由法国人霍迪立设计的。

液压减振器的原理是迫使液流通过小孔产生阻尼作用。

通常的筒式减振器是由一个与汽车底盘固定的带有节流小孔的活塞和一个与悬架或车桥固定的圆柱形贮液筒组成。

门罗在1933年为赫德森制造的汽车装用了第一个采用原始液压减振器的汽车。

到了二十世纪三十年代末，双作用减振器在美国生产的汽车上被普遍采用。

到了二十世纪六十年代，欧洲采用的杠杆式液压减振器占了优势，这种减振器与哈德福特的摩擦式减振原理相似，但使用的是液流而不是摩擦缓冲衬垫。

麦弗逊支柱式减振器，随着前轮驱动汽车的出现，二十世纪七十年代以来，制造商开始采用麦弗逊式减振器。

这种减振器是二十世纪六十年代通用公司麦弗逊工程师研制成功的。

他把螺旋弹簧、液压减振器和上悬架臂杆组成一个紧凑的部件。

其主要优点是体积小，适合前轮驱动汽车，可在与变速器组成一体的驱动桥上应用。

另外，有一种电子控制减振器，能根据道路状况、车速和驱动形式自动调节悬架软、中、硬三种刚度。

该减振器通过在汽车保险杠下方装有一个带声纳的测量部件监测路面状况，把测得的数据输入处理单元，然后调节减振器中的按键，以改变液流通道的尺寸。

充气式减振器是二十世纪六七十年代以来发展起来的一种新型减振器。

充气式减振器的特殊结构和充气参数，可以大大地降低噪音，并有利于保证活塞高速运动时的阻尼特征，同时减振器上的减振支柱实质上属于双筒结构，它除了阻尼减振还有如下附加功能：

他和控制臂一起对车轮进行导向[2]。

1.3双筒式减振器国内外发展状况和发展趋势

目前国内汽车减振器大部分是筒式液阻减振器，其阻尼力主要通过油液流经空隙的节流作用产生。

减振器的设计开发也由基于经验设计加实验修整的传统方法向基于CAD/CAE技术的现代优化设计方法转变。

20世纪50年代发展起来了液压减振器技术，在双筒式减振器内充入油液（0.3～0.5MPa）减振器的临界工作速度相应提高，后来又发展了双筒式减振器，它采用活塞阀体与底阀相配合的结构，在浮动活塞在缸筒间的一端形成的补偿室内充入一定量的高压气体（2.0～2.5MPa）氮气。

与双筒式减振器比，单筒充气式减振器质量显著减轻，安装角度不受限制，但其制造精度要求和成本较高[3]。

据调查，目前国内双筒液阻减振器配套产能有过剩趋势，生产高档次减振器的不多。

单筒充气式减振器国内生产厂家正在消化吸收设计技术和提高制造工艺技术阶段，产品质量还没很过关。

对于充气式减振器的研究也主要集中在单缸充气式汽车减振器方面。

在郭孔辉院士的领导下，长春汽车研究所作了大量的试验工作，积累了一些经验。

但由于橡胶的寿命不过关及设计、制造等多方面因素的影响，一直没有形成比较成熟的技术。

近几年，由于高速公路的迅速发展，对舒适性的要求也越来越高，国内对充气式减振器研究及产品开发工作又重新重视起来。

哈尔滨铁路局减速预调速研究中心和哈尔滨工业大学的高起波、曾祥荣两位老师对充气式减振器性能进行了理论分析和试验；天津大学的马国清、王树新、卞学良等对充气式减振器建立数学模型，建立计算机仿真程序，利用该程序可以得到参数变化对减振器性能的影响趋势，取得一些较好的研究成果。

后勤工程学院的晏华等设计的充气式电流变减振器设计比较先进。

有些厂家也投入人力物力对充气式减振器关键部件进行开发，如浙江瑞安东欧汽车零部件厂、贵州前进橡胶有限公司、宁波美亚达金属塑料有限公司等，并具有了一定的生产规模。

国外工程机械主要配套件大多数都生产历史悠久，技术成熟、供应充足、生产集中度高、品牌效应突出。

目前世界上生产减振器最大的企业，美国天纳克（TA）汽车工业公司是世界最著名的减振器生产商，也是目前全球最大的专业生产减振器的厂家，其生产的充气式减振器符合美国军用标准。

同时还不断推出新的减振器，推动减振器技术不断向更高技术水平发展。

另外还有几家较为先进的公司如：

Ford和GeneralMotors这两家。

这两家公司生产的减振器能很好的解决汽车的安全性和舒适性这两方面的要求，例如德国大众公司的GTI、甲壳虫，奔驰-戴姆勒·克莱斯勒汽车有限公司生产的C200均采用了双筒油压式减振器，在保证安全性的前提下充分提升了汽车的稳定和操控性。

由于汽车在不同的行驶工况下对减振器的特性有不同的要求，可调阻尼减振器是筒式减振器技术发展的目标。

目前国外已经开发有机械控制式的充气式减振器，电子控制式的充气式减振器，在个别高档车还试用电流变液减振器，但电流变液减振器的工作温度范围窄-25～125℃，其强度和化学稳定性较差，影响其工作的可靠性。

充气式减振器相比电流变液减振器，不需要特殊的高压供电装置，成本低、使用安全、稳定性强[9]。

目前最先进的充气式减振器的响应时间约10ms，需进一步提高。

充气式减振器有很好的运用前景，是半主动或主动悬架较好的配置，但是尚需在缩短响应时间上改进。

德国奥迪推出的2.7T越野车，使用了双充气式减振器，奔驰-戴姆勒·克莱斯勒汽车有限公司生产的300C和Jeep4700均采用了充气式减振器。

充气式减振器是一个较为新兴的技术，可同时提高车辆的舒适程度、驾驶性能和安全性能。

由于车轮控制得到改善，车辆的安全性和可靠性得到提升；通过控制车身运动，提高驾驶平顺性，并使操作更精确、反应更迅速；在刹车和加速过程中减少乘员“前冲”和“后仰”；改善负荷转移特性，在车辆高速行驶中突然变向时，可提供更好的防侧翻控制；由于减小了路面反冲力，使驾驶更为安静、精确。

正是由于这些特点，充气式减振器首先在中高级轿车上得到了应用。

充气式减振器的发展前景，国外对充气式减振器的研究已经发展到电子控制式减振器。

我国对减振器的研究主要集中在单筒充气式减振器方面，而且发展比较缓慢。

我们应当在前人对充气式减振器研究的基础上更加深入地对其进行分析和研究，努力缩短和发达国家的差距。

对充气式减振器的研究能有效的提高我国汽车工业的制造水平，降低汽车的制造成本，对中国经济的快速发展大有益处。

1.4研究的主要内容及方法

通过Inventor软件的辅助，设计一种用于松花江民意微型汽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。

通过大量的社会实际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。

在设计的过程中参考国内外相关的文献资料以及借鉴相关企业的产品，预期的设计产品能够符合理论设计要求，各项技术指标符合要求，并且将生产成本降到最低。

第2章减振器的类型和工作原理

2.1减振器的类型

悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。

汽车车身和车轮振动时减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和粘性液体的摩擦形成了振动阻尼，将振动能量转化为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的。

如果能量的消耗仅仅只是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称为单向作用减振器；反之称为双向作用减振器。

后者因为减振作用比前者好而得到广泛应用。

减振器大体上分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。

摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。

但是由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很容易受到油、水等的影响，无法正常工作，无法满

足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、容易调整等优点，但现在汽车上已经不再采用这类减振器。

液力减振器最早出现于1901年，有两种主要的结构形式分别是摇臂式和筒式。

悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。

所以我选择筒式减振器。

而在筒式减振器中，常用的三种形式是：

双筒式、单筒充气式和双筒充气式。

我选择双筒式液力减振器。

2.2减振器的工作原理

悬架系统中由于弹性元件受冲击产生振动，为改善汽车行驶平顺性，悬架中与弹性元件并联安装减振器用来衰减振动。

液力减振器在汽车悬架系统中广泛应用，其作用原理是利用液体流动的阻力来消耗振动的能量。

当车架与车桥相对运动时，活塞在缸筒内上下移动，减振器壳体内的油压便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一个内腔。

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，使车身和车架的振动能量转化为热能而被油液和减振器壳体所吸收，最后散到大气中去。

减振器的阻尼力大小随车架与车桥的相对运动速度的增减而增减，并且与油液的粘度有关[6]。

减振器与弹性元件承担着减振和缓冲击的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使减振器连接件损坏，因面要调节弹性元件和减振器这一矛盾。

1、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、悬架伸张行程

车桥和车架相互远离，减振器阻尼力应大，迅速减振。

3、相对速度

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.

2.3双筒式液压减振器的工作原理及优点

主要构成有：

密封气室、浮动活塞、工作活塞、封圈、压力阀板、活塞、速度阀板、活塞杆等。

双向作用筒式减振器工作原理说明。

在压缩行程时，指汽车车轮移近车身减振器受压缩，此时减振器内活塞3向下移动。

活塞下腔室的容积减少，油压升高，油液流经流通阀8流到活塞上面的腔室（上腔）。

上腔被活塞杆1占去了一部分空间，因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积，一部分油液于是就推开压缩阀6流回贮油缸5。

这些阀对油的节约形成悬架受压缩运动的阻尼力。

减振器在伸张行程时，车轮相当于远离车身，减振器受拉伸。

这时减振器的活塞向上移动。

活塞上腔油压升高，流通阀8关闭，上腔内的油液推开伸张阀4流入下腔。

由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液不足以充满下腔增加的容积，主使下腔产生一真空度，这时储油缸中的油液推开补偿阀7流进下腔进行补充。

由于这些阀的节流作用对悬架在伸张运动时起到阻尼作用。

由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力设计的大于压缩阀，在同样压力作用下，伸张阀及相应的常通缝隙的通道载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道截面积总和。

这使得减振器的伸张行程产生的阻尼力大于压缩行程的阻尼力，达到迅速减振的要求。

（3-1）

双筒式减振器具有如下的优点：

使用广泛、制造成本低，使结构简化，重量减轻、性能也较为稳定，而且是双向作用，在压缩与伸张的状态下都有设计好的阻尼力，所以在各个工况

2.4本章小结

主要介绍减振器种类、分类方法和具体的工作原理以及在现代汽车中的应用。

在阐明双筒式液压结构特点和应用，得出双筒式液压减震器功能上的优点和缺点，为后文的设计计算做好基础。

第3章双筒式液压减振器的设计

3.1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、车辆振动固有频率（圆频率）、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、活塞正反最大阻力、开阀压力、减振器阻尼系数等[8]