某车型油气弹簧特性建模与仿真【三维proe】【含CAD图纸、说明书】【QX系列】
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油气弹簧特性建模与仿真某车型油气弹簧特性建模与仿真摘要 油气弹簧是油气悬架的关键元件之一,其在汽车领域和航天领域应用广泛,目前,国内只有少量的单位能够完成油气弹簧的设计,产品的质量与国外还存在一定的差距,因此,油气弹簧的设计对挺高我国自主研发能力、打造名族品牌具有深远的战略意义。 本文基于油气弹簧的工作原理及相关技术要求,完成油气弹簧的结构设计,利用三维软件对油气弹簧进行三维建模及运动仿真,使本文设计的油气弹簧满足工作要求。基于流体力学理论知识,建立油气弹簧的非线性数学模型,在此基础上,利用软件完成油气弹簧刚度、阻尼、总体输出力的特性仿真分析。关键词:油气弹簧;结构设计;运动仿真;特性仿真; 特性建模Modeling and Simulation of oil and gas springvehicleABSTRACTOil and gas spring is one of the key elements of the suspension, which is widely used in automotive and aerospace, present, only a small number of units to complete the oil and gas spring design, quality products and abroad, there is a gap, therefore, oil and gas spring design with far.reaching strategic significance to our pricey independent research and development capabilities, creating family brand name.Based on oil and gas spring works and relevant technical requirements, complete the structural design of oil and gas springs, and gas spring using three.dimensional software for three.dimensional modeling and motion simulation make this design work to meet the requirements of the oil and gas spring. Based on theoretical knowledge of fluid mechanics, nonlinear mathematical model for oil and gas spring, on this basis, the use of software and gas spring stiffness, damping, total output power characteristics simulation. According to the oil and gas spring characteristic simulation results, summarize the different parameters on the characteristics of the work rule.Keywords: oil and gas spring; structural design; motion simulation analysis; Simulation 目录1 绪论11.1 油气弹簧系统概述11.2 油气弹簧的工作原理11.3 国内外研究现状21.3.1国外研究现状21.3.2国内研究现状42 油气弹簧总体结构设计72.1 油气弹簧的总体设计72.2 油气弹簧主要基本尺寸的确定82.3油气弹簧阀系设计92.3.1 节流阀片厚度的设计102.3.2 油气弹簧节流缝隙的设计112.3.3 节流阀片限位装置的设计142.4 导向宽度的设计152.5 密封件的选取162.6 连接体的设计183 单所室油气弹簧理论模型建立203.1 单气室油气弹簧受力分析203.2 油气弹簧弹性力数学模型213.2.1 气体状态的选取223.2.2弹性力数学模型233.3 油气弹簧阻尼力数学模型243.3.1 阻尼孔的类型253.3.2 阀片产生的阻尼力数模型263.4 油气弹簧总输出力数学模型274 油气弹簧的特性仿真分析284.1 MATLAB软件及仿真流程简介284.2 油气弹簧刚度特性仿真分析304.2.1 气室的负载特性与刚度特性304.2.3 初始气室高度对刚度特性的影响324.2.4 活塞杆内径对刚度特性的影响335 油气弹簧Pro/e建模与仿真355.1 Pro/e主要特性355.2 主要零部件Pro/e 建模365.3 油气弹簧运动仿真41总 结44致 谢45参考文献461 绪论1.1 油气弹簧系统概述油气弹簧是油气悬架的重要组成部分 (弹性元件),它是以气体(如氮气)作为弹性介质,以油液作为中间介质传递压力和衰减振动, 是一种具有液力阻尼特性的弹簧。 油气弹簧具有随着工作压力增加而刚度迅速增大的非线性工作特性, 可以明显地提高汽车行驶的平顺性1。 与 其它车用弹簧相比 ,如钢板弹簧 、螺旋弹簧、扭杆弹簧等,油气弹簧具有良好的非线性刚度特性和阻尼特性。 除此之外,还具有体积小、质量轻、单位储能比大、刚性闭锁作用等优点。随着车辆行业的飞速发展和人类生活水平的提高,汽车的舒适性和平稳性越来越成为人们关注的焦点,而油气弹簧的工作特性能够有效地提高汽车的性能,满足人们的要求2。 目前,油气弹簧主要应用在军事车辆、高级轿车、豪华客车、工程车辆等,在国外车辆设计上应用较为广泛,如法国 AMX.10RC 轮式输送车、美国卡特彼勒公司的 CAT789 自卸车。 国内应用则较少,如徐州重工生产的 QAY25 起重机等。由此可见,油气弹簧的研究对我国汽车行业的发展具有深远的意义。1.2 油气弹簧的工作原理油气弹簧的结构形式分为单气室、双气室、两级压力式等,单气室又分为油气混合式和油气分隔式。本文针对单气室油气分隔式油气弹簧进行结构设计和相关分析。如图1-1所示,油气弹簧由活塞杆(内缸体)、外缸体、节流阀片组成。活塞杆被浮动活塞分隔成气室和内缸油室,气室内部充满高压气体,外缸体分为上、下油室。其工作原理是:当活塞杆与外缸体相对移动缓慢时,它们之间的相对速度较小,油液经初始设计的缝隙流过,产生节流阻尼力,并且由于油液流动缓慢,所以节流阀片的上下压差很小;而当它们之间的相对移动增快时,相对速度迅速增大,油液迅速流过初始设计的节流缝隙,并且使节流阀片弯曲变形,节流缝隙增大,油液经过增大的缝隙产生节流阻尼力,当它们之间的相对速度达到一定值时,此时节流阀片的厚度等于其弯曲变形量,阀片实现开阀。图1-1 油气弹簧结构原理图1.3 国内外研究现状1.3.1国外研究现状定性、定量的理论工作在国外己经得到了大量、广泛的研宄,经过长期的发展,技术不断提高,一套从产品研发到生产的方法已经形成,但核心技术环节为企业的机密文件,如结构设计环节,外部人员无法查看,所以,在国内无法查阅到关键的技术资料。目前拥有的资料表明,在国外,理论研宄工作主要集中在合理地建立油气弹篑数学模型方面,参数化与非参数化的数学模型被学者们广泛地研宄。针对单紅式油气弹黃,Worden指出建立参数化模型应在对内部工作状态进行准确地描述基础上,将自身结构参数与相关定律进行交叉渗透,并分析每个参数对系统外特性的影响,它的缺点是较多的参数使得校准、计算消耗的时间较长;建立非参数化模型通常选择某一函数,利用拟合试验数据的方法,描述系统的外特性,虽然,校核、计算的速度得到明显的提高,但试验研宄消耗的人力、物力较大。不同的建模方法都有各自的优势和劣势,因此,对待不同的问题应具体分析。通过建立单虹单气室油气弹黃的参数化模型,Kangjin Lee指出在激励的速度较高时,过大的孔口压差是产生气穴现象的主要原因 ,通过对比试验数据,分析了不同温度下的力.位移曲线5;Duym建立了油气弹簧的非线性模型,并对其进行了评价研宄;为了简便地建立可靠的油气弹簧数学模型,MDI公司开发了ADAMS软件,它是一款专业的机械动力学分析软件,提供了一个很好的参数化设计平台。为了避幵两种方法各自的局限性,最大限度的发挥各自的优点,国外研究人员建议结合两种方法进行建模研宄,例如:Lang为描述油气弹黃的阻尼阀节流情况,他对阀孔孔口压差及流量进行实际测量,并绘制压差流量关系曲线。除此之外,研究工作还包含其它方面。例如:针对主动和半主动类型的油气弹簧,研发出新型的结构形式及主动、半主动控制策略。上个世纪年代末,由美国公司WABCO首次提出油气弹簧这项技术,经过实践应用,人们慢慢地意识这项技术能够很好地提高汽车的工作特性,并且具有广阔的市场前景,经过科研人员的不断专研,该技术得到了长足的发展与提高。实际上早在世纪年代国外就有许多成型的产品,这说明国外产品早己进入了成熟和实用阶段。目前,油气弹簧在国外被广泛应用于国防、军事、特种车辆、赛车及轿车、工程机械等的悬架装置和飞机的起落架装置6。1)国防、军事、特种车辆在特种车方面,油气弹黃主要应用在装甲车、坦克及导弹运输车等。例如,MBT.70坦克装有可调式油气悬架,它是由美国和德国共同研制出来的,悬架的液压系统可以达到闭锁的状态;UET.A型装甲工程牵引车,它是由美国单独研制出来的,在工作状态下,可以使车身保持在水平稳定的状态;M107是由美国研制出来的,它的功能特点是能够实现悬架闭锁;T.80坦克、“雷神”导弹防空车是由前苏联研制出来的,并在军事中得到广泛的应用,军队的战斗力得到明显的提高;法国将油气弹簧应用在AMX.10RC轮式战车和AMX.10C履带式战车上,用来提高悬架的工作性能和行驶平顺性;通过油气弹簧的应用,日本74式主战坦克能够全面实现车身的前后俯仰、左右侧倾及上下升降。2)工程机械主要应用在起重机、伊运机械和自卸车等装置上。例如:起重机方面有德国生产的LTM系列和美国的AT系列,纟产运机方面有美国生产的TS.24B型;自卸车方面有意大利的S30等。3)赛车及轿车法国雪铁龙公司生产的DS19、ID.19型赛车8,德国奔驰的BENZ450E6.9、法国的CitronCS,CS系列等高级小轿车等9。1.3.2国内研究现状20世纪80年代,油气弹簧引起了国内研宄人员的关注意。进入到90年代,国内的一些大型国有企业引进了装有油气弹簧的车辆,这一事件翻开了国内油气弹黉研究高潮的第一页,随后,国内的高等院校也加入了科研队伍。目前,该技术在国内的研究主要包括如下几个方面10:1)基本的设计理论研宄。基于车辆的类型、性能、参数及油气弹簧内、外部的工作环境等因素,研究人员完成油气弹簧最佳阻尼匹配特性、油液节流损失性能、阀片应力、应变特性及阻尼、刚度等特性的研究,得出油气弹黃的工作特性的变化规律,为我国自主研发提供重要的科研资料。2)油气弹簧特性仿真及相关软件开发的研宄。国内研究人员在该方面进行了大量的研宄工作,主要对油气弹簧的工作特性进行仿真模型建立及定性分析,应用相关软件进行仿真,如:MATLAB中的SIMULINK模块、VC+编程软件,经过科研工作人员的不懈努力,在该方面取得了突出的成绩,并且在各大高校的相关科研工作也开展的如火如荼,如:吉林大学、北京理工大学、山东理工大学等。3)特定车型才需使用的油气弹賛研究。该方面目前还处于研究阶段,主要是利用ADAMS软件完成油气弹簧机械模型的建立,并纳入液压系统,完成油气弹簧的特性分析11。4)油气弹簧的新型结构形式的研发。如图所示为某种刚度可控的油气弹簧模型,在结构上它拥有两个储气室,工作时ECU根据采集的汽车和油气弹簧的相关信号,控制开关阀的工作状态,实现刚度随车身状态的变化而变化的功能,如图1-2所示。 图1-2 某种车用刚度可控的油气弹簧模型5)利用对油气弹簧进行实验所得出的数据反求油气弹黉的参数。通过试验的手段得出最能真实、准确反映油气弹簧特性的数据,在此基础上,对结构参数进行参数反求,目前,国内主要对节流阀参数进行反求。目前,油气弹簧在国内的应用在军工方面比较集中,如:由航天15所自主研发的某型号导弹发射车,通过联通不同油气弹簧气腔的措施,很到地提高自身的平衡性,还有北方车辆研宄通过油气弹簧的应用提高了导弹发射时车身的稳定性。对比油气弹簧的发展现状,以下几个方面应该加大科研力度:1)设计、生产的能力。这是由于先进的研宄成果被国外封锁,造成国内研究人员没有相关资料可供参考,并且研宄经费供不应求,使得油气弹簧的研究只能在少量的科研单位进行,并且产品的质量较国外落后。2)科研范围。对从国外购买的成熟样机进行相关的理论分析仍是我国目前的主要研宄工作,要想达到世界领先的技术水平,广大研究人员还需付出刻苦的努力,对油气弹黃进行更全面的研宄,这样才能更快地生产出高质量的产品。3)制定规范手册。目前国内己经进行了相关的研宄工作,但是没有得出一套能够指导设计并且相对成熟的设计规则手册。上述几个方面是我国的油气弹賛从自主设计到生产维护能力无法尽快达到国际水平的主要原因。若能很好的解决上述问题,我国油气弹黃的技术水平会得到较大程度的提升。2 油气弹簧总体结构设计 2.1 油气弹簧的总体设计 表2-1 为汽车气悬架的相关参数要求表2-1 设计参数要求名称技术要求油料YH.10航空液压油单轮弹簧上质量1850kg油气弹簧气室气体的初始压力5.1MPa车身固有频率1.05Hz悬架系统最佳阻尼比0.25悬架的杠杆比1油气弹簧的行程380mm环境温度.20+40重量20Kg(单件) 本文主要根据油气悬架的相关参数要求,设计一款单气室油气弹黃。如图2-1所示为油气弹賛总体结构,它的主要结构包括上、下连接体、外紅体、活塞杆、浮动活塞、活塞、节流阀系、导向盖等。上、下连接体与外站体、活塞杆的连接方式为螺纹连接,并设有密封圈,防止油液从其内部泄露,此外,上、下连接体上分别设有充气孔和充油孔,用于向油气弹簧内部充入气体和油液。活塞杆为中空的结构形式,内部装有浮动活塞,浮动活塞将活塞杆分为气室和油室,气室和油室内分别充入高压的氮气和油液,在浮动活塞内部装有密封圈,防止气体与油液的接触。节流阀系与活塞杆联接。节流阔系内部装有节流阀片,油液流经节流阀系时,产生阻尼力,此外,节流阀系内部设有限位装置,用来限制阀片的最大位移在一定范围,保证阀片安全工作。导向盖的主要作用是引导活塞杆相对与外紅体的移动,并且在其结构上设有密封圈,防止油液从油气弹賛内部流出。浮动活塞上连接体活塞杆导向盖活塞外缸体 节流阀系 下连接体 图2-1 油气弹簧总体结构图2.2 油气弹簧主要基本尺寸的确定 汽车在稳定行驶过程中,油气弹簧内腔的油液流动缓慢,各腔的压力相等,且阻尼力可以忽略不计,此时油气弹簧的输出力(静态输出力): (2-1) 根据油气弹簧静平衡位置承受的载荷、工作压力及公式(2-1)可知气室直径: (2-2)其中,.满载状态允许的工作压力,一般为6.5MPa12; F.满载状态油气弹簧承受的载荷; .气室面积; .气室直径。通过公式(2-2)计算出=59.61mm,根据机械设计手册相关资料,将计算的数值化成标准值,符合要求的值为60mm。根据气室的初始压力,参照相关资料13,可以求出外缸体内径大小为126mm,然后按照相关标准选择外缸体内径为125mm。油气弹簧缸体为塑性材料,当受到振动、冲击等影响内部的最高工作压力可以达到20MPa左右,为高压系统,其壁厚一般按照厚壁计算: (2-3)其中:D0为缸筒内径: 为缸体选用材料的许用强度: 为选取的工作压力。本文设计的缸体材料为合金钢40Cr,其许用强度=196MPa,为了安全起见,此处的工作压力选取为油气弹簧可能达到的最大压力20MPa,根据公式(2-3)可以计算出,当D0=125mm时,壁厚,当D0=60mm壁厚,即外缸体的壁厚最薄处应要大于8.3mm ,活塞杆的壁厚最薄处应大于4.0mm。2.3油气弹簧阀系设计 图2-2为节流阀系的工作原理图,在静态状态时,油液在阀片两端产生均布压力,且无压差,当油气弹簧处于压缩行程时,油液首先流经下面的限位装置,在阀片两端产生压差,阀片随之产生弯曲变形,与活塞之间形成的环形缝隙也同时增大,油液流过环形缝隙发生节流现象,造成能量损失,最终油液通过另一个限位装置和活塞上的圆孔,流入上油室,并将上盖的圆孔设计为薄壁孔。在伸张行程中,流动的顺序与压缩时流动的顺序相反。活塞主要起到导向的作用及保证节流缝隙大小不受到外紅体加工质量的影响,活塞上装有密封圈,保证油液主要从节流缝隙流过。如果不采用活塞,外壳体与阀片间形成节流缝隙,当活塞杆相对移动时,节流缝隙大小很难保证与设计的缝隙大小相符图2-2 节流阀系的工作原理2.3.1 节流阀片厚度的设计油气弹簧阻尼性能的好坏很大程度上取决于节流阀片厚度的大小,因此,本节完成该项工作。油气弹簧在工作时,活塞杆与外缸体的相对运动速度达到一定值时,节流阀片的弯曲变形量等于节流阀片的厚度,油气弹簧实现开阀,此时的压差为14: (2-4)其中:.上、下油腔内的压力: FD.油气弹簧开阀时的阻尼力: .车身固有频率: A.承压面积: .油气悬架最佳阻尼比: m.单轮弹簧上质量: .阀系的开阀速度: .悬架的杠杆比。节流阀片的几何结构为厚度均为t0的圆环板,它的上表面受到均匀压力,内圈完全固定,有效外圆半径为ra,内半径为rb如图2-3所示。图2-3 阀片的受力模型节流阀片的变形量最大值为: (2-5)其中m1=ra/t0,的取值可根据的值,在表2-2查出: 表2-2 不同对应的值 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.0370.8270.5600.3470.1930.0940.0380.0120.0020.0010根据开阀时节流阀片的厚度t0与最大弯曲变形量的数值关系,以及m1表达式和公式(2-5)可以推导出: (2-6)公式(2-6)即为设计单片阀片时表达式。当值在表2-2中无法查找时,可以对结果进行四舍五入来求出的值,但根据该方法求出阀片的厚度t0误差较大。应该合理地利用表2-2中的数据,利用数值分析的方法构造出一个近似函数,利用该函数来求解不在表2-2内的值。2.3.2 油气弹簧节流缝隙的设计 油气弹簧中的油液在缸筒中的流动主要有层流和紊流两种形式,一般可以通过雷诺系数Re的值来判断油液的流动状态,对于不同的截面形状,雷诺系数Re的计算方式不同。对于油气弹簧而言,油液在缸筒内流动时,截面形状为圆环开,如图2-5所示,此时雷诺系数为: (2-8)其中:为液体流动的平均速度; 为缝隙大小: 为液体的运动粘度。当Re1100时,液体的流动状态为层流,Re1100时,液体的流动状态为紊流13。通过上式可知液体流动的平均速度、运动粘度、缝隙大小直接影响液体的流动状态,其中,速度为影响其流动的首要因素,当液体在油气弹簧内的流动的速度小于某一数值时,液流为层流状况,当液体在油气弹簧内的流动的速度超过这一数值时,液流为紊流状况。根据相关资料,其油液的流况多为层流。图2-5 环形缝隙的截面形状如图2-5(a)所示为环形缝隙,对于固定壁面,流过缝隙的流量计算公式: (2-9)其中:.环形半圆的内径(节流阀片外径); .油液动力粘度; .油液流过缝隙的长度; .环形缝隙的宽度; .两端压差。如图2-5(b),当环形节流缝隙有偏心时,其流量计算公式: (2-10)其中:e为相对偏心量。油气弹簧节流阀片在制造和安装过程中会产生误差,存在一定的偏心量。因此,公式(2-10)更能真实地反应油液流过节流缝隙的真实情况,计算更为合理、准确。根据质量守恒定律,油液的质量为常数,即: (2-11)其中:为油液的密度; 为油液的流动速度。根据相关资料15将油气弹簧内部的油液视为不可压缩的液体,即为常数,所以上式简化为: (2-12)根据公式(2.10)和(2.12)得出: (2-13)整理得出: (2-14) 在油气弹簧处于开阀状态时,即,将公式(2-4)带入上式得出 (2-15)由公式(2-15)所求出的节流缝隙宽度并不是初始设计的宽度,而是最大的节流缝隙宽度。在开阀状态时,节流缝隙增量为: (2-16)初始设计的节流缝隙等于最大的节流缝隙宽度与节流缝隙增量的差值16,即: (2-17)利用公式(2-17)、汽车悬架的相关参数及油气弹簧的相关尺寸,可以计算出初始设计的节流缝隙的大小。2.3.3 节流阀片限位装置的设计当油气弹簧受到外界较大冲击时,节流阀片可能发生较大的变形,而无法恢复到正常的工作状态,使得油气弹賛无法继续使用。为了避免这类现象的发生,限位装置的设计变得十分重要。在限位装置的设计过程中,应该注意以下几个方面:1)保证油液在流过限位装置时不会在其两端产生较大的压差,保持工作中的阻尼力主要由节流阀片产生,提高阻尼设计的准确性。2)保证限位装置在节流阀片超出自身最大弯曲变形量时才开始工作,绝对不能妨碍阀片的正常工作,影响油气弹黃的阻尼特性。油气弹簧在压缩与伸张行程中,节流阀片的弯曲变形方向不同,所以应该在节流阀片的上下均安装限位装置,保证其工作时的安全性。在设计过程中,为了降低限位装置对油液流动状态的影响,将限位装置的厚度尽量减小,限位装置上开有环形的孔,使孔的性能接近为薄壁孔的性能,因为液体在流过薄壁小孔时,不会产生节流现象,在理论上,油液的压力的不会产生损失。与节流阀片连接时,为了保证限位装置不妨碍节流阀片的正常工作,限位装置上应该设计一个凸台,凸台与限位处的高度差应该等于节流阀片的最大弯曲变形量。如图2-6为限位装置三维图。图2-6 限位装置的三维结构图由于限位装置的结构设计属于非标准件设计,设计过程中没有相关的资料进行参考,只能根据相关设计经验,完成限位装置的结构设计,无法准确地判断油液流过时是否会在限位装置两端产生较大的压差,因此,该设计参照某车型实物尺寸。2.4 导向宽度的设计 当活塞杆相对于外虹体运动时,导向和支承活塞杆在外壳体中的运动是导向部分的主要作用。汽车在行驶中,由于路面情况复杂,受到各种不同的冲击,并通过悬架传递到油气弹簧上,当油气弹黉的活塞杆受到冲击,产生弯曲和振动时,油气弹簧容易产生漏油和寿命降低的现象,刚度特性和阻尼特性受到巨大的影响。因此,导向部分的设计同样是油气弹簧的关键问题之一。油气弹簧处于最大拉伸位置时,引导的两个部分之间的距离称为油气弹簧的最小导向宽度18,直接影响油气弹簧的使用性能。如果最小导向宽度过小,油气弹簧容易弯曲变形,在这种情况下,油气弹簧的密封圈变形量增加,同时磨损加剧,油气弹簧容易漏油,寿命降低,同时由于油气弹簧总体结构的限制,太大的最小导向宽度是无法达到的,因此,如何选择合理的数值是设计过程中首要的难题。在国内,最小导向宽度一般根据经验公式19计算: H=L/20+D/20 (2-18)其中:L为工作行程(mm); D为液压缸直径(mm)。图2-7 导向装置简图导向部分的宽度,可根据液压缸内径确定:当D80时,取值在0.61倍液压缸内径,当D80时,取值在0.61倍液压外径。2.5 密封件的选取油气弹簧具有其它弹簧不具有的许多优点,但是,油气弹簧容易漏油、密封圈的寿命短,这些缺点直接影响油气弹簧的工作特性、寿命以及工程应用,选择合理的密封结构可以降低油气弹簧的油量、减少对环境的污染、减少能力消化等,符合社会发展的趋势。因此,密封件的选取变得尤为重要。斯特密封(轴用)是国内外先进的密封技术,是机械液压工程中常用的密封结构,它是由O型密封圈和梯形圆环组成,如图2-8中左边所示,由于O型密封圈自身的弹性,当压力作用于O型圈上时,O型圈受到压力而产生变形,迫使梯形圆环向杆心收缩,实现密封功能,为了达到最好的密封效果,梯形圆环的最小直径应该小于被密封的杆件直径0.051.5mm,除此之外,其还具有使用温度范围广(.10+130、耐高压特性(16.40MPa)、良好的润滑性和无粘滞现象、机构紧凑、安装尺寸小等优点。斯特密封圈O形密封圈图2-8 组合密封根据相关资料20。可查到斯特密封圈泄露量与压力的关系曲线,如图2-9所示,由图可知,工作压力在0.61.5MPa范围内,存在“密封不稳定区,此时漏油量相对增加,当工作压力在1.530MPa范围内,漏油量十分微小,而油气弹簧的工作压力大部分在该范围内,可以迅速提高油液的压力,进而降低外泄量,但是,当斯特密封圈在剧烈冲击下,密封效果明显下降,因为,此时内部压力增大较快,梯形圆环与槽壁行成节流环,产生节流现象,梯形圆环两侧产生压差,O型圈的变形落后于梯形圆环向外的变形,此时的漏油量增大,所以,迅速提高油液的压力并不会很好的解决泄露问题。在液压工程上可以通过组合密封的方式提高密封效果21,本文为了降低外界冲击和自身的“密封不稳定区”的影响,根据油气弹黃工作特性的要求,采用型密封圈与斯特O密封圈组合的形式,如图2-8所示,通过实验证明,该种组合方式明显提高了油气弹賛的密封特性,减少漏油量。图2-9 斯特密封圈外泄量随压力的变化曲线上述的斯特密封圈为轴用的,而孔用的为格莱密封圈,其原理与斯特密封相似,在使用过程中采用相同的组合密封形式。2.6 连接体的设计 连接体上有油孔或气孔,为了保证连接体的强度,连接体底部的厚度应满足一定要求,可以根据公式13计算: (2-19)其中:d0为油孔或气孔的直径。在实际应用中,油孔或气孔主要有两种设计方式,如图2-10所示,它们分别有着各自的优点,图(a)的两条油液通道垂直,方便加工;图(b)的油液通道与油气弹簧的轴线存在一定的角度,对比而言,其加工不够简便,但是当同时受到腔内液体的压力和车轴的压力时,它的受力情况更为均勾,在满足同样设计要求时,内腔与轴孔的最小距离较小,质量较小,节省材料和金钱。因此,本文选取右边的设计方式。图2-10 连接体的两种结构形式此外,设计师应当充分考虑下列的问题:1) 连接体与虹体的连接采用螺纹连接的方式。下连接体与外赶体链接时,在外虹体内部加工螺纹,在下连接体的外部加工螺纹;上连接体与活塞杆(内虹体)连接时,在活塞杆的外部加工螺纹,在上连接体的内部加工螺纹,这样设计的主要原因是活塞杆的直径比较小,而且,连接体同时还还受到车轴尺寸的限制,如果都在连接体的外部加工螺纹会使上连接体的径向尺寸变化较为明显,不具有设计的美感。2) 连接体的密封圈安装槽布置在合适位置。3 单所室油气弹簧理论模型建立 随着时代的发展与科学技术的进步,油气弹簧在现代汽车行业的应用越来越广泛。目前,国内研宄人员采用多种方式建立油气弹簧的模型,每种方法都有各自的优越性与局限性。 根据相关资料显示,油气弹簧的数学模型主要分为弹性力模型和阻尼力模型。3.1 单气室油气弹簧受力分析 根据总体结构建立油气弹簧的简化示意图,如图3-1所示。 图3-1 油气弹簧的简化示意图 当处在静态或较为平稳的状态下,油气弹簧各腔内的压力均为气室的初始压力Pq0,此时: (3-1) 对此时的状态进行受力分析得出: (3-2)结合上述两个式子,化简得出: (3-3)其中:为活塞杆的质量; 为外缸与活塞杆之间面积; 为活塞的面积。 根据油气弹簧的简化示意图,当油气弹簧处于复原状态时,汽车在行驶过程中,油气弹簧的输出力为: (3-4) 将公式(3-3)带入上式,整理得: (3-5) 当油气弹簧处于压缩状态时,汽车在行驶过程中,油气弹簧的输出力为: (3-6) 将公式(4-3)带入上式,整理得: (3-7) 其中:.阻尼力; .弹性力; .活塞杆的惯性力。 由公式(4-5)和(4-7)可知,无论处于压缩还是复原的行程状态下,油气弹簧的阻力的表达式均为: (3-8)除此以外,油气弹簧运动过程中活塞杆与外缸体间产生的摩擦力,本毕业设计为了分析方面,忽略摩擦力的影响。3.2 油气弹簧弹性力数学模型弹性力模型的建立与气体的状态方程的选取有着至关重要的关系,研究者选取不同的状态方程进行模型建立,得出的弹性力曲线会存在一定的差别,因此,如何选取合理的状态方程来描述气体的工作状态是建立正确弹性力模型的基本前提。3.2.1 气体状态的选取目前,学者们将气体的状态变化方程分为两类,即理想气体状态和实际气体的状态方程。理想气体状态方程为: (3-9)其中:P、V.为气体平衡时的压力和体积; .为气体瞬时的压力和体积; n.为气体的多变指数。实际气体与理想气体不同,实际气体有体积和相互作用力,而且其状态变体方程不止一个,根据相关资料常用的有:范德瓦尔实际气体状态方程、马丁侯(MartinHou)方程、P.R(PengRobinson)方程。范德瓦尔实际气体状态方程: (3-10)其中:R.为气体常数; T.为热力学温度; P.为气体的压力; a、b.为气体常数; Vq.为气体的体积。马丁侯方程: (3-11)其中:K=5.475,P.R(Peng.Robinson)方程: (3-12)其中:a(T)为温度函数,并且无纲量。由于油气弹簧在工作时,通过气体体积的变化来实现油气弹簧的非线性弹性力的输出,实现非线性刚度特性。气体体积变化过程中必然会产生能量变化,当体积变化较为缓慢时,可将其视为恒温过程。此时n=1,当体积变化迅速,能量无法及时散去时,可将其视为绝热过程。此时n=1.4,根据相关资料可知:在温度与压强变化范围不大时,可以采用理想气体方程。本设计为了分析方便,将油气弹簧中的氮气设为理想气体。3.2.2弹性力数学模型如图4-1所示,作用在活塞杆的力为F,位移为x,气室的初始高度为h0,外缸体的内径为D,活塞杆的外径为d1,壁厚为,气室的面积为Aq,压力为Pq0,上油室的面积为As,压力为Ps,下油室的面积为Ax,压力为Pq,参考相关文献完成弹性力模型的建立。当活塞在外缸内发生相对移动时,油气弹簧缸体内各个腔体内的油液体积发生变化,它们的变化值为: (3-13)其中:.活塞杆中油液体积的变化值; .外缸体上油室中油液体积的变化值; .外缸体下油室中油液体积的变化值; .气室中气体的位移。无论油气弹簧处于压缩行程或者伸张行程,油气弹簧中腔体内的体积变化满足如下关系: (3-14) 根据油液不可压缩性,可以求出气室中气体的位移: (3-15)令,将气室内的气体视为理想气体,然后根据理想气体的状态方程得出: (3-16) 整理上式得出: (3-17)即: (3-18)可以求出气室的负载Ft与位移关系为: (3-19)进行求导得到刚度为: (3-20) K.气体常数,当汽车载荷缓慢变化时,弹簧内空气状态的变化接近于温过程,可取k=1;当汽车在行驶过程振动时,弹簧内空气状态的变化接近于绝热过程,可取k=1.4;实际计算时,通常取k=1.21.4。本设计选用1.2。3.3 油气弹簧阻尼力数学模型在压缩状态中,外缸体下腔的油液经节流缝隙与阻尼孔被压入外缸体上腔和活塞杆内腔中,而本文中的阻尼孔为薄壁小孔,阻尼力忽略不计,因此,在该过程中阻尼力主要是通过节流缝隙产生,同时,油液流入活塞杆内腔过程中产生的阻尼力也可以忽略不计,在伸张行程中,油液重新由外缸体上腔和活塞杆内腔流入外缸体下腔。本文研究的油气弹簧无论是在压缩或伸张的过程中,阻尼力的产生都主要来自于油液流过节流缝隙的过程。节流是液压技术中控制压力与流量的一种方法,在各种液压设备中得到广泛的应用。节流装置的形式有很多种,如:间隙、小孔、各种阀口等,节流过甚或其他原因会产生气穴现象,气穴现象是液体流动过程中,油液压力降低而有气泡行成的现象,该现象有时可以使油液的流动不顺畅、系统不能正常工作。除此之外,油气弹簧在实际工作中,密封性能无法达到理想状体,漏油现象难以避免。在合理建模的基础上,本文做了适当假设:1)油气弹簧的工作过程中,油液没有气穴现象。2)油气弹簧的工作过程中,油气弹簧的密封为理性状态,无油液外泄的现象,并且各个元件间无漏油现象。根据流体力学相关知识,油气弹簧的阻尼力等于有效承压面积与两端的压差的乘积,即: (3-21)其中:.有效承压面积; .两端的压差。3.3.1 阻尼孔的类型如图4-2所示,液体在直径为的管道内流动,管道中有厚度为的隔板上开有直径为的孔口,在流动过程中,孔口的尺寸不同,液体渡过孔口的流动状态不同,产生的影响不同,液压工程中通常根据的比值来分别孔的类型,当时,液体流动的情况受到孔厚的影响十分微小,这种孔的类型为薄壁小孔;当时,该孔的类型为短孔;时,该孔的类型为细长孔,短孔与细长孔的厚度对油液在孔口的流动情况具有一定的影响。此外,孔口还有小孔口与大孔口的区分,当液体流动时端面上各点的速度是均匀的,则该孔称之为小孔口,若端面上各点的速度为非均匀的,则该孔称之为大孔口。小孔口在液压工程中较为常见。在实际的液压工程上,工程师可以根据不同的需要来选择不同孔的类型。本文中选取的孔为薄壁小孔类型,因此可以将其产生的阻尼力忽略。图3-2 孔口的尺寸示意图3.3.2 阀片产生的阻尼力数模型油气弹簧在工作时,油液不断地流过节流缝隙,该过程中伴随着能量损失,而损失能量的多少直接决定着油气弹簧阻尼特性。节流阀片的阻尼力主要由节流阀片两端的压差产生,而油液流过节流缝隙产生的沿层阻尼力损失可以忽略不计,参照相关资料完成阻力特性模型建立。当油液的流动速度小于开阀速度时节流阀片变形量仍然满足公式(2-4)、(2-5)、因此可知: (3-22)设,带入(2-17)得: (3-23)则: (3-24)根据公式(2-15)及(3-22)(3-24)可以推导出节流阀片两端的压差为: (3-25)根据公式(3.25)可以推导出节流阀片产生的阻尼力为: (3-26)3.4 油气弹簧总输出力数学模型根据相关资料,结合前面弹性力、阻尼力的模型,并考虑惯性力的影响得出总体输出力的数学模型,此外,对油气弹簧进行受力分析时忽略摩擦力的影响。油气弹簧在压缩行程(x0),总阻力等于气室产生的压力与油液产生的阻尼力之和,同时阻碍活塞杆的运动,根据公式(3-8)得出: (3-27)复原行程时(x0?绘制特性曲线求解阻尼力求解弹性力求解总体输出力求解阻尼力求解弹性力 求解总体输出力图4-1 仿真流程图4.2 油气弹簧刚度特性仿真分析 刚度是评价油气弹賛的一个重要的指标,它反映了活塞杆所受气室气体的作用力与活塞杆位移的关系,根据活塞杆相对外缸体的运动速度,将刚度分为静态刚度与动态缸体特性,顾名思义,静态指的是活塞杆相对外缸体的速度较小(汽车行驶状态较为平稳,该过程可以被视为等温变化,因为,气体的体积变化较慢,可以完成与外界交换能量;动态特性则指的是活塞杆相对外缸体的速度较大(汽车行驶在颠簸的路况时),该过程可视为绝热状态,因为,气体的体积变化较快,无法与外界进行充分的能量交换。本节综合地了分析刚度及负载特性。 4.2.1 气室的负载特性与刚度特性本设计取油气弹簧的初始参数,如表4-1所示表4-1 油气弹簧初始参数名称数值气室的初始压力 5.1MPa 气室的初始高度160mm活塞杆的内径60mm气体多变指数1.33仿真运动范围.50+50mm气室的负载Ft与位移关系为: (4-1)通过式(4-1)建立的数学模型,通过MATLAB7.0作图得图4-2气室的负载特性曲线。图4-2 气室的负载曲线刚度的数学模型式(4-2),通过MATLAB7.0作气室刚度曲线如图4-3所示。 (4-2) 图4-3 气室的负载曲线4.2.2 气室初始压力对刚度特性的影响 活塞杆的壁厚5mm,气室高度h0=160mm,改变气室初始压力分别为:3.1MPa、4.1MPa、5.1MPa,得出不同的气室初始压力时,油气弹簧的刚度的变化曲线,如图4-4所示。 5.1MPa 3.1MPa 4.1MPa图4-4 不同拟定初始压力对刚度的影响 根据4-4可知:初始压力越高,刚度值越大,位移增大到一定程度时,刚度值上升的越快,曲线越陡,使得汽车抵抗地面的冲击性能越好。因此,通过调节初始压力,可以调节油气弹簧的刚度,提高汽车抵抗地面冲击的能力,改善汽车行驶的平稳性。4.2.3 初始气室高度对刚度特性的影响 活塞杆内径d=60mm ,改变气室的初始高度分别为120mm、160mm、200mm,而其他参数保持不变的情况下得出油气弹簧在不同的气室初始高度下的三条刚度特性曲线,如图4-5所示。 200mm 160mm 120mm图4-5 不同气室高度对刚度的影响 根据图4-5的仿真结果可知:随着气室初始高度的增加,刚度的变化趋势越来越缓慢,并且刚度值大小也随之减小。因此,设计人员可以通过改变气室初始高度的方法,达到调节汽车刚度的目的。4.2.4 活塞杆内径对刚度特性的影响 气室的初始压力,气室高度,活塞杆的壁厚5mm,改变活塞杆内径分别为80mm、70mm、60mm,而其他参数保持不变的情况下得出不同的活塞内径对刚度特性影响图,如图4-6所示。60mm70mm 80mm图4-6 不同的活塞杆内径对刚度的影响 根据图4-6所示的仿真结果可知:活塞杆内越大则刚度越大,并且改变活塞杆内径不会对油气弹簧的刚度曲线变化趋势造成太大的影响,曲线的变化趋势基本相同。因此,可以通过调节活塞杆内径来改变刚度大小,而对刚度曲线的变化趋势影响很小。5 油气弹
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