液壓減震器發(fā)展及工作原理

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1、 一、減震器的發(fā)展歷史 減震器從出現(xiàn)到今天已經(jīng)有了 100多年的歷史，最早車輛的減震系統(tǒng) 由彈簧構(gòu)成，雖然彈簧可以減輕路面沖擊，性能較可靠，但它容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在 1908年，世界第一臺(tái)液壓減震器研制成功，它用隔板將橡膠制成節(jié)流通道分為兩部分，通過油液與節(jié)流通道摩擦，達(dá)到減震目的。之后，在 20世紀(jì)30年代，搖臂式減震器得到普遍應(yīng)用，工作壓力在 l0MPa 20MPa之間，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損壞、體積大，最終被淘汰。二戰(zhàn)之后，簡(jiǎn)式液壓減震器取代了搖臂式減震器，其成本低，壽命長(zhǎng)，但容易出現(xiàn)充油不及時(shí)的問題，若充油不及時(shí)，會(huì)影響減震效果，產(chǎn)生噪音與沖擊。直到 20世紀(jì) 50年代，

2、充氣式減震器的出現(xiàn)解決了以上的問題，在雙筒內(nèi)充入低壓 0．4MPa~0．6MPa的氮?dú)饪梢越鉀Q充油不及時(shí)的問題。同時(shí)單筒式充氣減震器也開始發(fā)展，其采用浮動(dòng)活塞的結(jié)構(gòu)，使充入的氮?dú)庑纬?2．0MPa2．5MPa的高壓氣體，性能優(yōu)于雙筒式減震器 ，而且質(zhì)量輕、性能好，但其成本較高。 油壓減振器是鐵道機(jī)車車輛上的一個(gè)重要部件。由于機(jī)車車輛的車輪與鋼軌面之間是鋼對(duì)鋼的接觸，因此，車輪表面的不規(guī)則和軌道的不平順都直接經(jīng)車輪傳到懸掛部件上去 ，使機(jī)車車輛各部分高頻和低頻振動(dòng)。如果這種振動(dòng)不經(jīng)過減振器來衰減，就會(huì)降低機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，惡化運(yùn)行品質(zhì)。油壓減振器其性能優(yōu)劣直接影響到行車的安全性和舒

3、適性。尤其近年來我國(guó)鐵路進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展時(shí)期，特別是在鐵路跨越式發(fā)展政策的指引下，我國(guó)鐵路將會(huì)進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。 二、減振器的基本結(jié)構(gòu)大體相同， 主要區(qū)別是： ( 1 )活塞的行程以及接頭的安裝尺寸不同； ( 2 )GS H、GYAW、G OH 3 種水平布置的減振器多了橡膠囊 ； ( 3 )GY AW、GOH的節(jié)流閥與另外3種不同。 基本結(jié)構(gòu)見圖 4-1、 圖 4-2 ，G S V、GS H、GYAW 圖略。 1——上接頭 2——橡膠球較 3——銷軸 4——防塵罩組成 5——活塞桿 6——防塵圈 7——壓蓋；8——密封圈；9—— 油封圈；10——螺蓋；1

4、1——0型密封圈 12——密封圈 13——活塞 14——節(jié)流閥彈簧 15——調(diào)節(jié)螺釘 16——壓縮閥 （一）17——壓縮閥（二）18—— 回油閥片 19——回油閥座20—— 底閥座 21——彈簧螺蓋22——底閥座彈簧 23——底閥壓縮閥24——油缸 25——儲(chǔ)油罐 26——液壓油 27——拉伸閥（一） 28——拉伸閥（二） 29——導(dǎo)承 圖4-1 一系垂向簡(jiǎn)振器 1——上接頭 2——橡膠球較 3——銷軸 4——防塵罩組成 5——活塞桿 6——防塵圈 7——壓蓋 8——密封圈9—— 油封圈 10——螺蓋11——0型密封圈 12——密封圈13——活塞

5、14——節(jié)流閥彈簧 15——調(diào)節(jié)螺釘 16——壓縮閥 （一） 17——壓縮閥（二）18—— 回油閥片 19——回油閥座20—— 底閥座 21——彈簧螺蓋22——底閥座彈簧 23——底閥壓縮閥24——油缸 25——儲(chǔ)油罐 26——液壓油 27——拉伸閥（一） 28——拉伸閥（二） 29——卡環(huán) 30——緊固帶 31——橡膠氣囊 32——導(dǎo)承 圖4-2 耦合減振器 三、作用原理 減振器的工作原理，下面以一系垂向減振器為例來加以說明。當(dāng)拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞I3向上移動(dòng)，油缸24上部油壓上升．通過拉伸閥27、28壓縮節(jié)流閥彈簧l4，使拉伸閥27、28下移．閥口打開，油通過閥口流入下腔。產(chǎn)生

6、阻力由于上部活塞桿5占有一定的油的體積，活塞上升時(shí)，下腔的油量不足。產(chǎn)生負(fù)壓使底閥座上的回油閥座l9上升,離開底閥座20，油從儲(chǔ)油缸通過回油閥座l9與底閥座20之間的開口進(jìn)入油缸24下腔補(bǔ)充油量。當(dāng)壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞l3向下移動(dòng)，下部油壓上升．一部分油通過壓縮閥16 、17壓縮節(jié)流閥彈簧 14 ，使壓縮閥l6 、17向上移動(dòng)，閥口打開，油通過閥口進(jìn)入油缸上腔產(chǎn)生阻力}另一部分油通過底閥壓縮閥23、壓縮底閥座彈簧22， 使底閥壓縮閥23下移，閥口打開，油通過閥口進(jìn)入儲(chǔ)油缸25產(chǎn)生阻力。因此壓縮阻力是由壓縮閥16、17和底閥壓縮閥23共同產(chǎn)生的。GPV、GSV、GSH3種減振器，其節(jié)流閥口采用柱面開

7、口節(jié)流形式；而GYAW和GOH2種減振器．其節(jié)流閥口采用環(huán)狀節(jié)流形式。 四、油壓減振器阻力特性分析 1．液壓減振器阻力特性的計(jì)算 液壓減振器按照液流方向可以分為油液?jiǎn)蜗蜓h(huán)流動(dòng)和雙向往復(fù)流動(dòng) 2種類型。它們的基本動(dòng)作都是拉伸和壓縮。當(dāng)活塞桿相對(duì)于缸筒作拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部的油液通過節(jié)流孔在流動(dòng)的過程中產(chǎn)生阻力，耗散能量 。 2.拉伸和壓縮時(shí)的阻力介紹 減振器拉伸時(shí)，阻力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。對(duì)活塞桿處液流截面和節(jié)流孔處截面利用利方程可推導(dǎo)更為明顯這表明垂向減振器安裝方式在減小車輛垂向振動(dòng)的同時(shí)，更能有效地抑制車輛的橫向振動(dòng)。 圖3-1為安裝橫向減振器時(shí)車輛前后端平穩(wěn)性指

8、標(biāo)的變化情況。從計(jì)算結(jié)果來看,安裝橫向減振器時(shí),當(dāng)阻尼系數(shù)小于100kNs／m時(shí)，隨著阻尼系數(shù)的增大，車輛前后端的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)顯著下降，但垂向有所增大；當(dāng)阻尼系數(shù)達(dá)到100kNs／m時(shí)，繼續(xù)增加阻尼系數(shù)各觀察點(diǎn)的平穩(wěn)性指標(biāo)變化不大。 圖3-1 安裝橫向減振器時(shí)車輛平穩(wěn)性 （a）前端；（b）后端 表 1是同時(shí)安裝橫向和垂向減振器的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)橫向和垂向阻尼系數(shù)達(dá)到50KN.S/M 時(shí),車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)同時(shí)明顯下降。 表3-1 同時(shí)安裝橫向和垂向減振器時(shí)平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果 在車輛之間安裝適當(dāng)?shù)臋M向和垂向減振器可明顯減小由線路不平順隨機(jī)激擾所引起的列車振動(dòng)響應(yīng)。不管是垂

9、向還是橫向減振器都是在抑制車輛的橫向振動(dòng)方面更有效果。當(dāng)橫向和垂向減振器同時(shí)安裝時(shí)，垂向振動(dòng)也可以得到較好的抑制 。出拉伸阻力表達(dá)式為： （1） 式中：——活塞上部液流的截面積； ——液體的重率 ； ——孔口流量系數(shù) ； ——節(jié)流孔面積 ； ——活塞運(yùn)動(dòng)速度。 上式表示拉 伸阻力與運(yùn)動(dòng)速度的平方成正 比， 與 節(jié)流孔面積的平方成反比。 減振器壓縮時(shí)， 計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3-1-2（b）所示。 與拉伸時(shí)的情況相仿， 同樣 由伯努利方程可得流經(jīng)節(jié)流孔 1與 2 的流量公式：

10、 （2） 壓縮阻力的計(jì)算公式為： （3） 式中：—— 活塞桿截面積； ——節(jié)流孔2處流量系數(shù)； ——節(jié)流孔2處節(jié)流面積 。 比較式(3)與式(1)可見，如果拉伸和壓縮的節(jié)流孔面積相同，則式(3)可表示為： （4） 從上式可看出壓縮阻力大于拉伸阻力。拉伸和 壓 縮方 向的阻力是不對(duì)稱的，對(duì)于雙向流動(dòng)的減振器，要使拉伸和壓縮方 向的阻力特性對(duì)稱，就必須分別設(shè) 置拉伸和壓縮時(shí)的節(jié)流孔面積 。 圖3-2(a)拉伸時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖 (b)壓縮時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖 3.單向流

11、動(dòng)減振器的拉伸和壓縮阻力 單向流動(dòng)減振器的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 3所示 。與前面 的分析相似 ， 經(jīng)過節(jié)流孔 1 的流量 Q 為： 式中： —— 活塞運(yùn)動(dòng)速度 ； ——活塞上部的油壓截面積 。 拉伸阻力為： （5） 當(dāng)減振器壓縮時(shí)，活塞上的單向閥開啟，底閥上的單向閥關(guān)閉，P=P，此時(shí)經(jīng)過節(jié)流孔1的流量為： 式中： ——活塞下部油壓的截面積； ——活塞桿的截面積。 所以壓縮阻力為： （6） 由式(5)與式(6)可知，當(dāng)時(shí)，，即當(dāng)

12、活塞桿的截面積等于壓力缸的截面積的一半時(shí)，阻力有對(duì)稱性。實(shí)際上，幾乎所有的單向流動(dòng)減振器都具有拉壓對(duì)稱特性。 圖3-3單向流動(dòng)減振器的計(jì)算減圖 五、汽車液壓減震器 　　減震器(ABSorber) ，主要用來抑制彈簧吸震后反彈時(shí)的震蕩及來自路面的沖擊。在經(jīng)過不平路面時(shí)，雖然彈性元件可以過濾路面的震動(dòng)，但彈簧自身還會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而減震器就是用來抑制彈性元件跳躍震動(dòng)的。減震器太軟，車身就會(huì)上下跳躍，減震器太硬就會(huì)帶來太大的阻力，妨礙彈簧正常工作。 　　汽車懸架所采用的減震器有液力減振器、充氣式減振器、阻力可調(diào)式減振器等。其中，最為常見的是筒式液力減震器。 　　筒式液力

13、減震器的工作原理是：減振器殼體內(nèi)的油液，反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔經(jīng)小孔隙流入另一個(gè)內(nèi)腔，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)的摩擦按形成對(duì)振動(dòng)的阻尼力，車身、車架振動(dòng)的能量經(jīng)摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，由油液和減振器殼體吸收，然后散入大氣中。 　　按其作用方式不同分為雙向作用減振器和單向作用減振器兩種。其中，雙向作用減振器在壓縮、伸張兩行程中均起減振作用，而單向作用減振器僅在伸張行程中起減振作用。 　　雙向作用筒式減振器:雙向作用筒式減振器外面的鋼筒是防塵罩，上部有一圈環(huán)與車架（車身）連接。中間的鋼筒是儲(chǔ)油缸，內(nèi)部裝有一定量的減振器油，下部有一圈環(huán)與車橋相連。最里面的鋼筒是工作缸，內(nèi)部裝滿減振器油。在工作缸的內(nèi)

14、部，通過與防塵罩和上部圓環(huán)制成一體的活塞桿，其底端償固定著活塞?；钊涎b有伸張閥和流通閥，在工作缸的下部的底座上裝有壓縮閥和補(bǔ)償閥。為了使減振器能夠滿足工作要求，流通閥和補(bǔ)償閥的彈簧相對(duì)比較軟，較小的油壓便可以打開或關(guān)閉。而壓縮閥和伸張閥的彈簧相對(duì)比較硬，只有當(dāng)油壓增大到一定的程度時(shí)，才能打開；而只要油壓稍有下降，閥門立刻關(guān)閉。 　　雙向作用筒式減振器的工作過程如下：壓縮行程時(shí)，此時(shí)減振器被壓縮，汽車車輪移近車身，減振器內(nèi)的活塞向下移動(dòng)，下腔的容積減小，油壓升高。大部分油液沖開流通閥流入上腔，由于上腔被活塞桿占去了一部分空間，因而上腔增加的容積小于下腔減小的容積，于是另一部分油液就推開壓

15、縮閥，流回到儲(chǔ)油缸內(nèi)。油液通過閥孔時(shí)，此時(shí)減振器受拉伸，車輪遠(yuǎn)離車身，這時(shí)減振器的活塞向上移動(dòng)，上腔油壓升高，流通閥被關(guān)閉，上腔內(nèi)的油液壓開伸張閥流入下腔。由于活塞桿的存在，自上腔流來的油液不足以充滿下腔增加的溶積，促使下腔產(chǎn)生一定的真空度，這時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液推開補(bǔ)償閥流進(jìn)下腔進(jìn)行補(bǔ)充。由于這些閥的節(jié)流就對(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)得大于壓縮閥，在同樣力的作用下，伸張閥及相應(yīng)的常通縫隙通道的載面積總和小于壓縮閥及相應(yīng)常通縫隙通道的載面積總和，這使得減振器伸張行程產(chǎn)生的阻尼力大于壓縮行程時(shí)產(chǎn)生的阻尼力，從而達(dá)到迅速減振的要求。 　　充氣式減震器：是6

16、0年代以來發(fā)展起來的一種新型減震器。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在缸筒的下部裝有一個(gè)浮動(dòng)活塞，在浮動(dòng)活塞與缸筒一端形成的一個(gè)密閉氣室種充有高壓氮?dú)?。在浮?dòng)活塞上裝有大斷面的O型密封圈，它把油和氣完全分開。工作活塞上裝有隨其運(yùn)動(dòng)速度大小而改變通道截面積的壓縮閥和伸張閥。 　　當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，減震器的工作活塞在油液種做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使工作活塞的上腔和下腔之間產(chǎn)生油壓差，壓力油便推開壓縮閥和伸張閥而來回流動(dòng)。由于閥對(duì)壓力油產(chǎn)生較大的阻尼力，使振動(dòng)衰減。 　　與雙向作用筒式減振器相比，充氣式減振器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、重量減輕、噪聲小、阻尼更大、可靠性更高、不會(huì)出現(xiàn)液力減震器常出現(xiàn)的油乳化現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是充氣式減振器對(duì)油封要求高，充氣工藝復(fù)雜、不易維修，當(dāng)缸筒受外界較大沖擊而變化時(shí)，則不能工作。 　　阻力可調(diào)式減震器：阻力可調(diào)式減震器的活塞桿空心有長(zhǎng)縫，內(nèi)有小活塞，上方有帶膜片的氣室。負(fù)荷重時(shí)，氣室壓縮，小活塞下行關(guān)小縫隙，加強(qiáng)節(jié)流減震作用。 　　裝有阻力可調(diào)式減震器的汽車的懸架一般用剛度可變的空氣彈簧作為彈性元件。其原理是，空氣彈簧若氣壓升高，則減震器氣室內(nèi)的壓力也升高，由于壓力的改變而使油液的節(jié)流孔徑發(fā)生改變，從而達(dá)到改變阻尼剛度的目的。