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第1章 緒 論
1.1 選題的目的和意義
輪椅是病人康復(fù)的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)。普通輪椅一般由輪椅架、車輪、剎車裝置及座靠四部分組成。
許多行動(dòng)不便者在解決移動(dòng)能力障礙時(shí)，最直接使用的工具便是輪椅。根據(jù)我國(guó)統(tǒng)計(jì)部門統(tǒng)計(jì)，截止到2006年4月1號(hào)，全國(guó)現(xiàn)有各類殘疾人總數(shù)約8296萬(wàn)人，占總?cè)丝跀?shù)的比例為6.34%，而屬于肢體殘疾的占總殘疾人數(shù)的比例為29.07%，人數(shù)達(dá)到2412萬(wàn)。與1987年第一次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，肢體殘疾人數(shù)略有所增加。2005年底，中國(guó)60歲以上老年人口1.44億，占總?cè)丝诘谋壤_(dá)11%。現(xiàn)在我國(guó)60歲以上老年人口每年以3%的速度遞增。在60歲以上的老年人口中，有相當(dāng)一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治療和康復(fù)過(guò)程中，都需要借助使用輪椅。這對(duì)于家庭生計(jì)、社會(huì)成本與國(guó)家經(jīng)濟(jì)均會(huì)造成嚴(yán)重的影響，不可輕視。對(duì)于青壯年的肢體障礙患者而言，輪椅可使他們重新返回職場(chǎng)，以改善家庭生計(jì)和降低社會(huì)負(fù)擔(dān)；對(duì)于行動(dòng)不便的高齡老人或出現(xiàn)重度神經(jīng)肌肉萎縮的患者而言，輪椅是他們走出戶外的最佳輔具，不但能改善他（她）們的精神生活，而且在心靈層面上更得到慰藉。
隨著我國(guó)人口老齡化速度越來(lái)越快。老人因疾病或衰老，需要輪椅來(lái)輔助行走。但是目前城市人行道上都鋪設(shè)了各種尺寸的地磚，加上凹凸不平的盲道，使得輪椅在行駛時(shí)受到來(lái)自路面的高頻激振，嚴(yán)重影響乘坐的舒適性。所以，需要一種研究針對(duì)人行道路面激勵(lì)的減振裝置。而根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，老人和殘疾人的收入相對(duì)較低，所以輪椅減振機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要盡可能地簡(jiǎn)單，以使輪椅的價(jià)格便宜。
1.2 減振器的發(fā)展歷史
世界上第一個(gè)有記載、比較簡(jiǎn)單的減振器是1897年由兩個(gè)姓吉明的人發(fā)明的。他們把橡膠塊與葉片彈簧的端部相連，當(dāng)懸架被完全壓縮時(shí)，橡膠減振塊就碰到連接在汽車大梁上的一個(gè)螺栓，產(chǎn)生止動(dòng)。這種減振器在很多現(xiàn)代汽車懸架上仍有使用，但其減振效果很小。
1898年，第一個(gè)實(shí)用的減振器由一法國(guó)人特魯芬特研制成功并被安裝到摩托賽車上。該車的前叉懸置于彈簧上，同時(shí)與一個(gè)摩擦阻尼件相連，以防止摩托車的振顫。減振器的結(jié)構(gòu)發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾種發(fā)展形式：
加布里埃爾減振器，它是由固定在汽車大梁上的罩殼和裝在其里面的渦旋形鋼帶組成，鋼帶通過(guò)一個(gè)彈簧保持其張力，鋼帶的外端與車橋軸端連接，以限制由振動(dòng)引起的彈跳量。
平衡彈簧式減振器，這是加到葉片彈簧上的一種輔助螺旋彈簧。由于每一個(gè)彈簧都有不同的諧振頻率，它們趨向于抵消各自的振顫，但同時(shí)也增大了懸架的剛性，所以很快就停止了使用。
空氣彈簧減振器，空氣彈簧不僅兼有彈簧和吸振的作用，而且常?？墒∪ソ饘?gòu)椈?。第一個(gè)空氣彈簧減振器是1909年由英國(guó)考溫汽車工廠研制成功的。它是一個(gè)圓柱形的空氣筒，利用打氣筒可以把空氣經(jīng)外殼上部的氣閥注滿空氣筒，空氣筒的下半部分容納一個(gè)由橡膠和簾布制成的膜片。因?yàn)樗豢諝馑鼑?，所以其工作原理與充氣輪胎相似，它的主要缺點(diǎn)是常常泄漏空氣。
液壓減振器，第一個(gè)實(shí)用的液壓減振器是1908年由法國(guó)人霍迪立設(shè)計(jì)的。液壓減振器的原理是迫使液流通過(guò)小孔產(chǎn)生阻尼作用。通常的筒式減振器是由一個(gè)與汽車底盤固定的帶有節(jié)流小孔的活塞和一個(gè)與懸架或車橋固定的圓柱形貯液筒組成。門羅在1933年為赫德森制造的汽車裝用了第一個(gè)采用原始液壓減振器的汽車。到了二十世紀(jì)三十年代末，雙作用減振器在美國(guó)生產(chǎn)的汽車上被普遍采用。到了二十世紀(jì)六十年代，歐洲采用的杠桿式液壓減振器占了優(yōu)勢(shì)，這種減振器與哈德福特的摩擦式減振原理相似，但使用的是液流而不是摩擦緩沖襯墊。
麥弗遜支柱式減振器，隨著前輪驅(qū)動(dòng)汽車的出現(xiàn)，二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，制造商開(kāi)始采用麥弗遜式減振器。這種減振器是二十世紀(jì)六十年代通用公司麥弗遜工程師研制成功的。他把螺旋彈簧、液壓減振器和上懸架臂桿組成一個(gè)緊湊的部件。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，適合前輪驅(qū)動(dòng)汽車，可在與變速器組成一體的驅(qū)動(dòng)橋上應(yīng)用。另外，有一種電子控制減振器，能根據(jù)道路狀況、車速和驅(qū)動(dòng)形式自動(dòng)調(diào)節(jié)懸架軟、中、硬三種剛度。該減振器通過(guò)在汽車保險(xiǎn)杠下方裝有一個(gè)帶聲納的測(cè)量部件監(jiān)測(cè)路面狀況，把測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入處理單元，然后調(diào)節(jié)減振器中的按鍵，以改變液流通道的尺寸。
充氣式減振器是二十世紀(jì)六七十年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型減振器。充氣式減振器的特殊結(jié)構(gòu)和充氣參數(shù)，可以大大地降低噪音，并有利于保證活塞高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼特征，同時(shí)減振器上的減振支柱實(shí)質(zhì)上屬于雙筒結(jié)構(gòu)，它除了阻尼減振還有如下附加功能：他和控制臂一起對(duì)車輪進(jìn)行導(dǎo)向。
1.3雙筒式減振器國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)
目前國(guó)內(nèi)汽車減振器大部分是筒式液阻減振器，其阻尼力主要通過(guò)油液流經(jīng)空隙的節(jié)流作用產(chǎn)生。減振器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也由基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加實(shí)驗(yàn)修整的傳統(tǒng)方法向基于CAD/CAE技術(shù)的現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)了液壓減振器技術(shù)，在雙筒式減振器內(nèi)充入油液（0.3～0.5MPa）減振器的臨界工作速度相應(yīng)提高，后來(lái)又發(fā)展了雙筒式減振器，它采用活塞閥體與底閥相配合的結(jié)構(gòu)，在浮動(dòng)活塞在缸筒間的一端形成的補(bǔ)償室內(nèi)充入一定量的高壓氣體（2.0～2.5MPa）氮?dú)?。與雙筒式減振器比，單筒充氣式減振器質(zhì)量顯著減輕，安裝角度不受限制，但其制造精度要求和成本較高。
據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)雙筒液阻減振器配套產(chǎn)能有過(guò)剩趨勢(shì)，生產(chǎn)高檔次減振器的不多。單筒充氣式減振器國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家正在消化吸收設(shè)計(jì)技術(shù)和提高制造工藝技術(shù)階段，產(chǎn)品質(zhì)量還沒(méi)很過(guò)關(guān)。對(duì)于充氣式減振器的研究也主要集中在單缸充氣式汽車減振器方面。在郭孔輝院士的領(lǐng)導(dǎo)下，長(zhǎng)春汽車研究所作了大量的試驗(yàn)工作，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。但由于橡膠的壽命不過(guò)關(guān)及設(shè)計(jì)、制造等多方面因素的影響，一直沒(méi)有形成比較成熟的技術(shù)。近幾年，由于高速公路的迅速發(fā)展，對(duì)舒適性的要求也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)對(duì)充氣式減振器研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作又重新重視起來(lái)。哈爾濱鐵路局減速預(yù)調(diào)速研究中心和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的高起波、曾祥榮兩位老師對(duì)充氣式減振器性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)；天津大學(xué)的馬國(guó)清、王樹(shù)新、卞學(xué)良等對(duì)充氣式減振器建立數(shù)學(xué)模型，建立計(jì)算機(jī)仿真程序，利用該程序可以得到參數(shù)變化對(duì)減振器性能的影響趨勢(shì)，取得一些較好的研究成果。后勤工程學(xué)院的晏華等設(shè)計(jì)的充氣式電流變減振器設(shè)計(jì)比較先進(jìn)。有些廠家也投入人力物力對(duì)充氣式減振器關(guān)鍵部件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如浙江瑞安東歐汽車零部件廠、貴州前進(jìn)橡膠有限公司、寧波美亞達(dá)金屬塑料有限公司等，并具有了一定的生產(chǎn)規(guī)模。
國(guó)外工程機(jī)械主要配套件大多數(shù)都生產(chǎn)歷史悠久，技術(shù)成熟、供應(yīng)充足、生產(chǎn)集中度高、品牌效應(yīng)突出。目前世界上生產(chǎn)減振器最大的企業(yè)，美國(guó)天納克（TA）汽車工業(yè)公司是世界最著名的減振器生產(chǎn)商，也是目前全球最大的專業(yè)生產(chǎn)減振器的廠家，其生產(chǎn)的充氣式減振器符合美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還不斷推出新的減振器，推動(dòng)減振器技術(shù)不斷向更高技術(shù)水平發(fā)展。另外還有幾家較為先進(jìn)的公司如：Ford和General Motors這兩家。這兩家公司生產(chǎn)的減振器能很好的解決汽車的安全性和舒適性這兩方面的要求，例如德國(guó)大眾公司的GTI、甲殼蟲(chóng)，奔馳-戴姆勒·克萊斯勒汽車有限公司生產(chǎn)的C200均采用了雙筒油壓式減振器，在保證安全性的前提下充分提升了汽車的穩(wěn)定和操控性。
由于汽車在不同的行駛工況下對(duì)減振器的特性有不同的要求，可調(diào)阻尼減振器是筒式減振器技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)有機(jī)械控制式的充氣式減振器，電子控制式的充氣式減振器，在個(gè)別高檔車還試用電流變液減振器，但電流變液減振器的工作溫度范圍窄-25～125℃，其強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性較差，影響其工作的可靠性。充氣式減振器相比電流變液減振器，不需要特殊的高壓供電裝置，成本低、使用安全、穩(wěn)定性強(qiáng)[9]。目前最先進(jìn)的充氣式減振器的響應(yīng)時(shí)間約10ms，需進(jìn)一步提高。充氣式減振器有很好的運(yùn)用前景，是半主動(dòng)或主動(dòng)懸架較好的配置，但是尚需在縮短響應(yīng)時(shí)間上改進(jìn)。德國(guó)奧迪推出的2.7T越野車，使用了雙充氣式減振器，奔馳-戴姆勒·克萊斯勒汽車有限公司生產(chǎn)的300C和Jeep4700均采用了充氣式減振器。充氣式減振器是一個(gè)較為新興的技術(shù)，可同時(shí)提高車輛的舒適程度、駕駛性能和安全性能。由于車輪控制得到改善，車輛的安全性和可靠性得到提升；通過(guò)控制車身運(yùn)動(dòng)，提高駕駛平順性，并使操作更精確、反應(yīng)更迅速；在剎車和加速過(guò)程中減少乘員“前沖”和“后仰”；改善負(fù)荷轉(zhuǎn)移特性，在車輛高速行駛中突然變向時(shí)，可提供更好的防側(cè)翻控制；由于減小了路面反沖力，使駕駛更為安靜、精確。正是由于這些特點(diǎn)，充氣式減振器首先在中高級(jí)轎車上得到了應(yīng)用。
充氣式減振器的發(fā)展前景，國(guó)外對(duì)充氣式減振器的研究已經(jīng)發(fā)展到電子控制式減振器。我國(guó)對(duì)減振器的研究主要集中在單筒充氣式減振器方面，而且發(fā)展比較緩慢。我們應(yīng)當(dāng)在前人對(duì)充氣式減振器研究的基礎(chǔ)上更加深入地對(duì)其進(jìn)行分析和研究，努力縮短和發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。對(duì)充氣式減振器的研究能有效的提高我國(guó)汽車工業(yè)的制造水平，降低汽車的制造成本，對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展大有益處。
1.4 研究的主要內(nèi)容及方法
通過(guò)Autocad軟件的輔助，設(shè)計(jì)一種用于老年人輪椅并且符合技術(shù)要求，具有良好經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的雙筒液壓式減振器。通過(guò)大量的社會(huì)實(shí)際調(diào)查研究和圖書(shū)館查閱資料，設(shè)計(jì)計(jì)算以及老師的指導(dǎo)下，按照任務(wù)書(shū)的要求最終完成設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)資料以及借鑒相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品，預(yù)期的設(shè)計(jì)產(chǎn)品能夠符合理論設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合要求，并且將生產(chǎn)成本降到最低。
第2章 減振器的類型和工作原理
2.1 減振器的類型
懸架中用的最多的減振器是內(nèi)部充有液體的液力式減振器。輪椅和車輪振動(dòng)時(shí)減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和粘性液體的摩擦形成了振動(dòng)阻尼，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，并散發(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。如果能量的消耗僅僅只是在壓縮行程或者是在伸張行程進(jìn)行，則把這種減振器稱為單向作用減振器；反之稱為雙向作用減振器。后者因?yàn)闇p振作用比前者好而得到廣泛應(yīng)用。
減振器大體上分為兩大類，即摩擦式減振器和液力減振器。摩擦式減振器利用兩個(gè)緊壓在一起的盤片之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力提供阻尼。但是由于庫(kù)侖摩擦力隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的提高而減小，并且很容易受到油、水等的影響，無(wú)法正常工作，無(wú)法滿
足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價(jià)低、容易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)在已經(jīng)很少采用這類減振器。
液力減振器最早出現(xiàn)于1901年，有兩種主要的結(jié)構(gòu)形式分別是搖臂式和筒式。懸架中用的最多的減振器是內(nèi)部充有液體的液力式減振器。所以我選擇筒式減振器。而在筒式減振器中，常用的三種形式是：雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。我選擇雙筒式液力減振器。
2.2 減振器的工作原理
懸架系統(tǒng)中由于彈性元件受沖擊產(chǎn)生振動(dòng)，為改善輪椅行駛平順性，懸架中與彈性元件并聯(lián)安裝減振器用來(lái)衰減振動(dòng)。液力減振器在汽車懸架系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其作用原理是利用液體流動(dòng)的阻力來(lái)消耗振動(dòng)的能量。當(dāng)車架與車橋相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞在缸筒內(nèi)上下移動(dòng)，減振器殼體內(nèi)的油壓便反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)一些窄小的孔隙流入另一個(gè)內(nèi)腔。此時(shí)，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對(duì)振動(dòng)的阻尼，使車身和車架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而被油液和減振器殼體所吸收，最后散到大氣中去。減振器的阻尼力大小隨車架與車橋的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的增減而增減，并且與油液的粘度有關(guān)。
減振器與彈性元件承擔(dān)著減振和緩沖擊的任務(wù)，阻尼力過(guò)大，將使懸架彈性變壞，甚至使減振器連接件損壞，因面要調(diào)節(jié)彈性元件和減振器這一矛盾。
1、壓縮行程
車橋和車架相互靠近，減振器阻尼力較小，以便充分發(fā)揮彈性元件的彈性作用，緩和沖擊。這時(shí)，彈性元件起主要作用。
2、懸架伸張行程
車橋和車架相互遠(yuǎn)離，減振器阻尼力應(yīng)大，迅速減振。
3、相對(duì)速度
當(dāng)車橋或車輪與車橋間的相對(duì)速度過(guò)大時(shí)，要求減振器能自動(dòng)加大液流量，使阻尼力始終保持在一定限度之內(nèi)，以避免承受過(guò)大的沖擊載荷。
在汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用的是筒式減振器，且在壓縮和伸張行程中均能起減振作用叫雙向作用式減振器。還有采用新式減振器，它包括充氣式減振器和阻力可調(diào)式減振器.
2.3 雙筒式液壓減振器的工作原理及優(yōu)點(diǎn)
主要構(gòu)成有：密封氣室、浮動(dòng)活塞、工作活塞、封圈、壓力閥板、活塞、速度閥板、活塞桿等。
雙向作用筒式減振器工作原理說(shuō)明。在壓縮行程時(shí)，指汽車車輪移近車身減振器受壓縮，此時(shí)減振器內(nèi)活塞3向下移動(dòng)。活塞下腔室的容積減少，油壓升高，油液流經(jīng)流通閥8流到活塞上面的腔室(上腔)。上腔被活塞桿1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，一部分油液于是就推開(kāi)壓縮閥6流回貯油缸5。這些閥對(duì)油的節(jié)約形成懸架受壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力。減振器在伸張行程時(shí)，車輪相當(dāng)于遠(yuǎn)離車身，減振器受拉伸。這時(shí)減振器的活塞向上移動(dòng)?；钊锨挥蛪荷撸魍ㄩy8關(guān)閉，上腔內(nèi)的油液推開(kāi)伸張閥4流入下腔。由于活塞桿的存在，自上腔流來(lái)的油液不足以充滿下腔增加的容積，主使下腔產(chǎn)生一真空度，這時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液推開(kāi)補(bǔ)償閥7流進(jìn)下腔進(jìn)行補(bǔ)充。由于這些閥的節(jié)流作用對(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)的大于壓縮閥，在同樣壓力作用下，伸張閥及相應(yīng)的常通縫隙的通道載面積總和小于壓縮閥及相應(yīng)常通縫隙通道截面積總和。這使得減振器的伸張行程產(chǎn)生的阻尼力大于壓縮行程的阻尼力，達(dá)到迅速減振的要求。
（2-1）
雙筒式減振器具有如下的優(yōu)點(diǎn)：使用廣泛、制造成本低，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，重量減輕、性能也較為穩(wěn)定，而且是雙向作用，在壓縮與伸張的狀態(tài)下都有設(shè)計(jì)好的阻尼力，所以在各個(gè)工況
2.4 本章小結(jié)
主要介紹減振器種類、分類方法和具體的工作原理以及在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用。在闡明雙筒式液壓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用，得出雙筒式液壓減震器功能上的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為后文的設(shè)計(jì)計(jì)算做好基礎(chǔ)。
第3章 輪椅減振器示功特性分析
3.1 建立模型
3.1.1輪椅減震器的動(dòng)力學(xué)模型
把道路不平假定為按正弦曲線的變化形式,并且只考慮垂直方向的運(yùn)動(dòng)，這樣就可以簡(jiǎn)化模型，MJ試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)提供簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)際路況。MJ的動(dòng)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度的二階受迫振動(dòng)，即：
（2-1）
其中m為質(zhì)量，單位kg, c為阻尼系數(shù)，k為彈性系數(shù)。
圖2-1 路況簡(jiǎn)化圖
3.1.2輪椅減震器示功圖測(cè)試模型
由于示功圖測(cè)試主要是測(cè)試減震器液壓阻尼所吸收的能量，可對(duì)（2-1）式作
進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。規(guī)定測(cè)試時(shí)不裝緩沖彈簧，即上式中的k=0，得：
（2-2）
上式中的m為隨減震器一起移動(dòng)的質(zhì)量，在示功圖測(cè)試中，由于傳感器固定在橫梁上，滑塊和減震器外筒運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力未作用在測(cè)試的力傳感器上。傳感器測(cè)得的僅僅是部分油液運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力。因此可忽略慣性力的影響，這時(shí)有：
（2-3）
即示功圖的測(cè)試模型簡(jiǎn)化成了純阻尼模型,。由于復(fù)原行程與壓縮行程有不同的阻尼系數(shù)，因此有：
（2-4）
示功圖測(cè)試臺(tái)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供近似的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：
（2-5）
式中，r為曲柄半徑，l為連桿長(zhǎng)度，ω為曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度。
3.2 輪椅減震器示功圖
3.2.1簡(jiǎn)化測(cè)試模型的示功圖
由(2-4)式描述的線性阻尼模型的示功圖如圖2-2所示。MJ中國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所列出的示范圖形與此相同。示功圖曲線所包容的面積即為阻尼吸收的能量。減震器受簡(jiǎn)諧激振時(shí), 示功圖是相對(duì)Y軸的對(duì)稱圖形。從示功圖中，不僅可以反映減震器壓縮阻力、復(fù)原阻力的大小和Pf/Py的比值。更重要的是通過(guò)示功圖曲線的形狀，描繪出了減震器的整體工作性能。曲線應(yīng)該飽滿，沒(méi)有畸變和突變。
圖2-2 線性阻尼模型的示功圖
3.2.2實(shí)測(cè)示功圖分析
圖2-3 幾種有問(wèn)題的示功圖
根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體復(fù)原阻力和壓縮阻力應(yīng)符合圖樣要求值，偏差為±25 %(后減震器)和±30 %(前減震器)。速度特性圖反映了減震器的阻尼力與速度之間的變化關(guān)系，線性阻尼與速度之間呈線性關(guān)系，以及實(shí)際阻尼系數(shù)的非線性，造成正反向速度的阻力變化曲線不重合和非線性。實(shí)際MJ阻尼表現(xiàn)為非線性特性，其與減震器的速度、加速度，以及溫度、油液粘度及油液在減震器內(nèi)的流動(dòng)特性有關(guān)，加之慣性、摩擦力等因素的影響產(chǎn)生遲滯誤差。由于各相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間存在摩擦力。又由于減震器的內(nèi)腔容積是變化的，油氣共存?；c外筒的滑配以及油封的作用基本上對(duì)內(nèi)腔的空氣起封閉作用，形成一定的空氣阻力。因此實(shí)際模型還應(yīng)包括空氣阻力和摩擦力的影響。即：
（2-6）
式中，為空氣彈簧剛度，為摩擦力，視其為常量(實(shí)際上它是隨速度變化的)。
圖2-3(a)表示復(fù)原阻尼力過(guò)小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是復(fù)原節(jié)流孔過(guò)大；阻尼器內(nèi)泄漏嚴(yán)重；流通閥關(guān)閉不嚴(yán)；復(fù)原閥開(kāi)啟過(guò)早或關(guān)閉不嚴(yán)；試驗(yàn)速度偏低以及油液偏稀所致。
圖2-3(b)表示壓縮阻力過(guò)小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是壓縮節(jié)流孔偏大；阻尼器內(nèi)泄漏嚴(yán)重；補(bǔ)償閥關(guān)閉不嚴(yán)；壓縮閥開(kāi)啟過(guò)早或關(guān)閉不嚴(yán)；底閥脫落等原因所致。
圖2-3(c)是無(wú)液壓阻尼，僅有機(jī)械摩擦，這類缺陷通常出現(xiàn)在前阻尼器上，其阻力實(shí)際上是油封和內(nèi)外套筒間的摩擦而非液壓阻尼。摩擦阻力一般要小于技術(shù)要求值，但若達(dá)到與技術(shù)要求接近，則說(shuō)明該阻尼器摩擦阻力過(guò)大，不能適應(yīng)摩托車的需要。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是阻尼器內(nèi)油液過(guò)少；阻尼孔過(guò)大；油封過(guò)緊；或套筒配合、導(dǎo)向不良。
圖2-3(d)復(fù)原行程有空程，這類示功圖表現(xiàn)為復(fù)原行程初期無(wú)阻力，運(yùn)行一定距離后阻力才建立。出現(xiàn)這類現(xiàn)象的直接原因是受壓腔未被油液充滿，需待該腔中的空氣被排除后，液壓阻力才能建立起來(lái)，這類缺陷可能因底閥座、補(bǔ)償閥、壓縮閥過(guò)大的泄漏引起(如閥片翹曲、閥座不平、密封面間墊入細(xì)屑等)；也可能因活塞上流通閥片關(guān)閉不暢引起。
圖2-3(e)是壓縮行程有空程，特點(diǎn)是壓縮行程初期無(wú)壓縮阻力，運(yùn)行一定距離后，壓縮阻力才能建立。產(chǎn)生這類缺陷的原因可能是壓縮初期補(bǔ)償閥關(guān)閉不嚴(yán)；也可能是復(fù)原行程時(shí)補(bǔ)償閥開(kāi)啟不良所致。當(dāng)阻尼器內(nèi)油液不足時(shí)也常導(dǎo)致這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。
圖2-3(f)壓縮終端處的阻力陡增，對(duì)前阻尼器來(lái)說(shuō)，這是正?，F(xiàn)象。此時(shí)阻尼器運(yùn)行于壓縮終端的液壓限位區(qū)，理應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)勁的液壓緩沖阻力，防止阻尼器剛性碰撞，但對(duì)后阻尼器來(lái)說(shuō)，這就是非正?，F(xiàn)象了，產(chǎn)生這類缺陷的原因是阻尼器內(nèi)油液過(guò)多所致，特別當(dāng)阻尼器溫度升高，油液膨脹后，此類現(xiàn)象更常遇到。
綜上所述，過(guò)大的摩擦力與加工精度和裝配質(zhì)量有很大關(guān)系，也是造成日后MJ漏油的主要原因之一，因此希望在今后的MJ測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)修訂中增加摩擦力的測(cè)試。
總之，示功圖是阻尼器質(zhì)量檢驗(yàn)的依據(jù)，又是阻尼器缺陷分析的第一手材料。
因此，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)減震器進(jìn)行示功測(cè)試的意義也就在此。
第4章 雙筒式液壓減振器的設(shè)計(jì)
4.1 雙筒式液壓減振器的設(shè)計(jì)參數(shù)
筒式減振器設(shè)計(jì)中涉及的參數(shù)較多，大致可以分為如下幾類：
（1）整車參數(shù)
包括輪椅全重、懸置質(zhì)量、車輛縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輪椅懸架剛度、輪椅振動(dòng)固有頻率（圓頻率）、減振器個(gè)數(shù)等。
（2）幾何布置參數(shù)
包括減振器的位置、彈性元件位置等。
（3）減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)
包括減振器長(zhǎng)度、減振器活塞直徑、活塞桿直徑、閥孔位置、閥孔個(gè)數(shù)、閥孔直徑、減振器筒徑、工作缸直徑與長(zhǎng)度、儲(chǔ)液筒直徑與長(zhǎng)度等。
（4）減振器工作參數(shù)
包括減振器的工作長(zhǎng)度、限壓閥閥門彈簧的剛度、彈簧預(yù)緊壓縮量、閥門附加最大行程、活塞行程、活塞最大線速度、活塞正反最大阻力、開(kāi)閥壓力、減振器阻尼系數(shù)等。
這些參數(shù)在設(shè)計(jì)中有的是作為已知量，有的是作為待確定量，所以選擇參數(shù)時(shí)，要考慮的情況比較多，但一般來(lái)說(shuō)，主要包括活塞面積計(jì)算、閥門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、阻尼比或者阻尼系數(shù)，最大卸荷力等參數(shù)的計(jì)算，尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算，強(qiáng)度校合，壽命計(jì)算等?；钊娣e按反行程的最大阻力來(lái)確定，反行程最大阻力與活塞最大線速度有關(guān)，活塞最大線速度取決于懸架裝置結(jié)構(gòu)。閥門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括常通孔面積計(jì)算和閥門彈簧的計(jì)算。減振器內(nèi)通常有兩個(gè)常通孔，活塞上常通孔和補(bǔ)償閥座上的常通孔?；钊铣Ｍ酌娣e按壓縮行程最大活塞線速度即開(kāi)閥速度計(jì)算。設(shè)計(jì)減振器時(shí)，阻尼比的確切值是未知的，它只能通過(guò)測(cè)定減振器工作時(shí)的衰減振動(dòng)情況計(jì)算求得。但是阻尼比的大小又關(guān)系到活塞最大線速度、減振器阻尼力等物理量的值，所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常從減振器吸收振動(dòng)能量的角度來(lái)估計(jì)阻尼比的值。
4.2 雙筒式減振器參數(shù)和尺寸的確定
4.2.1 液壓器工作缸直徑D的確定
根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑D為：
（4.1）
式中：[p]為工作缸最大允許壓力，取3～4MPa，為連桿直徑與缸筒直徑之比，單筒式減震器取，取。根據(jù)式（3.1）計(jì)算得：
由上式計(jì)算得出工作缸直徑的理論值，再依據(jù) QC/T4911999《汽車筒式減震器尺寸系列及技術(shù)條件》，如表 4.1。將工作缸直徑D圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑為30mm；初選壁厚取為2mm，材料選用20 鋼。
表4.1 筒式減振器工作缸直徑 （mm）
工作缸直徑D
20
30
40
(45)
50
65
注：表中有括號(hào)者，不推薦使用。
由于已經(jīng)知道了減震器的工作缸直徑D=30mm，根據(jù)表4.2確定減震器的復(fù)原阻力在1000—2800之間和壓縮阻力不大于1000，可以確定其大概的復(fù)原阻力和壓縮阻力分別是1800N和700N。
表4.2 復(fù)原阻力和壓縮阻力取值 （N）
工作缸直徑D（mm）
復(fù)原阻力
壓縮阻力
20
200—1200
不大于600
30
1000—2800
不大于1000
40
1600—4500
400—1800
（45）
2500—5500
600—2000
50
4000—7000
700—2800
65
5000—10000
1000—3600
4.2.2 雙筒式減震器活塞行程的確定
減震器活塞行程即液壓缸的工作行程。液壓缸的工作行程長(zhǎng)度，可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來(lái)確定，并參照表4.3和表4.4設(shè)計(jì)要求來(lái)選取標(biāo)準(zhǔn)值，故選取活塞行程為180mm。
表4.3 減震器設(shè)計(jì)尺寸（mm）
工作缸
基長(zhǎng)
駐液筒最大外徑
防塵罩最大外徑
壓縮到底長(zhǎng)度
最大拉伸長(zhǎng)度
L1
L3
L2
直徑D
HH型
CG型
HG/GH型
允差
允差
20
90
70
80
34
40
+3
負(fù)值不限
+4
負(fù)值不限
正值不限
-3
正值不限
-4
30
120
86
103
48
56
40
160
120
140
65
75
（45）
70
80
50
190
120
155
80
90
65
210
130
170
90
102
注：1、基長(zhǎng)() 為設(shè)計(jì)尺寸，其值為 。 2、S為行程。
3、壓縮到底長(zhǎng)度 。 4、最大拉伸長(zhǎng)度。
4.2.3 液壓缸壁厚、缸蓋、活塞桿和最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的計(jì)算
1、液壓缸的壁厚的計(jì)算
液壓缸的壁厚一般指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。當(dāng)缸筒壁厚d與內(nèi)徑D的比值小于0.1時(shí)，稱為薄壁缸筒。壁厚按照材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算。
計(jì)算公式如下式：
（4.2）
式中：—實(shí)驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍；
d—液壓缸壁厚；
D—液壓缸內(nèi)徑：
—缸筒材料的許用應(yīng)力。其值為：鑄鐵：=100～110MPa。
計(jì)算得：
表4.4 減振器活塞行程 （㎜）
工作缸直徑D
活 塞 行 程 S
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
20
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
30
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
40
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
（45）
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
50
－
－
－
－
－
－
－
－
65
－
－
－
－
－
－
在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得的液壓缸壁厚往往很小，是剛體的剛度不夠，如在切削過(guò)程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)程卡死或漏油。因此一般不做計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)取值，然后進(jìn)行校核。
缸筒內(nèi)徑確定后，由強(qiáng)度條件確定壁厚；然后求出缸筒外徑D1。
當(dāng)缸筒壁后厚與內(nèi)徑D的比值小于0.1時(shí)，稱為薄壁缸筒壁厚的校核按照材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算。在設(shè)計(jì)中選定的缸筒壁厚為2mm，內(nèi)徑D為30mm。
因?yàn)楸戎敌∮?.1，故
（4.3）
式中：p—液壓缸的最大工作壓力；
—缸筒材料的抗拉強(qiáng)度極限；
n—安全系數(shù)，一般取n=5；
—活塞桿材料的許用應(yīng)力，=。
取設(shè)計(jì)中的工作壓力3MPa內(nèi)徑D已知為30mm。查閱GB699—88取=376MPa。
==75.2
=0.6
設(shè)計(jì)的壁厚為2mm，符合強(qiáng)度要求。
2、液壓缸的穩(wěn)定性驗(yàn)算
按照材料力學(xué)的理論，一根受壓的直桿，在其軸向負(fù)載超過(guò)穩(wěn)定臨界力時(shí)，即失去原有狀態(tài)下的平衡，稱為失穩(wěn)。對(duì)液壓缸其穩(wěn)定條件為
（4.4）
式中：—液壓缸最大推力；
—液壓缸的穩(wěn)定臨界力；
—穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取=2～4。
液壓缸的穩(wěn)定臨界力值與活塞桿和缸體的材料、長(zhǎng)度、剛度、及其兩端的支撐狀況等因素有關(guān)。
因?yàn)楫?dāng)時(shí)要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，依據(jù)長(zhǎng)度折算系數(shù)知
故需要對(duì)液壓缸進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算：
（4.5）
（4.6）
得
表4.5 穩(wěn)定校核相關(guān)系數(shù)
材 料
a
b
λ1
λ2
鋼（Q235）
3100
11.40
105
61
鋼（Q275）
4600
36.17
100
60
硅 鋼
5890
38.17
100
60
鑄 鐵
7700
120
80
—
由下式計(jì)算：
（4.7）
=
=2.2×N
經(jīng)過(guò)校核，液壓缸穩(wěn)定性符合要求。
3、缸蓋厚度的計(jì)算
一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求可以用下面兩式進(jìn)行近似計(jì)算。
無(wú)孔時(shí) （4.8）
有孔時(shí) （4.9）
式中：t—缸蓋有效厚度（m）；
D2—缸蓋止口內(nèi)徑（m）；
d0—缸蓋孔的直徑（m）；
材料許用應(yīng)力；
—實(shí)驗(yàn)壓力；
因?yàn)榛钊麠U的直徑為20mm，所以，而儲(chǔ)液筒的最大外徑48mm，除去筒壁厚度3m
經(jīng)計(jì)算得
4、活塞桿的計(jì)算
減振器活塞桿（或前叉管）承受來(lái)自活塞和連接部件拉伸和壓縮載荷以及或大或小的側(cè)向力。因其表面粗糙度對(duì)減振器滲漏油影響較大，在減振器所有零部件中被列為A類件。其要求必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和較低的表面粗糙度。
活塞桿（或前叉管）材料一般采用35、40、45、40Cr等冷拉圓鋼。其硬度為HRC18～HRC32。取活塞桿的材料為45鋼，硬度為HRC18。
由于活塞的行程S為200mm，活塞桿的長(zhǎng)度應(yīng)該大于活塞的行程，初步確定活塞桿的長(zhǎng)為220mm。
5、對(duì)桿強(qiáng)度進(jìn)行校核
活塞桿的強(qiáng)度校合，前面已經(jīng)得知活塞的復(fù)原阻力和壓縮阻力分別是1800N和700N。
在確定活塞桿直徑后，還需要滿足液壓缸的穩(wěn)定性及其強(qiáng)度要求。
液壓缸的穩(wěn)定性驗(yàn)算 按照材料力學(xué)的理論，其穩(wěn)定條件為
（4.10）
式中：—液壓缸最大推力；
—液壓缸的穩(wěn)定臨界力；
—穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取=2～4
液壓缸的穩(wěn)定臨界力值與活塞桿和缸體的材料、長(zhǎng)度、剛度、及其兩端的支撐狀況等因素有關(guān)。
當(dāng)?shù)谋戎荡笥?0時(shí)要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，依據(jù)長(zhǎng)度折算系數(shù)知
（4.11）
（4.12）
由歐拉公式計(jì)算
符合要求。
（4.13）
—空心活塞桿內(nèi)徑，對(duì)實(shí)心桿，。
活塞桿材料的許用應(yīng)力，為材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)n=1.4～2，系數(shù)越高，安全性越好，取n為2。
故，符合要求。
6、對(duì)壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行校核
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)徑比，且活塞桿承受壓力時(shí)，需要對(duì)壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行校核。
由上式可知：
桿屬于中長(zhǎng)壓桿，只有細(xì)長(zhǎng)桿才能應(yīng)用歐拉公式來(lái)計(jì)算臨界力，因此采用直線公式計(jì)算臨界力。
（4.14）
在工程中為了簡(jiǎn)便計(jì)算，對(duì)壓桿的穩(wěn)定計(jì)算常采用折減系數(shù)法。引入，則用穩(wěn)定安全系數(shù)表示的穩(wěn)定條件，可以表示為
（4.15）
式中：—工作應(yīng)力；
—穩(wěn)定許用應(yīng)力。
在工程中常將穩(wěn)定需用應(yīng)力表示為強(qiáng)度許用應(yīng)力與一個(gè)小于1的系數(shù)的乘積來(lái)表示，即
（4.16）
式中：—折減系數(shù)。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知，根據(jù)表可以知道桿的折減系數(shù)為。
表4.6 壓桿的折減系數(shù)
柔度
值
Q235鋼
16錳鋼
鑄鐵
木材
0
1.000
1.000
1.00
1.00
10
0.995
0.993
0.97
0.99
20
0.981
0.973
0.91
0.97
30
0.958
0.940
0.81
0.93
40
0.927
0.895
0.69
0.87
得出
（4.17）
壓桿的穩(wěn)定條件為
由式（4.13）和式（4.17）知壓桿符合穩(wěn)定條件。
7、最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定
當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響減振器工作的穩(wěn)定性，因此必須要保證有一定的導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)于一般液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足式（4.18）的要求：
（4.18）
式中：L—液壓缸的最大行程；
D—缸筒內(nèi)徑。
4.2.4 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、缸體與缸蓋的連接形式
缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。主要的幾種連接形式有：法蘭連接、螺紋連接、外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接。選擇使用螺紋連接。原因主要有幾點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；（2）容易加工、便于拆裝；(3）強(qiáng)度較大、能承受高壓。
2、活塞桿與活塞的連接形式
活塞在徑向由活塞桿和壓力閥底座進(jìn)行定位，軸向由活塞桿進(jìn)行定位即可，不需要特殊的連接結(jié)構(gòu)。
3、活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)
活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。在本設(shè)計(jì)中采用上密封蓋進(jìn)行直接導(dǎo)向。
4、活塞及活塞桿處密封圈的選用
活塞及活塞桿處密封圈的選用，應(yīng)根據(jù)密封的部位、使用的壓力、溫度、運(yùn)動(dòng)速度的范圍不同而選取不同類型的密封圈。在本設(shè)計(jì)中主要選用O型密封圈，具體尺寸根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用。
5、液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)包括液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)、液壓缸進(jìn)出油口的連接等。液壓缸的安裝形式，頭部法蘭和按壓連接。
6、活塞環(huán)
活塞環(huán)主要起密封作用，防止油液從高壓腔泄漏到低壓腔，減小內(nèi)泄漏，以保證阻尼效果?；钊h(huán)靠自身的彈力貼緊工作缸的內(nèi)腔，可使工作缸和活塞的加工及配合精度適當(dāng)降低，有利于大批量生產(chǎn)。
活塞環(huán)材料常用：尼龍1010、聚四氟乙烯、酚醛樹(shù)脂、填充聚四氟乙烯及三層復(fù)合材料其工藝應(yīng)保證兩端面與中心線垂直。兩端面平行度不大于0. 03、表面粗糙度Ra0.8。外觀不應(yīng)有裂紋、毛刺、縮孔及折皺。根據(jù)活塞環(huán)的密封原理，在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮活塞環(huán)徑向厚度、開(kāi)口形狀、側(cè)間隙、背間隙以及因材料不同時(shí)的活塞環(huán)圓周線漲量?；钊h(huán)裝入工作缸要求進(jìn)行透光檢驗(yàn)，其貼合面不小于85%。
7、液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求
（1）缸體采用45號(hào)鋼；調(diào)質(zhì)HRC28—33；表面法蘭處理；缸體和端蓋采用螺紋連接。
（2）活塞采用40Cr；調(diào)質(zhì)HRC28—35；上下面高頻淬火HRC40—45；活塞外徑用橡膠密封圈密封時(shí)取f7～f9配合。
（3）活塞桿采用40Cr；調(diào)質(zhì)HRC28—33；表面整體氮化，深度0.4—0.75；使用磁力探傷避免有裂紋；活塞桿和活塞采用H7/t6配合。
（4）缸蓋采用45號(hào)鋼；表面陽(yáng)極氧化處理。
（5）浮動(dòng)活塞采用45號(hào)鋼；熱處理后硬度為HRC28—33；法蘭。
4.2.5 活塞及閥系的尺寸計(jì)算
1、活塞尺寸的計(jì)算
活塞的寬度B由公式得，取B=19mm。導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在D<80mm時(shí)，取，當(dāng)D>80mm時(shí)，取，所以取A=1.0D，A=30mm符合要求，活塞的內(nèi)徑取6mm。
2、閥系的計(jì)算
在液壓系統(tǒng)中，用于控制系統(tǒng)中液流的壓力、流量和液流方向的元件稱為液壓控制閥。在減振器工作的時(shí)候，閥的作用是只允許液流沿一個(gè)方向通過(guò)，而反向液流被截止。故活塞上的閥系均為單向閥，對(duì)單向閥的主要性能要求是液流正向通過(guò)時(shí)壓力損失要小；反向截止時(shí)密封性要好，動(dòng)作靈敏，工作時(shí)無(wú)沖擊噪聲小。考慮到減振器的內(nèi)部尺寸較小，工作壓力較低，同時(shí)活塞的尺寸本身較小，如采用鋼球式或錐閥式單向閥就會(huì)使閥心的尺寸過(guò)小，從而不能保證其強(qiáng)度。故設(shè)計(jì)時(shí)采用直通式單向閥。單向閥所用的彈簧，主要用來(lái)克服摩擦力，閥板的重力和慣性力，使閥板在反向流動(dòng)時(shí)能迅速關(guān)閉，單向閥開(kāi)啟壓力一般為0.03～0.05MPa。
(1) 閥孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
當(dāng)進(jìn)、出油口前后壓力差較大，閥口流速過(guò)高時(shí)，出油口流場(chǎng)中的局部壓力可能低于油液中所溶空氣的分離壓，使溶解于油液中的空氣分離出來(lái)或者局部的壓力低于油液的飽和蒸汽壓，使油液汽化。兩種情況都會(huì)使油液中產(chǎn)生氣泡，使油液的質(zhì)量變差，同時(shí)這些氣泡隨液流到壓力較高處會(huì)瞬時(shí)壓破，產(chǎn)生噪聲，這種噪聲稱為氣穴噪聲，為了改善這一狀況，在過(guò)程上主要是對(duì)閥孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將液壓油的壓力分級(jí)降低，逐步衰減。故在設(shè)計(jì)的時(shí)候，進(jìn)、出油口的尺寸比閥孔的內(nèi)徑稍大，油孔直徑與內(nèi)徑相差一定的數(shù)量形成階梯狀以降低每一級(jí)的工作壓差。
(2) 閥孔的尺寸計(jì)算
汽車行駛平順性的優(yōu)劣直接關(guān)系到乘員的舒適性"并涉及汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮" 影響到零部件的使用壽命" 所以它是同類車在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)取優(yōu)勢(shì)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)而減震器作為汽車懸架的阻尼元件之一"其作用是確保車輛具有良好的行駛平順性和安全性" 因此汽車阻尼器的質(zhì)量將直接影響汽車的使用性能$ 根據(jù) 減震器復(fù)原閥和補(bǔ)償閥以及 減震器內(nèi)特性的常通孔或閥結(jié)構(gòu)所滿足的制約關(guān)系" 利用加權(quán)因子將由兩個(gè)制約關(guān)系建立的目標(biāo)函數(shù)組合成統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)"選擇活塞桿直徑%復(fù)原閥片厚度%壓縮閥片厚度%常通孔截面寬度%常通孔截面厚度作為優(yōu)化參數(shù)來(lái)保證減震器在復(fù)原行程和壓縮行程上不發(fā)生空程性畸變
首先計(jì)算壓力閥孔的尺寸壓力閥孔取6個(gè)，均布。進(jìn)出油口直徑D應(yīng)滿足下式：
（4.19）
式中：—閥的公稱流量；
—進(jìn)、出油口的許用流速，一般取=6m/s。
活塞的速度一般為0.15～0.3m/s，取0.3m/s。
由于在活塞上孔是均布的8個(gè)小孔，每個(gè)孔的直徑為d，小孔的總面積應(yīng)等于進(jìn)、出油孔的面積。
由于 故
將d圓整為2。
孔的長(zhǎng)度一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3.23）來(lái)確定
（4.20）
取。
單向閥孔的尺寸比壓力閥略大，計(jì)算方法類似。得出單向閥孔徑為3mm，孔長(zhǎng)為。
閥片在減振器中起截流的作用，保證活塞或底閥兩端面的油腔建立高壓及疏通油液，產(chǎn)生節(jié)流壓差，形成阻尼力。由于閥片與閥在長(zhǎng)期高頻振動(dòng)和彎曲變形中要保持密封可靠，不允許出現(xiàn)殘余變形。要求閥片平面度為0.02，兩端面平行度0.01～0.02，維氏硬度HV486～HV600及較高的彈性極限。閥片材料一般采用65Mn、60Si2Mn、5CrMnMo等鋼帶材料，用精密沖壓而成。再進(jìn)行模壓熱定形工藝。一般加熱到380℃±10℃，保溫1小時(shí)定形。溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致硬度下降。
單向閥板尺寸根據(jù)要求和配合尺寸選用外徑為28mm，內(nèi)徑為6mm，厚度為1.2mm。壓縮閥板的尺寸定為外徑為17.5mm，內(nèi)徑為13mm，厚度為1mm。壓力閥板上預(yù)留壓力閥彈簧座，壓縮閥板與壓縮閥板導(dǎo)向套緊密結(jié)合。
單向閥彈簧在選用的時(shí)候根據(jù)彈簧特性?？紤]到減振器在壓縮的行程中閥板的受力圖為一曲線。故選用圓錐螺旋壓縮彈簧。參考GB4357-89選用最小內(nèi)徑為12，最大外徑為21，鋼絲直徑為0.8，采用材料為碳素鋼。壓力閥彈簧GB4357-89采用圓柱螺旋壓縮彈簧。下式為彈簧的旋繞比為：
（4.21）
C是彈簧的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響到彈簧的強(qiáng)度、材料的利用率及彈簧加工時(shí)的難易。一般取C=4～16根據(jù)表3.6可以確定直徑應(yīng)小于2㎜，取直徑為1.6㎜，C的取用范圍是5～10，取C=10，中徑D2=16
外徑
內(nèi)徑
節(jié)距
工作圈數(shù) 取
總?cè)?shù)
自由度
間距
螺旋升角
鋼絲展開(kāi)長(zhǎng)度
表4.7 旋繞比C的選用范圍
d/㎜
0.2~0.4
0.45~1
1.1~2
2.5~6
7~16
18~42
C
7~14
5~12
5~10
4~9
4~8
4`6
4.2.6 密封元件和工作油液的確定
1、密封元件
自然界泥水隨著氣候、車輛行駛狀態(tài)和地理環(huán)境特點(diǎn)的變化，不斷與減振器密封部發(fā)生接觸。接觸結(jié)果一方面侵蝕和磨損減振器密封部外露面，另一方面，在一定條件下會(huì)穿越密封部而進(jìn)入減振器內(nèi)，惡化減振器性能、降低減振器壽命。當(dāng)油封唇口半徑小于0.2mm時(shí)，由于油封失去潤(rùn)滑油膜，活塞桿和油封之間摩擦加劇。過(guò)大的摩擦力會(huì)導(dǎo)致油封迅速失去抵抗泥水的功能。因此，0.2mm為油封唇口半徑最佳值。自然界泥水進(jìn)入減振器內(nèi)部后，對(duì)減振器產(chǎn)生復(fù)雜、多方面的影響：
（1）與工作液混合，改變油液粘度系數(shù)，影響正常阻尼發(fā)揮；
（2）影響工作液粘溫特性，改變減振器額定設(shè)計(jì)阻尼；
（3）惡化其泡沫特性，影響正常阻尼輸出并引發(fā)高頻異響；
（4）在截流部形成無(wú)規(guī)律堵塞，導(dǎo)致硬阻澀，惡化整車乘座感；
（5）其微粒使減振器內(nèi)摩擦部位加速磨損，引發(fā)內(nèi)部泄漏，降低輸出阻尼，導(dǎo)致疲軟感。
表4.8 密封尺寸
項(xiàng)目
尺 寸 （mm）
d1
8
10
12
18
20
22
25
26
d2max
6.6
8.4
10.2
15.8
17.7
19.6
22.5
23.4
自然界泥水進(jìn)入減振器內(nèi)部，導(dǎo)致工作液性能惡化和內(nèi)部零件過(guò)度磨損。隨工作時(shí)間推移，減振器內(nèi)各零、部件工作關(guān)系迅速惡化，這種惡性循環(huán)將急劇降低減振器的耐久性能。油封裝配過(guò)程中，為避免劃傷油封唇口、裝配不到位，在油封裝配孔或軸的設(shè)計(jì)上需要特別注意。車輛減振器冷成型封口工藝對(duì)成品密封性、強(qiáng)度和外觀質(zhì)量都有著嚴(yán)格的要求。如封口工藝不合理，會(huì)使零件出現(xiàn)表面脫落、裂紋及表面材料堆積、起皺。在高速高壓工作狀態(tài)下油封、導(dǎo)向組件將軸向竄動(dòng)，引發(fā)彈性緩沖件早期損壞，更嚴(yán)重的是，過(guò)大減薄外筒管材壁厚，將降低減振器的抗拉強(qiáng)度。與電弧焊熱成型封口工藝比較，冷成型封口成本低廉、操作簡(jiǎn)單，并可有效避免橡膠密封件過(guò)熱失效。行星強(qiáng)力旋壓工藝可從根本上解決密封、強(qiáng)度和外觀質(zhì)量等問(wèn)題，達(dá)到預(yù)期目的。
需要特別說(shuō)明的是，減振器油封分總成是減振器的關(guān)鍵部件之一。油封分總成的材料和工藝路線隨著技術(shù)的新發(fā)展和企業(yè)的實(shí)際情況而多種多樣。圖4.1和表4.8說(shuō)明的僅僅是比較典型的情況。
圖4.2 密封結(jié)構(gòu)
2、油液的選取
由于大多數(shù)減震器是通過(guò)油的流動(dòng)阻尼力來(lái)吸收沖擊和震動(dòng)能量，并轉(zhuǎn)化為油的熱量散發(fā)掉。所以，阻尼力與油的粘度有著密切的關(guān)聯(lián)，而油的粘度是隨溫度變化的。摩托車使用時(shí)間的長(zhǎng)短，使用時(shí)的環(huán)境溫度等都是不同的。因此，為適應(yīng)摩托車運(yùn)行地域的各種氣候條件，對(duì)減震器油提出了以下技術(shù)要求：
（1）減震器油不但要具有良好的粘溫性能以及較高的粘黏度指數(shù)，還應(yīng)有低的凝固點(diǎn)。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化或隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，減震器油本身溫度變化時(shí)，其油的粘度變化應(yīng)很小；
（2）在我國(guó)境內(nèi)使用的減震器油，其凝點(diǎn)不得低于-40℃。也就是說(shuō)，當(dāng)進(jìn)入嚴(yán)寒冬季氣溫下降至0～-40℃時(shí)，其油液應(yīng)不失去流動(dòng)性；
（3）減震器油在所有的使用范圍內(nèi)（包括高速、滿負(fù)荷以及超載行駛等特殊情況），要盡可能少的汽化損失，即所謂的汽化小性能；
（4）當(dāng)減震器油與空氣接觸時(shí)，必須具有抗氧化穩(wěn)定性和抗油氣混合穩(wěn)定性，即所謂的良好的工作穩(wěn)定性能；
（5）由于含有雜質(zhì)的減震器油液會(huì)在摩托車行駛過(guò)程中，很快將活塞桿劃傷或造成油封刃口殘缺，從而導(dǎo)致漏油。所以，減震器油液一定要保持絕對(duì)的清潔；
（6）減震器油必須具有良好的防銹和抗磨作用。
根據(jù)GB7631.2—87，選用型號(hào)為L(zhǎng)—HFC的液壓油。該產(chǎn)品通常為含乙二醇或其他聚合物的水溶液，低溫性、粘溫性和對(duì)橡膠的適用性好。他的耐燃性好，通常用于低壓和中壓系統(tǒng)中，對(duì)溫度適應(yīng)性好，使用溫度為-20—50oC.適用于中國(guó)的大部分地區(qū)的氣溫。
4.3 本章小結(jié)
敘述了在減振器的設(shè)計(jì)中需要的各種設(shè)計(jì)參數(shù)。介紹了減振器各類參數(shù)的選用方法和在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要的各種公式以及對(duì)重要參數(shù)的確定。重點(diǎn)敘述了缸體、活塞、活塞桿以及閥系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算。
第5章 雙筒液壓減振器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
5.1雙筒液壓減振器連接件的優(yōu)化
在本節(jié)中列出了四種減振器連接件的基本型式，選擇一種適合本設(shè)計(jì)的類型作為本文設(shè)計(jì)的減振器的連接件，并對(duì)其結(jié)構(gòu)做一定的優(yōu)化。
圖5.1 H1 H4（錐吊環(huán)）型
圖5.2 H2(直吊環(huán))型
在圖5.1中所描繪的是一種錐型吊環(huán)的減振器吊環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單應(yīng)用廣泛，但是由于技術(shù)過(guò)于陳舊，現(xiàn)代減振器上采用的已經(jīng)很少了。
圖5.2中的是直吊環(huán)型的減振器吊環(huán)，在實(shí)際應(yīng)用中用的比較廣泛，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，我認(rèn)為直吊環(huán)型的減振器吊環(huán)比較適合本文設(shè)計(jì)的減振器，所以我選擇了直吊環(huán)型的減振器吊環(huán)作為本文設(shè)計(jì)的減振器的連接件。
表5.1 連接件尺寸A1
及
型
工作缸直徑
尺 寸 mm
D
h
20
12
19
28.0
18
24
30
19
30
44.5
28
33
40
26
40
57.0
38
50
50
32
50
70.0
46
60
型
20
10
21
28.0
18
24
30
16
35
44.5
28
38
40
22
47
57.0
38
50
50
28
57
70.0
46
60
65
30
64
80.0
50
60
圖5.3 H3(X型銷吊環(huán))型
圖5.4 G(雙頭螺栓)型
圖5.3中的是X型銷吊環(huán)，這種減振器吊環(huán)工作可靠，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝卸不是很方便。
圖5.4 中的是雙頭螺栓型連接件，這種減振器連接件也具有工作可靠，使用方便等特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且不適合本文設(shè)計(jì)的減振器。
表5.2 連接件尺寸A2
型
尺 寸 mm
工作缸直徑
D
H
L
a
b
c
t
20
13.8
21
28
18
53
46.6
63
9
6.4
20
4.6
2.3
30
18.0
28
34
24
65
56.5
77
11
6.4
26
6.4
3.2
G
型
d
L
B
C
t
20
M8×1－6h
14
14
27.5
4
40
4
4
6.0
2.3
30
M10×1.25－6h
16
16
34.5
5
50
5
5
7.5
5.2
40
M14×1.5－6h
25
—
58.0
7
75
8
8
11.0
6.0
（45）
50
M18×1.5－6h
30
—
68.0
8
91
—
10
15.0
9.0
注：1、H型吊環(huán)形狀可以在性能與壽命允許的范圍內(nèi)改變。
2、G型的L為用標(biāo)準(zhǔn)緊固扭矩（M8×1為10N·m，M10×1.25為15N·m，M14×1.5為50N·m，M18×1.5為165-200N·m）擰緊螺母后的尺寸。
3、螺紋精度按CB2516-1981《普通螺紋 偏差表》的規(guī)定。
根據(jù)查表5.1和表5.2得出下列數(shù)據(jù)：因?yàn)楣ぷ鞲字睆綖?0mm，所以直吊環(huán)的D取16mm，取35mm，取44.5mm，h取28mm，取38mm。
直吊環(huán)在根據(jù)表中數(shù)據(jù)裝在減振器上后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際尺寸較大，所以重量也較大，對(duì)減振器的工作有負(fù)面影響。通過(guò)減小沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)值的D和之間的厚度，來(lái)減小質(zhì)量，從而使設(shè)計(jì)在重量和成本上得到一定的優(yōu)化。
5.2 雙筒液壓振器焊接方法的優(yōu)化
針對(duì)汽車減震器連桿凸焊質(zhì)量不穩(wěn)定的工程實(shí)際問(wèn)題，將優(yōu)化理論應(yīng)用于凸焊工藝規(guī)范參數(shù)的確定，建立回歸方程和多變量函數(shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，用內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)