液壓減震器發(fā)展及工作原理

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，達到減震目的。之后，在 20世紀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，簡式液壓減震器取代了搖臂式減震器，其成本低，壽命長，但容易出現(xiàn)充油不及時的問題，若充油不及時，會影響減震效果，產(chǎn)生噪音與沖擊。直到 20世紀 50年代，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 04MPa06MPa的氮氣可以解決充油不及時的問題。同時單筒式充氣減震器也開始發(fā)展，其采用浮動活塞的結(jié)構(gòu)，使充入的氮氣形成 20MPa25MPa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車車輛上的一個重要部件。由于機車車輛的車輪與鋼軌面之間是鋼對鋼的接觸，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 ，使機車車輛各部分高頻和低頻振動。如果這種振動不經(jīng)過減振器來衰減，就會降低機械部件的結(jié)構(gòu)強度和使用壽命，惡化運行品質(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適性。尤其近年來我國鐵路進入一個飛速發(fā)展時期，特別是在鐵路跨越式發(fā)展政策的指引下，我國鐵路將會進入一個全新的發(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；110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110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。當拉伸運動時，活塞I3向上移動，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)生阻力由于上部活塞桿5占有一定的油的體積，活塞上升時，下腔的油量不足。產(chǎn)生負壓使底閥座上的回油閥座l9上升,離開底閥座20，油從儲油缸通過回油閥座l9與底閥座20之間的開口進入油缸24下腔補充油量。當壓縮運動時，活塞l3向下移動，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，閥口打開，油通過閥口進入油缸上腔產(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，油通過閥口進入儲油缸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算 液壓減振器按照液流方向可以分為油液單向循環(huán)流動和雙向往復(fù)流動 2種類型。它們的基本動作都是拉伸和壓縮。當活塞桿相對于缸筒作拉伸和壓縮運動時，內(nèi)部的油液通過節(jié)流孔在流動的過程中產(chǎn)生阻力，耗散能量 。 2.拉伸和壓縮時的阻力介紹 減振器拉伸時，阻力計算簡圖如圖1所示。對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的同時，更能有效地抑制車輛的橫向振動。 圖3-1為安裝橫向減振器時車輛前后端平穩(wěn)性指標的變化情況。從計算結(jié)果來看,安裝橫向減振器時,當阻尼系數(shù)小于100kNsm時，隨著阻尼系數(shù)的增大，車輛前后端的橫向平穩(wěn)性指標顯著下降，但垂向有所增大；當阻尼系數(shù)達到100kNsm時，繼續(xù)增加阻尼系數(shù)各觀察點的平穩(wěn)性指標變化不大。圖3-1 安裝橫向減振器時車輛平穩(wěn)性（a）前端；（b）后端表 1是同時安裝橫向和垂向減振器的計算結(jié)果。當橫向和垂向阻尼系數(shù)達到50KN.S/M 時,車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標同時明顯下降。表3-1 同時安裝橫向和垂向減振器時平穩(wěn)性指標計算結(jié)果在車輛之間安裝適當?shù)臋M向和垂向減振器可明顯減小由線路不平順隨機激擾所引起的列車振動響應(yīng)。不管是垂向還是橫向減振器都是在抑制車輛的橫向振動方面更有效果。當橫向和垂向減振器同時安裝時，垂向振動也可以得到較好的抑制 。出拉伸阻力表達式為： （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 ； 活塞運動速度。 上式表示拉 伸阻力與運動速度的平方成正 比， 與 節(jié)流孔面積的平方成反比。 減振器壓縮時， 計算簡圖如圖3-1-2（b）所示。 與拉伸時的情況相仿， 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： （2）壓縮阻力的計算公式為： （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 向的阻力是不對稱的，對于雙向流動的減振器，要使拉伸和壓縮方 向的阻力特性對稱，就必須分別設(shè) 置拉伸和壓縮時的節(jié)流孔面積 。 圖3-2(a)拉伸時的計算簡圖(b)壓縮時的計算簡圖3.單向流動減振器的拉伸和壓縮阻力 單向流動減振器的計算簡圖如圖 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： 活塞運動速度 ； 活塞上部的油壓截面積 。 拉伸阻力為： （5）當減振器壓縮時，活塞上的單向閥開啟，底閥上的單向閥關(guān)閉，P=P，此時經(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，當時，即當活塞桿的截面積等于壓力缸的截面積的一半時，阻力有對稱性。實際上，幾乎所有的單向流動減振器都具有拉壓對稱特性。 圖3-3單向流動減振器的計算減圖五、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的震蕩及來自路面的沖擊。在經(jīng)過不平路面時，雖然彈性元件可以過濾路面的震動，但彈簧自身還會有往復(fù)運動，而減震器就是用來抑制彈性元件跳躍震動的。減震器太軟，車身就會上下跳躍，減震器太硬就會帶來太大的阻力，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)地從一個內(nèi)腔經(jīng)小孔隙流入另一個內(nèi)腔，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)的摩擦按形成對振動的阻尼力，車身、車架振動的能量經(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)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。活塞上裝有伸張閥和流通閥，在工作缸的下部的底座上裝有壓縮閥和補償閥。為了使減振器能夠滿足工作要求，流通閥和補償閥的彈簧相對比較軟，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比較硬，只有當油壓增大到一定的程度時，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，此時減振器被壓縮，汽車車輪移近車身，減振器內(nèi)的活塞向下移動，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縮閥，流回到儲油缸內(nèi)。油液通過閥孔時，此時減振器受拉伸，車輪遠離車身，這時減振器的活塞向上移動，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，這時儲油缸中的油液推開補償閥流進下腔進行補充。由于這些閥的節(jié)流就對懸架在伸張運動時起到阻尼作用。由于伸張閥彈簧的剛度和預(yù)緊力設(shè)計得大于壓縮閥，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產(chǎn)生的阻尼力，從而達到迅速減振的要求。充氣式減震器：是60年代以來發(fā)展起來的一種新型減震器。其結(jié)構(gòu)特點是在缸筒的下部裝有一個浮動活塞，在浮動活塞與缸筒一端形成的一個密閉氣室種充有高壓氮氣。在浮動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動速度大小而改變通道截面積的壓縮閥和伸張閥。當車輪上下跳動時，減震器的工作活塞在油液種做往復(fù)運動，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。由于閥對壓力油產(chǎn)生較大的阻尼力，使振動衰減。與雙向作用筒式減振器相比，充氣式減振器有結(jié)構(gòu)簡化、重量減輕、噪聲小、阻尼更大、可靠性更高、不會出現(xiàn)液力減震器常出現(xiàn)的油乳化現(xiàn)象等優(yōu)點。缺點是充氣式減振器對油封要求高，充氣工藝復(fù)雜、不易維修，當缸筒受外界較大沖擊而變化時，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縫，內(nèi)有小活塞，上方有帶膜片的氣室。負荷重時，氣室壓縮，小活塞下行關(guān)小縫隙，加強節(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，從而達到改變阻尼剛度的目的。