葉萬權，楊禮康，王山虎

(1.浙江科技學院 機械與汽車工程學院，杭州 310023；2.浙江路得坦摩汽車部件股份有限公司，浙江 湖州 313300)

減振器是汽車懸架的重要組成部件，其工作性能將直接對汽車的乘用舒適性和操縱穩(wěn)定性造成影響[1]。對于液壓減振器，內部注油量的多少將直接影響其工作性能及使用壽命[2-3]。因此，對減振器注油量進行合理計算很有必要。目前對這部分研究得較少，且大多只停留在理論研究，也無友好人機界面系統(tǒng)的開發(fā)[4-5]；現(xiàn)階段很多減振器廠家都根據(jù)經驗進行油量添加，雖有些企業(yè)運用一些計算方法，但計算誤差普遍較大，致使減振器出現(xiàn)空程、壽命短等問題，并沒有太大的實際作用[6-7]。本研究根據(jù)實際經驗，并結合相關油量計算理論，建立了一套液壓減振器油量計算方法。在此基礎上，為了便于使用，利用MATLAB軟件搭建了一套注油量計算平臺，使計算和操作更加方便[8-10]。

1 液壓減振器整體結構

液壓減振器雖然整體結構并不十分復雜，但由于影響其阻尼特性的零部件比較多，所以在考慮其綜合性能時，又變得相對復雜[8-10]。同樣，在考慮減振器注油量時，為了保證減振器工作性能，使所注油量更加合理精確，需要考慮的零部件結構也就相對較多。普通雙筒液壓減振器活塞桿壓縮至最低位時的整體結構如圖1所示。圖1在詳細展示其整體結構的同時，還列出了減振器各部分的長度范圍，以便于后期計算模型的搭建[11]。

1—油封；2—導向器；3—軸承套；4—活塞桿；5—限位器；6—限位片。圖1 減振器整體結構Fig.1 Overall structure of shock absorber

2 減振器油量計算方程的推導

以企業(yè)實際運用及減振器劃分的結構為依據(jù)，在充分考慮雙筒液壓減振器各部分結構和尺寸后，設定油量精確計算模型。當活塞桿處于最低端時，分步計算如下。

減振器內油缸總體積求取。第1步，計算活塞桿腔內工作缸體積V1：

(1)

式(1)中:d1為減振器活塞桿端外筒內徑；d2為緩沖塊直徑；d4為活塞桿外徑；d5為工作缸內徑；L1為緩沖塊左端面至工作缸左端面的長度；L3為限位器和限位片之間的長度；L2為緩沖塊和限位器疊加長度。

第2步，計算活塞腔工作缸內螺母與缸間隙體積V2：

(2)

式(2)中：d7為活塞螺母直徑；L5為活塞螺母間隙長度。

第3步，再對活塞腔內工作缸與底閥的間隙體積V3進行計算：

(3)

式(3)中：d8為閥片限位器直徑；L8為底閥間隙長度。

第4步，計算底蓋間隙的體積V4：

(4)

式(4)中：d9為底座內直徑；L7為底蓋間隙高度。

第5步，對底蓋與內油缸間隙體積V5進行計算：

(5)

從以上計算可以求得內油缸總體積Vi為：

Vi=V1+V2+V3+V4+V5。

(6)

由此獲得雙筒液壓減振器內油缸總體積。

對減振器外筒體積進行計算，具體計算方式與步驟與內油缸相似，式(7)～(11)分別為外筒下部直段部分體積V6、外筒下部擴口部分體積V7、外筒中部直段部分體積V8、外筒上部縮口部分體積V9、外筒上部直段部分體積V10的計算公式。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式(7)～(11)中：d11也為外筒內徑，但根據(jù)外筒有無擴孔而與d6的大小有所不同，當外筒不擴孔時，兩者相等，當外筒擴孔時，d6要大于d11；L9～L13為外筒各段長度；R1為外筒因擴孔而產生的大內孔半徑；r1為外筒前段內孔半徑；r6為外筒后段內孔半徑。

從而獲得減振器外筒總體積Vo為：

Vo=V6+V7+V8+V9+V10。

對于軸承套及油封間隙占有體積V11,一般根據(jù)實際情況進行設定，從而可以計算獲得整體體積為：

Vw=Vi+Vo+V11。

此外，還需要考慮活塞桿行程體積，具體計算方法如下：

(12)

式(12)中：L14為活塞桿運動行程。由于減振器有充氣和不充氣之分，所以空氣壓縮比也就不同，在此設定空氣壓縮比為W，由于空氣壓縮比與減振器有桿腔內活塞桿體積大小有關，可根據(jù)活塞桿直徑和其進入工作缸體的極限長度(即減振器行程)進行相應的設定。此外，空氣壓縮比還受到減振器油封受壓程度的影響，一般將空氣壓縮比的數(shù)值設置在2～3。當空氣壓縮比的數(shù)值超過3時，減振器壓縮到末端時壓強將急劇變大，油封將因無法承受如此大的壓強而受到損壞。結合式(12)可推導出空氣量體積V13：

根據(jù)以上公式推導和計算，最終獲得液壓減振器注油量V為：

V=Vw-V13。

3 軟件計算平臺的構建

為了能夠更加方便地使用這套理論模型進行注油量計算，在此基礎上進行軟件平臺開發(fā)[12]。應用MATLAB軟件強大的數(shù)學計算功能及面向對象技術的GUI模塊，將所設計的注油量計算方法編入軟件程序，并在GUI模塊中設計簡潔的應用窗口：即通過簡單的變量輸入，經后臺程序運算直接在窗口上顯示注油量結果[13]。

圖2 減振器注油量計算窗口Fig.2 Calculation window for oiling mass of shock absorber

由于GUI模塊能給出一個效率高、更便捷的集成化環(huán)境，因此在設計窗口時，它能夠提供界面外觀等方面的設置方法[14-15]。同時，設計好的界面將保存在FIG文件中并生成一個M代碼文件，經編寫調試最終生成exe文件，以便于運行打開及操作運算[16]。普通雙筒液壓減振器的注油量計算窗口如圖2所示。從圖2可知，通過輸入模塊計算所需要的該型號減振器的各個變量值，然后點擊運算，即可在窗口處顯示出其所需的減振油量。整個計算過程在MATLAB環(huán)境下完成，操作簡便。同時，對該計算結果進行實際驗證。采用某企業(yè)現(xiàn)有威巴克產品SKN8367型液壓減振器進行實際運用，其中活塞桿直徑為12 mm，工作缸內徑為30 mm，外徑為32.4 mm，貯油筒內徑為42 mm，外徑為45 mm。輸入各變量值并經過計算得到注油量約為246 mL，以此油量注入到該型號減振器中，并放于MTS849型示功機上測試(圖3)，獲得實際測試示功圖(圖4)。從圖4中可以看出，示功圖曲線飽滿，無畸形、無空程等現(xiàn)象。驗證結果表明，該平臺油量計算準確，符合實際運用要求。

圖3 減振器試驗過程Fig.3 Test process of shock absorber

圖4 減振器試驗示功圖Fig.4 Test dynamometer of shock absorber

4 結 論

本研究根據(jù)減振器實際工作情況建立雙筒液壓減振器油量計算模型，并應用MATLAB軟件的GUI模塊建立油量計算操作平臺，再采用實際型號減振器進行試驗驗證，從而證明了計算結果的準確性。該平臺可作為雙筒液壓減振器開發(fā)過程中的輔助工具，因此具有運用價值。

[1] LEE C T，MOON B Y.Simulation and experimental validation of vehicle dynamic characteristics for displacement sensitive shock absorber using fluid-flow modeling[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2006，20(2)：373.

[2] 楊茂舉，方文強，鄒其東，等.汽車懸架用雙筒油壓減振器注油量分析計算[J].機床與液壓，2012，40(20)：74.

[3] 鄭松林，王爍，馮金芝，等.多軸載荷作用下減振器耐久性試驗載荷譜編制[J].中國機械工程，2017，21(28):1.

[4] 任政.試論筒式減振器注油量設計計算[J].中國新技術新產品，2013(10)：149.

[5] 王樊康，華春蓉，閆兵，等.某航空發(fā)動機扭振減振器失效機理分析[J]. 機械科學與技術，2017(11):1.

[6] 王三槐，樊友權，劉能文，等.鐵路機車車輛油壓減振器注油量的計算[J].電力機車與城軌車輛，2005，28(3)：29.

[7] 雷先華，羅斐，宋鵬.自供能電流變彈性體減振器的設計與特性分析[J].機電工程技術，2017，46(9):11.

[8] 吳建斌，李人憲，段艷文.高速列車減振器結構參數(shù)對性能的影響分析[J].交通運輸工程與信息學報，2015，13(3):70.

[9] 吳建斌.液壓減振器結構參數(shù)對性能的影響[D].成都：西南交通大學，2015.

[10] 樊友權.機車車輛減振器阻尼系統(tǒng)及關鍵部件失效研究[D].成都：西南交通大學，2014.

[11] 劉暢.軌道車輛油壓減振器注油量的分析計算[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2017，246(5)：39.

[12] 李京秀，張薇娟.基于MATLAB GUI可視化電路計算平臺的開發(fā)[J].武漢理工大學學報，2010，32(14)：162.

[13] 謝麗蓉.基于Matlab/GUI異步電動機人機界面設計[J].實驗技術與管理，2014，31(8):50.

[14] 張鳴，閆紅梅.基于MatlabGUI的信號與系統(tǒng)實驗平臺設計[J].實驗技術與管理，2016，33(1):100.

[15] 王兆文，李浩，黃都，等.基于Matlab/GUI的汽油機缸內直接噴霧圖像處理方法[J].農業(yè)機械學報，2013，44(9):19.

[16] 李寶方，邢玉清.基于MATLABGUI的數(shù)字圖像處理仿真系統(tǒng)設計[J].計算機與數(shù)字工程，2014，42(11):2177.