陳根福,趙慧勇,梁國才,李明輝
(湖北汽車工業(yè)學院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室,湖北 十堰442002)
液壓阻尼器是20世紀70年代發(fā)展起來的一種對速度反應靈敏的阻尼裝置,廣泛應用于機械、汽車等行業(yè),緩和機械振動造成的沖擊[1]。常見的液壓阻尼器為直線運動型阻尼器,關(guān)于旋轉(zhuǎn)阻尼器的研究較少。在汽車機械領(lǐng)域,動力傳動系統(tǒng)通常以旋轉(zhuǎn)方式輸出扭矩和轉(zhuǎn)速來驅(qū)使相應機構(gòu)工作[2]。以汽車動力傳動為例,離合器可看作可控變阻尼阻尼器,通過阻尼比的無限小到無限大,實現(xiàn)了汽車的起步平穩(wěn)及換擋功能。此外,其他旋轉(zhuǎn)機構(gòu)通過改變阻尼大小改變工況類型,可實現(xiàn)復雜的轉(zhuǎn)動工況的設計和轉(zhuǎn)換,提升機構(gòu)的性能。有研究者提出了使用電流變特性、磁流變特性改變阻尼比的新型可變阻尼機構(gòu)[3],但因其能耗大、性能不穩(wěn)定等,未大批量應用[4-5]。文中介紹了一種新型的變阻尼液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器,可實現(xiàn)360°循環(huán)旋轉(zhuǎn)及調(diào)整阻尼的功能,提升系統(tǒng)的動態(tài)性能,對于改善旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的性能、設計新型機構(gòu)系統(tǒng)、拓展汽車機械動力傳動系統(tǒng)的類型等具有重要的意義,為動力傳動領(lǐng)域、減振領(lǐng)域的阻尼調(diào)整控制提出了新的途徑和方向[5]。在其結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上,建立數(shù)學模型分析其阻尼特性,并通過仿真進行驗證。
為了增加機構(gòu)旋轉(zhuǎn)過程的阻尼,有研究者提出了磁流變方案、旋轉(zhuǎn)液壓阻尼方案等。相較于磁流變方案控制復雜、成本較高等缺點,變阻尼器液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器具有控制與安裝方便、成本低的優(yōu)點。常見的液壓阻尼方案主要有旋轉(zhuǎn)液壓泵+阻尼孔比例伺服控制方案、旋轉(zhuǎn)葉片式阻尼方案、扭力可調(diào)旋轉(zhuǎn)阻尼方案等[6]。由于結(jié)構(gòu)限制,一般的旋轉(zhuǎn)葉片式阻尼方案和扭力可調(diào)旋轉(zhuǎn)阻尼方案只能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度小于360°的往復轉(zhuǎn)動中的阻尼加載[6],旋轉(zhuǎn)液壓泵+阻尼孔比例伺服控制方案則結(jié)構(gòu)不夠緊湊,且比例閥控制成本較高。變阻尼器液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器可實現(xiàn)360°的往復轉(zhuǎn)動,并且在旋轉(zhuǎn)工作過程中阻尼可由電機連續(xù)調(diào)整進行控制,具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、控制與安裝方便的優(yōu)點。
變阻尼液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,由多個葉片、閥體、閥芯、軸、殼體、彈簧、電機組成。阻尼器通過軸與旋轉(zhuǎn)元件連接,當旋轉(zhuǎn)元件帶動軸轉(zhuǎn)動時,葉片在彈簧的作用下緊貼導軌沿環(huán)形軌道方向繞軸轉(zhuǎn)動,葉片在導軌的作用下沿徑向方向伸縮滑動,隨著葉片的轉(zhuǎn)動,驅(qū)動液壓油沿軌道運動。阻尼器一側(cè)裝有閥門連通軌道,液壓油在通過閥門時通過改變閥門的開度產(chǎn)生減緩旋轉(zhuǎn)元件運動效果的阻尼[6]。閥體由電機驅(qū)動,在閥體旋轉(zhuǎn)的過程中,閥體阻尼孔的截面面積在不斷變化,流經(jīng)阻尼孔的液體體積也隨著阻尼孔截面積的變化而變化,在阻尼孔完全開放時,液體沒有受到阻礙,在阻尼孔完全關(guān)閉時,液體不能從阻尼孔通過。
阻尼孔處通過裝有的閥門通過電機驅(qū)動電機軸來帶動閥芯轉(zhuǎn)動,從而改變阻尼孔的大?。婚y門通過步進電機進行驅(qū)動調(diào)節(jié),實現(xiàn)改變閥門轉(zhuǎn)角的角度來改變閥門的開度,從而控制液體的流量達到實現(xiàn)調(diào)節(jié)阻尼的效果。
圖1 液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖
阻尼器在運動過程中主要存在2種情況:1)當阻尼孔完全截止時,在不考慮泄露的情況下液壓油保持不動,阻尼最大,完全抑制了液壓油的運動;2)當制動閥門存在一定開度,液壓油可以通過阻尼孔保持一定的流速,阻尼隨阻尼孔開度大小而變化。
圖2 閥門簡化圖
圖2 為阻尼器中液壓油通過閥門時兩端和閥孔處的流速壓強變化簡化圖。根據(jù)流體力學中的伯努利方程可得:
式中:p1和p3分別為閥門左右兩側(cè)壓強;p2為閥門處的壓強;v1為葉片兩端的速度;v2為閥門處的速度;ρ 為液體密度;hw1和hw2為局部壓力損失;根據(jù)突然擴大管和突然縮小管的阻力損失計算可得:
式中:?1,?2為局部阻力系數(shù)[10,12];A1為葉片面積;A2為閥門過流面積。此時閥芯轉(zhuǎn)過90o,流體通道打開,在不考慮泄露的情況下,阻尼器處于流通狀態(tài)。因為2個腔同在一個軸上,所以2個葉片的轉(zhuǎn)速始終保持一致,也就是說2個葉片的轉(zhuǎn)速是相同的[7]。將式(2)代入式(1)可得:
式中:Δp為閥門兩端的壓差。
當動葉片以角速度ω 轉(zhuǎn)動時,其產(chǎn)生的流量就是其體積[8],故
式中:Cq為流量系數(shù);R 為流體通道的外半徑;r 為流體通道的內(nèi)半徑;h為葉片的高度;ω為葉片的角速度??梢缘贸觯?/p>
由于動葉片的轉(zhuǎn)動而使左腔的液壓油受到壓縮,產(chǎn)生壓差作用于動葉片,形成阻尼力矩T[9]。根據(jù)動力學方程,其表達式為
式中:F為作用在葉片上的液壓力;S為受力面積;L為力偶矩。得到阻尼力矩T的公式[8]為
式中:A2為過流面積[9-11];θ為閥芯旋轉(zhuǎn)角度;d為閥門直徑。得出阻尼影響因子的表達式為
根據(jù)圖1所示切面圖,用三維建模軟件CREO,依據(jù)液壓阻尼器的設計圖紙,將阻尼閥簡化成不同開度的通道,可壓縮葉片簡化成不可壓縮,并建立三維模型,其剖面如圖3所示。
圖3 液壓阻尼器簡化后剖面圖
邊界條件的設定如下:設定入口體積流量開始為0.02 m3·s-1;出口設定為環(huán)境壓力;壁面粗糙度設定為0;同時對表面目標進行了設計。
圖4 是閥門通徑為14 mm 的球閥在不同開度下的壓力分布。當葉片轉(zhuǎn)動帶動液體流經(jīng)閥門時,由于液體過流面積減小導致閥門對液體流動產(chǎn)生阻力,閥門兩端形成壓差產(chǎn)生阻尼。隨著閥門的轉(zhuǎn)動角度增大,閥門開度不斷減小,在速度不變的情況下,閥門兩端的壓差不斷增大。從圖4 中可看出:閥門轉(zhuǎn)角為50°時,閥門已經(jīng)趨近于關(guān)閉;閥門轉(zhuǎn)角達到80°時,閥門處于完全截止狀態(tài)。在沒有達到90°就完全截止,說明閥門存在一定的死角,在死角狀態(tài)下轉(zhuǎn)動閥門并不能改變閥門的開度。
圖4 閥門不同轉(zhuǎn)角靜壓圖
圖5 為閥門轉(zhuǎn)角為0°時葉片在不同速度下的靜壓圖,可以看出:隨著速度的不斷增加,各部分的壓力分布基本保持不變,閥門兩端的壓差在不斷的增大,但這并不能說明速度增大,閥門的阻尼在不斷增大。通過式(8)可知,雖然速度增加,閥門兩端的壓差壓也在增加,但是壓差的改變并不一定會改變阻尼影響因子的大小,這還需要進一步分析。
圖5 液體不同流速下閥門靜壓圖
由式(8)可以看出,阻尼影響因子的主要影響因素為閥門轉(zhuǎn)角和液體流動速度,因此需要通過仿真進一步確認閥門轉(zhuǎn)角和流動速度對阻尼影響因子的作用關(guān)系。通過仿真可以得到隨閥芯轉(zhuǎn)角變化的阻尼影響因子,如表1所示。從表1中可以看出:隨著閥門轉(zhuǎn)角的不斷增大,阻尼影響因子也隨之增大。由于隨著閥門轉(zhuǎn)角的變化,閥門開度呈現(xiàn)三角函數(shù)變化,所以開始時增大速度比較緩慢,越往后增大速度越快。
表1 閥芯轉(zhuǎn)角與阻尼影響因子參數(shù)
同樣得到閥門轉(zhuǎn)角為0°時的入口速度與阻尼移響因子的變化關(guān)系,如表2所示。隨著入口速度的不斷增加,阻尼影響因子基本保持不變。因此可以得知阻尼影響因子的主要影響因素為閥門轉(zhuǎn)角,閥門轉(zhuǎn)角與阻尼影響因子呈正相關(guān)。入口速度對阻尼影響因子的影響很小,可忽略不計。
表2 入口速度與阻尼影響因子參數(shù)
圖6 為仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比分析。從圖6中可知:阻尼影響因子隨著閥門開度的增加不斷增大,當閥門趨于關(guān)閉的時候阻尼影響因子趨于無窮大。從圖6中還可以看出:仿真實驗得到的數(shù)據(jù)顯示閥門轉(zhuǎn)角較小時大于理論值,當閥門轉(zhuǎn)角達到75°時大于理論值,這是因為模型在設計時配合存在間隙,所以導致仿真數(shù)據(jù)相較于理論數(shù)據(jù)存在差異。仿真結(jié)果為后面的阻尼器的結(jié)構(gòu)設計提供依據(jù),為后續(xù)的控制研究奠定基礎(chǔ)。
圖6 阻尼影響因子與閥門轉(zhuǎn)角關(guān)系圖
通過上述分析可以得出:阻尼器的阻尼在相同轉(zhuǎn)速、不同開度的情況下,阻尼是呈現(xiàn)遞增的形式,隨著開度的不斷增大,阻尼也不斷增大:在不同轉(zhuǎn)速、相同開度的情況下,阻尼基本保持不變。分析表明阻尼的主要影響因素為閥門的開度,并且可以通過控制閥門的開度來實現(xiàn)阻尼的可控,為后續(xù)研究提供重要的依據(jù)。
文中對阻尼器在不同開度下的流場進行了數(shù)值模擬。在流場不同轉(zhuǎn)速的情況下,分析了阻尼器阻尼影響因子的影響因素,得出了以下結(jié)論:1)根據(jù)建立的阻尼影響因子關(guān)系式可以推導出轉(zhuǎn)矩與阻尼影響因子的關(guān)系式,所以在閥門處壓力下降得越快,可以看出,受到的阻力越大,相應阻尼力越大;2)仿真結(jié)果表明,通過改變阻尼閥的轉(zhuǎn)角進而改變直徑可以達到改變阻尼的效果,實現(xiàn)了阻尼力由小到大的變化;3)阻尼影響因子的影響因素主要與閥門轉(zhuǎn)角有關(guān),閥門轉(zhuǎn)角越大,阻尼影響因子也隨之增大;4)在后續(xù)拓展中還可以進一步研究是否可以實現(xiàn)阻尼力的可控。