双筒液压减振器注油量计算平台的开发

2018-01-27叶万权杨礼康王山虎

浙江科技学院学报 2018年1期

叶万权，杨礼康，王山虎

(1.浙江科技学院机械与汽车工程学院，杭州 310023；2.浙江路得坦摩汽车部件股份有限公司，浙江湖州 313300)

减振器是汽车悬架的重要组成部件，其工作性能将直接对汽车的乘用舒适性和操纵稳定性造成影响[1]。对于液压减振器，内部注油量的多少将直接影响其工作性能及使用寿命[2-3]。因此，对减振器注油量进行合理计算很有必要。目前对这部分研究得较少，且大多只停留在理论研究，也无友好人机界面系统的开发[4-5]；现阶段很多减振器厂家都根据经验进行油量添加，虽有些企业运用一些计算方法，但计算误差普遍较大，致使减振器出现空程、寿命短等问题，并没有太大的实际作用[6-7]。本研究根据实际经验，并结合相关油量计算理论，建立了一套液压减振器油量计算方法。在此基础上，为了便于使用，利用MATLAB软件搭建了一套注油量计算平台，使计算和操作更加方便[8-10]。

1 液压减振器整体结构

液压减振器虽然整体结构并不十分复杂，但由于影响其阻尼特性的零部件比较多，所以在考虑其综合性能时，又变得相对复杂[8-10]。同样，在考虑减振器注油量时，为了保证减振器工作性能，使所注油量更加合理精确，需要考虑的零部件结构也就相对较多。普通双筒液压减振器活塞杆压缩至最低位时的整体结构如图1所示。图1在详细展示其整体结构的同时，还列出了减振器各部分的长度范围，以便于后期计算模型的搭建[11]。

1—油封；2—导向器；3—轴承套；4—活塞杆；5—限位器；6—限位片。图1 减振器整体结构Fig.1 Overall structure of shock absorber

2 减振器油量计算方程的推导

以企业实际运用及减振器划分的结构为依据，在充分考虑双筒液压减振器各部分结构和尺寸后，设定油量精确计算模型。当活塞杆处于最低端时，分步计算如下。

减振器内油缸总体积求取。第1步，计算活塞杆腔内工作缸体积V1：

(1)

式(1)中:d1为减振器活塞杆端外筒内径；d2为缓冲块直径；d4为活塞杆外径；d5为工作缸内径；L1为缓冲块左端面至工作缸左端面的长度；L3为限位器和限位片之间的长度；L2为缓冲块和限位器叠加长度。

第2步，计算活塞腔工作缸内螺母与缸间隙体积V2：

(2)

式(2)中：d7为活塞螺母直径；L5为活塞螺母间隙长度。

第3步，再对活塞腔内工作缸与底阀的间隙体积V3进行计算：

(3)

式(3)中：d8为阀片限位器直径；L8为底阀间隙长度。

第4步，计算底盖间隙的体积V4：

(4)

式(4)中：d9为底座内直径；L7为底盖间隙高度。

第5步，对底盖与内油缸间隙体积V5进行计算：

(5)

从以上计算可以求得内油缸总体积Vi为：

Vi=V1+V2+V3+V4+V5。

(6)

由此获得双筒液压减振器内油缸总体积。

对减振器外筒体积进行计算，具体计算方式与步骤与内油缸相似，式(7)～(11)分别为外筒下部直段部分体积V6、外筒下部扩口部分体积V7、外筒中部直段部分体积V8、外筒上部缩口部分体积V9、外筒上部直段部分体积V10的计算公式。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式(7)～(11)中：d11也为外筒内径，但根据外筒有无扩孔而与d6的大小有所不同，当外筒不扩孔时，两者相等，当外筒扩孔时，d6要大于d11；L9～L13为外筒各段长度；R1为外筒因扩孔而产生的大内孔半径；r1为外筒前段内孔半径；r6为外筒后段内孔半径。

从而获得减振器外筒总体积Vo为：

Vo=V6+V7+V8+V9+V10。

对于轴承套及油封间隙占有体积V11,一般根据实际情况进行设定，从而可以计算获得整体体积为：

Vw=Vi+Vo+V11。

此外，还需要考虑活塞杆行程体积，具体计算方法如下：

(12)

式(12)中：L14为活塞杆运动行程。由于减振器有充气和不充气之分，所以空气压缩比也就不同，在此设定空气压缩比为W，由于空气压缩比与减振器有杆腔内活塞杆体积大小有关，可根据活塞杆直径和其进入工作缸体的极限长度(即减振器行程)进行相应的设定。此外，空气压缩比还受到减振器油封受压程度的影响，一般将空气压缩比的数值设置在2～3。当空气压缩比的数值超过3时，减振器压缩到末端时压强将急剧变大，油封将因无法承受如此大的压强而受到损坏。结合式(12)可推导出空气量体积V13：

根据以上公式推导和计算，最终获得液压减振器注油量V为：

V=Vw-V13。

3 软件计算平台的构建

为了能够更加方便地使用这套理论模型进行注油量计算，在此基础上进行软件平台开发[12]。应用MATLAB软件强大的数学计算功能及面向对象技术的GUI模块，将所设计的注油量计算方法编入软件程序，并在GUI模块中设计简洁的应用窗口：即通过简单的变量输入，经后台程序运算直接在窗口上显示注油量结果[13]。

图2 减振器注油量计算窗口Fig.2 Calculation window for oiling mass of shock absorber

由于GUI模块能给出一个效率高、更便捷的集成化环境，因此在设计窗口时，它能够提供界面外观等方面的设置方法[14-15]。同时，设计好的界面将保存在FIG文件中并生成一个M代码文件，经编写调试最终生成exe文件，以便于运行打开及操作运算[16]。普通双筒液压减振器的注油量计算窗口如图2所示。从图2可知，通过输入模块计算所需要的该型号减振器的各个变量值，然后点击运算，即可在窗口处显示出其所需的减振油量。整个计算过程在MATLAB环境下完成，操作简便。同时，对该计算结果进行实际验证。采用某企业现有威巴克产品SKN8367型液压减振器进行实际运用，其中活塞杆直径为12 mm，工作缸内径为30 mm，外径为32.4 mm，贮油筒内径为42 mm，外径为45 mm。输入各变量值并经过计算得到注油量约为246 mL，以此油量注入到该型号减振器中，并放于MTS849型示功机上测试(图3)，获得实际测试示功图(图4)。从图4中可以看出，示功图曲线饱满，无畸形、无空程等现象。验证结果表明，该平台油量计算准确，符合实际运用要求。

图3 减振器试验过程Fig.3 Test process of shock absorber

图4 减振器试验示功图Fig.4 Test dynamometer of shock absorber

4 结论

本研究根据减振器实际工作情况建立双筒液压减振器油量计算模型，并应用MATLAB软件的GUI模块建立油量计算操作平台，再采用实际型号减振器进行试验验证，从而证明了计算结果的准确性。该平台可作为双筒液压减振器开发过程中的辅助工具，因此具有运用价值。

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