摩托車前減震器的設計【12張圖紙】

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南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 緒論 世界上第一個有記載、比較簡單的減震器是1897年由兩個姓吉明的人發(fā)明的。他們把橡膠塊與葉片彈簧的端部相連，當懸架被完全壓縮時，橡膠減震塊就碰到連接在汽車大梁上的一個螺栓，產生止動。這種減震器在很多現代汽車懸架上仍有使用，但其減震效果很小。 機動腳踏兩用車實際上是內燃機技術與自行車技術相結合的產物，它開辟了摩托車的實用時代。隨著摩托車的快速和適應野外行駛的需要，必須提高車輛對路面的緩沖能力。早在1899年，貝勞摩托車上開始用了彈性后懸掛裝置，后來比利時型摩托車采用了前輪彈性懸掛，以及英吉安C摩托車采用的前、后輪彈性懸掛均可算作早期摩托車懸掛裝置的杰出代表。 特別是二輪摩托車在操作性、穩(wěn)定性、舒適性方面，與懸掛裝置有著重要的關系。1990年就開始在前輪采用金屬彈簧張力的雙向、平行連接裝置，30年代便發(fā)明了利用管內粘性機油的液壓減震器。1995年后前輪懸掛裝置就采用了伸縮管式和底部杠桿式兩類前叉。在伸縮筒式前叉、望遠鏡式的二個筒內由于有螺旋彈簧和油缸，加工精度要求高，生產效率很低，阻礙了發(fā)展和應用。1960年二輪摩托車的大批量生產，底部杠桿式前叉處于全盛時期，該系統(tǒng)具有結構簡單、價格低廉等優(yōu)點。后來伸縮筒式前叉又重新上市，用于當時盛行一時的兩輪賽車上，伸縮筒式前叉優(yōu)秀的行駛性能方被充分證明。因此，大批量生產的摩托車也競相采用伸縮筒式前叉，而且由于加工技術的提高，伸縮筒式生產精度也得到了保證。所以，至今為止，各種型式的兩輪摩托車都采用伸縮筒式前叉。 1910年開始對后輪懸掛裝置的要求也迫切了，由于全鏈條傳遞驅動力，后輪必須采用長距離的固定方式。所以車體的緩沖僅只在坐墊下面安裝有一金屬彈簧。1950年才開始有正式的后懸掛裝置。最初稱為滑栓式，并嘗試采用搖臂式。50年代后半期才確立了搖臂式后懸掛裝置，即是現代兩輪摩托車的后懸掛裝置的基礎。 同樣，為了提高行駛穩(wěn)定性、乘坐舒適性，后輪行程逐年增大，減震器組件行程在結構上受到了限制。因此前傾后減震器、后減震器組件安裝位置前移等，用以增大杠桿比的方法增大后掄幸臣。進入70年代又開發(fā)了裝有單減震器的單減震系統(tǒng)，特別是1973年開始用與越野車之后，公路賽車，大型運動車均很快地采用了這種單減震器后懸掛系統(tǒng)。 兩輪摩托車，其發(fā)動機排量從50的家用車到1500的大型旅游車。對懸掛裝置，根據不同排量、不同用途的車輛的要求，其設計的方法各有不同，但又存在有共同之處，即最近的懸掛裝置將行駛穩(wěn)定性、操終性、舒適性都放在主要位置上。 大部分兩輪車還是采用液壓式伸縮式前叉，除了要求完全吸收較大的沖擊，提高結構剛度外，最后采用經四氟乙烯（teflon）處理的金屬套筒用作滑動表面，大大的減小了伸縮筒運動時產生的摩擦。 兩輪車增大車輪行程就具有良好的舒適性，最近前叉行程增大為140～180mm，越野車可達300mm左右，且具有降低彈簧剛度、阻尼力的傾向，向提高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。當然在不斷增大車輪運動行程，兩輪車在一人或二人乘坐的不同載荷條件下，車體下沉量是不同的。特別是制動時由于重心前移，車體姿勢變化更大。采用空氣調節(jié)式的油氣懸掛裝置或抗“點頭”裝置的懸掛裝置，可以有效地防止緊急制動時的車體前傾變化。 自從20世紀60年代開始，幾乎每年都有幾十項減震器專利出現，表1是《汽車文摘》摘錄的汽車懸架減震器專利技術的統(tǒng)計，其中在美國申請的專利技術尤為多，且專利申請人大多是日本的公司和個人。國內外減震器產品在許多方面存在著較大的差距：（1）產品的結構與性能方面（減震器的可拆性與速度特性間的差距）；（2）制造技術與工藝設備方面（原材料、減震油、橡膠制品、連桿制造工藝、沖壓工藝、粉末冶金制造工藝、貯油筒制造工藝等方面的差距）；（3）測試手段方面；（4）總成裝配方面，此外，由于轎車減震器是作為一個不可拆元件整體出廠銷售的，一旦其中某個小零件發(fā)生失效，整個減震器也就報廢了，因而減震器技術的發(fā)展和研究應該成為我國汽車行業(yè)發(fā)展和水平提高的一個重要課題。 我國自1957年7月洪都機械廠成功地仿制M72型邊三輪摩托車，揭開了我 國生產摩托車的歷史以來，到1978年摩托車生產量為1.2萬輛。改革開放以來， 我國摩托車生產量得到了飛速增長，品種不斷增多。目前在我國已形成了自己摩 托車工業(yè)生產體系，到1995年的生產量超過700萬輛，已成為世界上第一摩托車生產國。與摩托車生產相適應的減震器產量已達1500萬支，能生產9大系列50余種型號，基本滿足了我國摩托車生產的發(fā)展需要，部分產品已達到了國際同類產品水平，為我國摩托車工業(yè)的技術水平提高和發(fā)展打下了基礎。 2 總體方案設計 2.1研究內容及實驗方案 研究內容： （1）減震器整體方案分析與設計 （2) 摩托車減震器系統(tǒng)的彈簧特性 ①摩托車懸掛裝置的撓度 ②摩托車懸掛裝置的理想彈簧特性 ③摩托車懸掛裝特性置的實際彈簧 （3) 彈簧的材料及工藝 ①彈簧材料的選用 ②彈簧的制造工藝 （4) 減震器的速度特性及阻尼力 ①節(jié)流閥的壓力特性 ②減震器的速度特性 ③減震器阻尼力產生原理 實驗方案： 前減震器有很多種，常見的有彈簧空氣阻尼式前叉、彈簧液力阻尼式減震器、油—氣伸縮式減震器等。 其中彈簧空氣阻尼式前叉雖然結構簡單、造價低，但是它是以活塞管之間的間隙為空氣阻尼的雙向用途減震器，所以起減震效果不及其他結構的理想。然而油—氣伸縮式減震器的減震效果都很佳，甚至達到理想的減震效果，增加了舒適性和安全性。但其結構復雜，造價昂貴，大都用在大型或高級二輪車上，如雅馬哈XJ750型、XJ750EⅡ，鈴木GS750型賽車等。 而彈簧液力阻尼式減震器不但結構簡單，造價低，而且減震效果好，所以我將采用彈簧液力阻尼式前減震器作為我的實驗方案。 2.2工作原理 彈簧液力阻尼式減震器是摩托車目前使用最為普遍的減震器。其工作原理簡要介紹如下。 液壓阻尼式減震器的結構與吸入式泵基本相似，不同之處只是液壓減震器的缸體上端是封閉的，且在閥門上留有小孔(如圖2-1所示) 圖2-1液力阻尼式減震器工作原理 當摩托車前輪遇到凸起的路面而受到沖擊時，貯油筒被壓縮，減震彈簧也被壓縮，固定在貯油筒內部的減震桿組合也隨之上移，而工作缸不動，于是工作缸下方的容積縮小，油壓升高，油液便進入緩沖彈簧所在的空腔，同時油液也從減震桿下端的兩個小孔進入減震桿內部，這時油液流動阻力較小，減震彈簧起主要減震作用。如果當前輪受到較嚴重沖擊時，減震彈簧被迅速壓縮，為了增加彈簧的剛度，我采用了變節(jié)距的設計方案，其彈簧是由兩斷不同節(jié)距的圓柱彈簧組合而成，所以其彈簧特性為兩段直線組成，隨著小節(jié)距彈簧依次被壓并圈，使彈簧的剛度迅速增大，這樣不僅減小了懸掛裝置在動繞度終點的沖擊，而且減小摩托車高度隨載荷的變化。 當前輪遇到凹下的路面時，由于減震彈簧和車輪等重量作用，貯油筒向下移動，工作缸下方的容積增大，壓力減小，緩沖彈簧所在的空腔容積縮小，壓力升高，油液從減震桿中部的小孔進入減震桿內部，同時油液從減震桿下端的兩個小孔進入工作缸下方的空腔這時油液流動受到很大的阻力，這樣對減震彈簧回彈起了阻尼作用，從而起了減震作用。 3 摩托車減震器的功能和結構形式 3.1減震器的功能 減震器又稱緩沖器。它的功能是緩和由于路面不平引起的沖擊，衰減摩托車的振動；提高乘坐舒適性，保護貨載；減低車體各部分的動應力，增加零件的壽命；加強輪胎的附著性，有助于摩托車的操縱性、穩(wěn)定性。 減震器的機能是利用流體通過孔、隙產生的粘性阻力。采用的工作流體有氣體、液體，由于氣體粘度太小故很少采用。通常用液體，其粘度雖隨溫度變化較大，但如果使液體在紊流下工作，作為運動速度的函數的阻尼力可以保持穩(wěn)定。 和固體摩擦減震器相比，利用液體紊流阻力的減震器，在一定阻尼力和吸收能量的條件下，質量小，尺寸小，并在相當的范圍內具有能任意規(guī)定阻尼力對工作速度的關系等優(yōu)點?，F在液力式減震器是摩托車唯一的實用型的減震器。 3.2摩托車前減震器的結構形式 3.2.1.彈簧空氣式 上部外筒和下聯板焊接或直接彎成叉形與轉向立柱焊接（圖3-1），其內部安裝有彈簧及前叉筒。前叉筒通常采用樹脂襯套（封有潤滑脂）在外部內部滑動，筒壁間的摩擦產生阻尼力。當彈簧壓縮到極限時，其中間的限位橡膠塊也被壓縮，減緩了彈簧進一步被壓縮時的沖擊。該結構簡單，輕、價廉、被輕便車廣泛采用。 圖3-1彈簧空氣式前減震器 1-前叉筒；2-彈簧；3-限位塊；4-轉向立柱；5-外筒 3.2.2.單筒伸縮式 如圖3-2所示：無縫鋼管的外筒用以固定前軸；內筒被上、下聯板所夾緊，在其下端設計有鑄造或燒結合金的活塞，活塞上部設計有閥片。當活塞在外筒內滑動時，油液通過活塞及內管上的阻尼孔產生阻尼力。彈簧安裝在內筒外側。當內筒向下運動接近外筒底部時，其底部的內孔被油孔擋銷插入，對減震油產生很大的節(jié)流作用。正是這個節(jié)流阻尼力相當于組合式彈簧特性曲線中上升段，吸收了最后的沖擊，防止了內筒與外筒底部的剛性碰撞。由于價格比較便宜，一般為二輪車所用。 圖3-2單筒伸縮式前減震器 1-彈簧；2-內筒；3-外筒； 圖3-3雙筒伸縮式前減震器 4-活塞；5-檔銷 1-活塞桿（芯管）；2-襯套； 3-外筒；4-活塞；5-內管 3.2.3. 雙筒伸縮式 如圖3-3所示： 剛制內筒在外筒中滑動，內筒下端的內側裝有襯套，在襯套內側裝有固定于外筒底部的活塞桿和活塞，在活塞桿管壁上設計有阻尼孔和活塞一起產生的阻尼力。一般外筒采用鋁合金。由于彈簧安裝在內側（下端以活塞為支承），外觀就顯得輕便，因此大多用于大型二輪車。 3.2.4. 油—汽伸縮式 其結構（圖3-4）與雙筒伸縮式前減震器相同，在內部上部設計有密封的氣室，采用了具有不同耐壓形式的油封。由非常柔軟的金屬彈簧和空氣壓力形成的組合彈簧，使減震器具有非常優(yōu)良的彈簧特性。左、右前叉內筒的氣室是連通的，使左右空氣壓力相等，以達到調節(jié)左、右叉阻尼力的目的。轉動外筒下側的手柄油缸內設計有旋轉閥桿轉動，即改變油缸的阻尼孔徑，以達到調整阻尼力。另外在內筒上端設有彈簧調節(jié)裝置，即可根據彈簧的初期負荷進行調整其預壓縮量。因此，此前減震器具有多種調節(jié)功能，可得到更完美的性能。但由于價格昂貴，常用于大型或高級二輪車。 圖3-4 油—汽伸縮式前減震器 1- 氣室；2-內筒；3-外筒；4-制動器；5-旋轉閥桿；6-釋放閥 3.2.5. 防下沉伸縮式前減震器 最近采用柔軟彈簧的二輪車，隨著制動能力的提高，在緊急制動或轉彎制動時，車體前部會嚴重下降產生前減震器下沉現象。防下沉式前減震器即在外筒下部裝有師釋放閥，在機械或電磁操縱下，釋放閥可改變回油路徑，按照制動力的增大比例來增大前減震器壓縮時的阻尼力，即能有效的防止下沉現象。圖3-4是防下沉伸縮式前減震器的一例。 4 摩托車減震器的主要特性 4.1摩托車減震器的彈簧特性 4.1.1摩托車懸掛裝置的撓度 （1）靜撓度: (mm) (4-1) 圖4-1懸掛及減震系統(tǒng) 稱為在質量G（簧上載荷）作用下彈性元件的靜撓度，如圖4-1各種不同用途的摩托車，對其靜撓度要求也各不相同（表4-1），其中越野車要求最大。公路車次之，通用車較小。 表4-1 前、后懸掛裝置的靜撓度匹配，對摩托車行駛舒適性關系極大，一般要求前懸掛靜撓度大于后懸掛靜撓度，以減少縱向角振動。 （2）動撓度： 懸掛裝置的動撓度是指摩托車在不平路面上行駛時，懸掛裝置在其動載荷作用下的變形量。 動撓度通常按其響應的靜撓度值的一定比例來選?。? 通用車：=（0.5～0.7） (4-2a) 公路車：=（0.5～0.7） (4-2b) 越野車：=（0.5～0.7） (4-2c) 4.1.2摩托車懸掛裝置的理想彈簧特性 摩托車的彈性元件幾乎只采用剛質螺旋彈簧最簡單的螺旋彈簧是截面圓柱形的具有“線形”（剛度不變）的螺旋彈簧，如圖4-2所示。 P（N） 圖4-2彈性元件的特性 f（mm） 然而，摩托車在行駛過程中則要求彈性元件是變剛度的，而且剛度隨負荷增加是遞增的，以便在不同的負荷下，使摩托車的車身的固有頻率接近恒定。 因此，為了獲得摩托車的最佳舒適性，摩托車減震器緩沖彈簧應具有的理想彈性特性是（如圖4-3所示）： （1）彈簧剛度不應是常數，彈性元件應是變剛度的。在壓縮時剛度逐漸增大，復原時剛度也應逐漸增大，具有漸進式彈性特性。這樣不僅可減少在動撓度終點時的沖擊，而且還可減少摩托車車身高度隨載荷的變化； （2）從設計位置（靜撓度）起，在相當于60%的動撓度的壓縮和伸張的變形范圍內，其剛度應為常數，或者變化不大于20%，以保證摩托車在平坦路面上行駛的舒適性； （3）當超過60%的動撓度范圍后，由于彈簧剛度是遞增的，即當載荷增加時，彈簧的附加靜態(tài)壓縮是盡量小，以適應摩托車載荷變化較大的特點，一般最大動撓度處的容許載荷可達靜載荷的3～4倍； （4）在靜載荷為半載的情況下，要求靜撓度保持不變。因此，應合理地選擇好靜撓度附近的懸掛剛度，以保證摩托車經常在靜撓度附近工作時的小幅度振動。 圖4-3理想的彈簧特性 各種車輛根據其使用目的則要求的彈性特性各有不同。 以乘坐舒適性為目的的車輛，彈簧應調節(jié)得柔軟一些，以滿足反映快，即使是在不平路面上也應具有良好的舒適性。 以行駛安全性為目的的車輛（公路賽車）彈簧剛度大，其剛度應隨載荷而遞增，以至于在受到很大沖擊時，可避免因彈簧伸縮量過大，導致車輪離地，影響其加速性和附著性能（特別是傾向附著性能），以保證行駛的安全性和穩(wěn)定性。即使是高級賽車，一般將彈簧剛度調得很“硬“，當其在不平路面上行駛時，甚至在制動力緩慢增加的情況下，前輪也會出現短時間的抱死現象，必須裝備“防抱”裝置。 4.2摩托車減震彈簧的材料及工藝 4.2.1彈簧材料的種類 （1）碳素彈簧鋼：碳素彈簧鋼是制造彈簧的主要鋼種。根據GB4357-84標準碳素彈簧鋼有65、70、75和85等，其優(yōu)點是價格便宜。鋼的純度和熱扎表面質量不比合金彈簧鋼差，由于淬透性差所以適用于中小型摩托車。本次設計也將采用此類鋼種。 （2）合金彈簧鋼：在合金彈簧鋼中常加入合金元素錳、硅、鉻、釩等，主要用于提高淬透性，強化固溶體，細化晶體，改善其機械性能，提高屈強比（）。 按GB5218-85標準，合金彈簧鋼有50CrVA、65Mn、55Si2Mn、60Si2MnA等。硅錳彈簧鋼，將硅、錳同時加入鋼中，不僅能明顯地提高鋼的淬透性，而且經調質處理后，屈強比可提高85%以上，彈性極限也大大提高。同時，硅能增加彈簧鋼的低溫回火穩(wěn)定性，還提高鋼的抗氧化性。 4.2.2彈簧制造工藝 （1）冷卷成形工藝： 有芯軸卷簧工藝，在彈簧的卷制過程中，若卷制力越大，卷繞后反向轉動的速度越高，轉數越多，則回彈量就越大。在實際生產中，確定回彈量的實質就是確定卷簧芯軸的直徑。 （2）自動卷簧工藝： 圖（4-4）是自動卷簧機工作原理示意圖。金屬絲從材料架上引出后，首先經校直機構1、輥輪2，再經導向板3進入卷繞機構。卷繞機構由卷繞桿4、芯軸5和節(jié)距爪6組成。金屬絲進入卷繞機構后，被卷繞桿4頂住，然后沿兩個一般互成60°角的卷繞桿圍繞芯軸5做螺旋圓周運轉，彎曲卷繞成螺旋形彈簧圈。彈簧節(jié)距的大小是由節(jié)距爪6控制的，它可以沿軸向運動，按照所設計的彈簧節(jié)距的尺寸調整位置。 控制凸輪軸，每轉動一圈卷制一跟彈簧，卷制后的彈簧端部須磨平，磨平部分不少于圓周長的3/4，端頭厚度不小于簧絲直徑的1/4，并保證兩端面有良好的平面度和與軸線的垂直度。 圖4-4 自動卷簧機工作原理 1- 校直機構；2-送料輥輪；3-導向板；4-卷繞桿； 5-芯軸；6-節(jié)距爪；7-切刀 4.3摩托車減震器的阻尼特性 摩托車減震器的阻尼特性包括摩托車減震器的阻力—速度特性和阻力—位移特性。 4.3.1阻力——速度特性 減震器阻尼力隨活塞速度的變化規(guī)律稱為減震器的阻力—速度特性，用下式表示： （N） (4-3) 式中：——阻尼系數； ——減震活塞的速度，m/s； ——活塞上阻尼空的特性指數。 值的大小是隨阻尼孔的大小、形狀及單向閥的形狀、剛度不同而變化的。當阻尼孔足夠大時，可取=2；要使減震器的阻力隨所受外力成正比例的變化，則取=0.6～1.0。 摩托車減震器的阻力——速度特性常見的有三種形式（圖4-5），分別為二次方型（=2）、比例型（=1）、飽和型（=2/3）。其中二次方型，在活塞速度低時的阻力小，速度高時的阻力大，而且結構簡單，廣泛用于后減震器，舒適性比較好。對于高速高性能車輛常采用的比例型和飽和型，在較寬的振動頻率范圍內，減震器都具有足夠的阻力來抑制車輪產生的大的跳動，能保持輪胎和地面見的良好接觸，因而有利于摩托車行駛穩(wěn)定性。 圖4-5三種阻尼特性 一般設計中常用比例型進行計算。為了使摩托車獲得較好的穩(wěn)定性，行程中基本相等，或復原行程略大于壓縮行程；后減震器的阻力復原行程卻比壓縮行程大得多，見表4-2。而且不同用途的車輛也互相不相同，一般越野車、賽車要求大，通用車要求小。 表4-2 前減震器 后減震器 通用車 公路車 越野車 通用車 公路車 越野車 （N） 復原 50～100 120～300 10～160 300～600 400～800 500～1000 壓縮 35～70 85～230 70～120 20～50 60～120 100～150 表中為=0.3m/s時的阻力。 單向作用式液力減震器在受壓縮時，活塞上的單向閥完全打開，其優(yōu)夜流動通道很大，因此沒有壓縮阻力。 4.3.2阻力——位移特性 減震器作正弦相對運動時，阻力隨其活塞位移的變化規(guī)律，稱為減震器的阻力—位移特性。 圖4-6表示速度特性飽和型的活塞，其阻力在壓縮行程和復原行程中的變化曲線。封閉曲線所圍成的面積表示減震器吸收外來振動所做的功，所以此圖形也稱為減震器的示功圖。 當減震器行程一定時，其振動頻率增大，最大的阻力隨之增大，則示功圖面積也增大，說明減震器衰減振動的能力增大。圖4-4所示的示功圖中，頻率為85Hz的示功圖面積較大，即說明衰減振動的能力較大；頻率為60Hz示功圖面積較小，則衰減振動的能力也相對較小。 圖4-6示功圖和速度特性 具有不同速度特性減震器的示功圖的形狀也各不相同，如圖4-7所示。若在減震器行程、振動頻率相同的情況下，飽和型十公土面積最大，比例型次之，二次方型最小。 圖4-7不同速度特性的示功圖 a)二次方型 b)比例型 c)飽和型 當振動頻率一定時，減震器行程增大，其最大衰減力也隨之增大如圖4-8所示 ，同時示功圖面積也增大。 圖4-8定頻率變行程示功圖 4.4 摩托車減震器的阻尼力 4.4.1復原行程阻尼力計算 （1）活塞桿上小孔的流量 (4-4) 式中：——減震器油密度，； ——流量系數，0.60～0.75（常取0.7） ——A、B油腔壓力差， （2）活塞與缸壁之間縫隙h的流量 (4-5) 式中：——活塞公稱尺寸，m； ——活塞長度，m ; ——活塞與缸壁之間平均間隙，m； ——活塞與缸壁之間相對速度，m/s； ——動力黏度，變壓器油μ=0.082N/（m·s） 相對偏心度（設=0） ——活塞與缸壁之間的偏心量。 （3）流入B腔的油與A腔的容積減少相等，則 阻尼力計算簡圖 (4-6) 將上式整理得： (4-7) 式中： 解方程(4-5)得： 作用在活塞上的阻尼力 在復原行程中，，所以 則： （N） （4-8） 4.4.2壓縮行程阻尼力計算 （1）活塞阻尼孔和縫隙的流量 (4-9) 式中：n—活塞阻尼孔數； —閥片與活塞端面間隙，m。 —阻尼孔的長度，m。 —阻尼孔中心到閥片邊緣的距離，m。 （2）活塞桿小孔的流量 (4-10) （3）活塞與缸壁縫隙h的流量 (4-11) （4）B腔流入A腔的流量等于A腔內增加的容積，所以 (4-12) 將上式代入（4-10）式，得壓縮阻力 (4-13) 式中： 其它符號同前。 4.4.3減震器額定阻力 額定阻力系指減震器在規(guī)定的試驗速度時所產生的阻力值，通常規(guī)定試驗速度為0.3m/s和0.5m/s。 減震器的額定阻力分為復原阻力和壓縮阻力，它是減震器最重要的性能指標，其大小范圍見下表 壓縮阻力可取復原阻力的0.1～0.4倍，其最大值不超過表4-3中的值。 表4-3 減震器額定阻力（N） 工作缸徑D 復原阻力p 壓縮阻力 工作行程s 16 85～480 25～100 43～70 20 364～590 80～120 64～85 22 480～680 100～150 72～93 25 700～1200 130～250 90～100 4.4.4示功圖 QC/T63—93摩托車減震器試驗方法規(guī)定采用正弦（或余弦）激振方式，進行減震器示功試驗，則活塞與缸筒之間的相對位移也按正弦規(guī)律變化： (4-14) 式中：——活塞最大位移，m； ——活塞振動的角頻率，rad/s, r——試驗臺激振頻率，r/min。 活塞與缸壁之間的相對速度為： 所以： （m/s） (4-15) 聯立： (4-16) 取不同的t值，得出一系列的s和p值，在位移——阻力坐標系中即可繪出理論示功圖，圖4-9所示為CY80前減震器示功圖 圖4-9 CY80前減震器示功圖 1—理論示功圖；2—實測示功圖 5 摩托車減震器結構設計 5.1摩托車減震器的主要零件結構參數 航空航天工業(yè)標準HBm82-89（簡稱航標，后同）《摩托車筒式液壓減震器》對摩托車減震器的主要參數，技術要求作了明確的規(guī)定。 5.1.1工作缸徑D的確定 根據減震器的最大卸荷力和缸筒內最大壓力強度來計算工作缸筒的直徑： D= (mm) (5-1) 式中：p—復原行程最大阻力，N； [p]—工作缸筒內最大允許壓力，Mpa，一般取[p]=（0.3～0.6）Mpa； —活塞桿直徑與工作缸筒內徑之比； 雙筒式，=0.4～0.5; 單筒式, =0.30～0.35. 在根據工作缸筒直徑系列（表5-1）進行圓整。 標準規(guī)定了摩托車減震器工作缸筒直徑系列為16、20、22、25mm，一般根據摩托車的排量大小來選定（表5-1）。 表5-1 摩托車減震器的主要結構參數（mm） 公稱尺寸 工作缸直徑D 貯油筒外徑D 基準長度L 16 16 24 160 20 20 32 170 22 22 36 180 25 25 40 195 5.1.2貯油筒直徑D的確定 貯油筒直徑D=（1.38～1.45）D，壁厚4.0～7.0mm，貯油筒最大外徑D=（1.5～1.6）D，貯油筒外徑系列為24、32、36、40mm，當然也有可能小于或大于系列值。貯油筒作用主要是貯存介質油，除補償由于缸內容積變化產生的外滲漏油外，還容納因溫升而保證產品主要指標的前提下，貯油筒外徑應稍大一些，對減震器貯油、散熱、改善吸震能力都是有益的。 5.1.3減震器基長L的確定 減震器的基長較長，給摩托車設計總布置帶來一定程度的不便，但是基長太短，必然會使部件過分簡化而影響減震器的性能。減震器基長為設計尺寸，它是減震器在壓縮到底時，二端吊環(huán)的中心距L與行程s的差值，即： L = L - S (mm) (5-2) 則減震器拉伸到最大長度為： L = L + s (mm) (5-3) 還規(guī)定壓縮到底長度L的允差為+3 mm，最大拉伸長度L允差也為正值。 5.1.4工作行程S 摩托車減震器和彈簧組合為一體，行程為40～110mm，由于還有懸掛裝置杠桿比的因素，減震器行程甚至更小些。 表5-2 工作缸筒徑系及行程選定（mm） 前減震器 發(fā)動機排量（cm） 通用車 越野車 工作行程 缸 徑 工作缸徑 缸 徑 50～90 70～90 22 200～230 26 100～125 90～100 Φ26 230～250 30 250～500 100～120 30 39 250～280 Φ43 600～750 100～120 270～290 800～1000 120～140 280～300 根據給定的已知條件工作行程S=50±1mm和發(fā)動機排量為125cm，以及上面所描述的選擇方法，在通過對照以上表5-1和表5-2確定：取工作缸徑D=22mm，則取貯油筒外徑D=40mm，取壁厚7mm，則D=26 mm，基長L=195mm。 5.2摩托車減震器主要零件的結構設計 5.2.1彈簧的結構尺寸設計計算 在根據普通圓柱螺旋彈簧尺寸系列（摘自GB/T1385—1993）（部分） 表5-3 彈簧絲直徑d/mm 第一系列 0.45 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.6 2 2.5 3 3.5 4 4.5 第二系列 0.32 0.55 0.65 1.4 1.8 2.2 2.8 3.2 5.5 6.5 7 9 彈簧中徑D/mm 8 8.5 9 9.5 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 35 38 40 42 45 48 50 52 55 58 有效圈數n/圈 壓縮彈簧 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 10 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15 16 18 20 22 25 28 30 自由高度H/mm 壓縮彈簧 150 160 170 180 190 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 450 480 500 520 550 580 600 由于彈簧內徑D=彈簧中徑D-簧絲直徑d，通過參考同類摩托車型和實地考察 ，及參照上表5-1和表5-5，確定了以下彈簧結構參數，如表5-4所示 表5-4 彈簧直徑d(mm) 有效圈數n 彈簧中徑（密圈）D(mm) 3.5 76 18 其中有效圈數76圈包括：密圈n=40圈、節(jié)距t=5mm； 稀圈n=36圈、節(jié)距t=8mm。 （1）彈簧自由長度的計算： 參照摩托車技術第2004/05期中彈簧的計算及根據機械設計手冊·單行本·彈簧（簡稱手冊，后同）的第19頁表7-2-14中介紹的計算公式：當壓縮彈簧兩端圈磨平并緊，且支承圈為1圈時： 總圈數n= n+2=76+2=78 自由高度 H= n t+ n t+1.5d (5-4) =40×5+36×8+1.5×3.5≈493mm 壓并高度H=（n+1.5）d=（76+1.5）×3.5≈271mm （2）螺旋伸角：=arctan(t/D) （5-5） =arctan(5/3.14×18)=5.06° =arctan(8/3.14×18)=8.06° （3）簧絲長度L： 圓柱螺旋彈簧L=Dn/(cos) (5-6) L=L+L L=3.14×18×40/（cos5.05）≈2521.8mm L=3.14×20×36/ (cos8.06)≈2283.4mm 所以L= L+ L≈4805.2mm （4）計算彈簧剛度：k=Gd/(8nD) (5-7) 式中：k為錐圈剛度（N/mm）、d為簧絲直徑(mm)、n為工作圈數、D為彈簧中徑(mm)、G為彈簧材料的剪切彈性模數，取78400MPa。 k=78400×3.5/(8×40×18)=6.3040N/mm 1/ k=0.1586 k=78400×3.5/(8×36×20)=7.0045N/mm 1/ k=0.1428 彈簧的總剛度（合成剛度）1/k1 = 1/ k+1/ k=0.3014 (5-8) k1 ≈3.3 N/mm 密圈壓并后，余下的剛度就是稀圈的剛度 K2= k≈7 N/mm 密圈壓并時的最大變形量 f m。max=（t-d）n=(5-3.5)×40=60mm (5-9) 按照彈簧受力變形公式: F=kf (5-10) 則： F3= k f m。max=6.3040×60=378.24 N 此力使稀圈被壓縮長度= F3/ k≈54 mm (5-11) 拐點變形長度： f3 = 密圈最大變形量+稀圈在該力的變形量 = 60+54=114mm 工作圖見圖5-1，其繪制過程如下： 1.預壓長度H≈460 mm，如果沒有實物參照，通常取某一規(guī)定范圍值或由自己設計的預壓長來決定。 F=k (H-H)=3.3×(493-460)≈109 N (5-12) 2.彈簧在拐點處的壓縮高度： H= H- f=493-114=379mm，F3≈378 N (5-13) 3.彈簧壓縮到極限的長度 H=340mm； F=F+ K2（H3- H5） (5-14) F=378+7×（379-340）=651N 彈簧的極限長度是彈簧的預壓長度減去活塞桿最大行程值，根據活塞長度、阻尼筒長度及減震墊計算得出。 4.F、F的力值及彈簧壓縮長度分別取F～F和F～F及其相應長度的中間值。 圖 5-1彈簧工作特性圖 5.校核壓并長 減震彈簧全壓并長度：Hb=dn+1.5d≈271 mm；它距離彈簧壓縮極限長度(340mm)還有69mm，應該沒問題。 6．校核扭應力（ζ） ζ=8 FKC/（d2） MPa (5-15) 式中： C為旋繞比，C=D／d=18／3.5 =5.1； (5-16) K為曲度因子，K=(4C一1)／(4C一4)+0．615／C (5-17) =1.16+0.11≈1.2968 ζ=8×651×1.2968×5.1／(3．14×3.52 )=890 MPa 許用扭應力ζ通常在800 MPa左右（ζ=0.5σb），它隨材料、簧絲直徑和彈簧中徑的不同而異。此處雖然超出，但因減震器不常在極限狀態(tài)下工作，故可以使用。 5.2.2減震彈簧按實際工作狀態(tài)繪圖的優(yōu)點 1)可對該支彈簧工作狀態(tài)一目了然。如預壓力多大、行程多長、最大壓縮力膨大(影響扭應力和永久變形)、剛度k，、 多大及離拐點位置和離壓并長還有多遠等。 2)可對配套廠的信息(如彈簧硬了、軟了、承載力不足等)迅速改進，以滿足用戶要求。 3)繪圖多了，可對踏板、彎梁或騎式車的上述各值有一個由小到大變動的概念，各系列車有一定范圍，不管是測繪還是設計都能做到心中有數。 5.2.3減震器減震桿（活塞+活塞桿） 前減震器減震桿一般將活塞和桿分成兩個零件加工然后在經鉚接成為一個整體，目前要求活塞和桿制成整體。如圖5-2所示： 圖5-2 前減震器減震桿 其中活塞桿主要承受來至活塞和接頭的壓縮和拉伸載荷，必須具有足夠的強度。 減震器活塞桿直徑d=（0.40～0.55）D，常用6～12mm。直徑過小抗壓（拉）強度較低，則影響減震器的橫向剛度。 活塞桿采用35、40、45、40Cr等冷拉圓鋼制成，硬度為HRC18～35表面鍍鉻，鍍鉻層硬度為HRC30～55。前叉可用45鋼，調質及表面處理。 圖中，前減震器活塞桿設計成空心管，在管壁上在接近底部處開用兩個補償孔，在活塞附近處開有兩阻尼小孔。兩阻尼小孔離活塞越遠，在復原行程中上腔形成的被壓區(qū)愈大，減震器的行程則愈短。兩阻尼小孔之間設計有一定的距離，是為了使油液和排出與補償量能隨載荷的變化而變化，使減震器性能趨于平緩、柔和。兩阻尼小孔位置應設計在活塞經常工作的附近。在壓縮到底時，底部補償孔被活塞關閉，阻尼力突增。 活塞桿采用雙重流程加工工序，即為落料、車端面倒角、校直、磨外圓、高頻淬火、回火、校直、多道磨外分別車削兩端面（活塞端、吊環(huán)端或螺桿端）、切入磨、精密鍍鉻超精密等。 活塞桿國外推薦采用精拔、輥軋、無導精磨削及震動錘加工，鍍鉻后拋光或超精磨；國內則多采用無心磨，電鍍后拋光或超精磨，也有少數采用無心磨、輥軋、電鍍后拋光或超精磨等工藝。 活塞桿表面粗糙度應為Ra0.05～Ra0.10，目前國產件為Ra0.2?；钊麠U表面粗糙度對減震器漏油影響很大，表面尖銳的波峰越深，運動時，活塞桿穿過油封向外帶出的油量也越多，漏油越嚴重。如從橫斷面看，油封在工作中其刃口緊緊地抱住活塞桿外表面，其作用面積為： S= (mm) (5-18) 式中：R—活塞桿公稱尺寸，mm； Ra—活塞表面粗糙度，mm。 若將兩種不同的粗糙度活塞桿的作用面積進行比較可知，若活塞桿表面粗糙度增大一級，則與油封的有交叉磨損面積增大4倍還要多。試驗表明，活塞桿表面粗糙度增加一級，減震器耐久試驗次數減少30萬次。 活塞桿的直度一般為0.02mm，且對于減震器漏油也影響很大，從坯料校直到淬火，回火后校直都是磨前不可缺少的工序。校直點一般為2～4點，可采用意大利GALDABINICA5型系列多點（6～8點）12t校直機，其校直公差控制在0.02mm以內（具有0.03mm的TIR報警公差系統(tǒng)），無論工件呈“S”形或扭曲狀都能達到校直要求，前叉的芯管活塞桿磨前的校直公差應在0.05mm左右。 活塞應具有良好的導向性能，其高度為10～12mm，過小導向性能邊差，過大又增大減震器的總長度。活塞的外徑D常用16～40mm，其外圓柱面應具有良好的密封性，而活塞的高度過小會影響其密封性，外圓柱面與中心孔的同軸度也會影響密封性能，活塞外圓柱面的粗糙度是密封性能的保證，一般要求不低于Ra0.2m。 一方面要求活塞在缸筒內能自由運動，另一方面要求油液不能在其間隙之間流動，可靠的密封才有一定的阻尼力，因此其配合間隙則是影響減震器工作性能地重要因素，一般其配合間隙應在0.05～0.10mm，國產減震器配合間隙為0.18～0.30mm。以前叉為例，其活塞桿上兩阻尼小孔面積為2.815，若在上述間隙時，其活塞邊隙泄漏面積為2.785～4.63，后者遠遠超過了阻尼孔的面積，導致大量的油液直接泄漏，通過阻尼孔的油液明顯減少，使減震器衰減震動的能力大大減弱。 減震器活塞一般采用粉末冶金，如粉末冶金FZ1365(GB2688-81)。 5.2.4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（內泄），保證活塞的阻尼效果。由于活塞環(huán)靠自身彈力貼緊缸壁密封，所以可使工作缸筒和活塞的加工及配合精度適當降低，有利于實現大批量生產，降低成本；塑料活塞環(huán)線膨脹系數較大，可微量補償阻尼的溫度衰減率。 活塞環(huán)密封原理是：首先靠自身彈力貼緊在缸筒壁內形成第一密封面，密封建立后，油壓增大將環(huán)壓向環(huán)岸形成第二密封面，如圖5-3所示，完全形成高壓腔與低壓腔。此時高壓油經過環(huán)的側隙進入活塞環(huán)的背間隙向外擠壓活塞環(huán)，背壓則使活塞環(huán)與缸壁貼合更緊，形成更加可靠的密封。 圖5-3 活塞環(huán)密封原理圖 活塞環(huán)的結構參數設計： 1.活塞環(huán)徑向厚度b b=(0.25～0.4) （mm） (5-19) 式中：D——工作缸筒內直徑，mm 公差一般取0.1～0.2mm。 因為工作缸筒內直徑D=22mm，所以b=(0.25～0.4)=1.17～1.88mm 取b為1.17 mm 2.活塞環(huán)的軸向高度h h=(1.5～2.5)b =1.755～2.925 (mm) (5-20) 則取h為2.0 mm 公差一般取0.10～0.15mm。 3.活塞環(huán)開口設計 活塞環(huán)開口形式一般采用斜開口（圖5-4a），其斜角一般為45°；對于軸向高度較小的活塞環(huán)開口形式采用直開口（圖5-4b），而對于軸向高度較大的活塞環(huán)開口形式采用階梯切口（圖5-4c） a)斜切口； b)直切口； c)階梯切口 圖5-4 活塞環(huán)開口形式 環(huán)開口寬度為： c=(a+)sinr (mm) (5-21) 式中：a——環(huán)圓周長線脹量，mm； a=(t-t)s， (℃) (5-22) t為連接工作最高使用溫度，取80℃； t為常溫，取20℃； 為線脹系數，1/℃； S為環(huán)中徑處的周長，mm； s=（D-b）， (mm) (5-23) ——環(huán)在開口前的外徑比缸徑的增大量，缸徑為16mm，一般取0.2 mm為基礎，缸徑每增大1 mm，增加0.05～0.06mm。此設計缸內徑為22mm，所以取0.5～0.56mm。 表5-5 聚四氟乙烯性能 名稱 單位 指標 線膨脹系數** （垂直于壓力方向） 1/℃ 20~60 ℃? 10.3×10-5 20~100℃? 10.5×10-5 20~150℃? 11.4×10-5 20~200℃? 12.8×10-5 注：為HG2-234-76聚四氟乙烯樹脂技術標準所規(guī)定的指標值。 ※※按“塑料試驗”（國標）測定所得的實測值 來源于網址：http://www.sh-ssas.com/trait.htm中的部分表格。。 通過上表5-5可知，這里我們取為10.5/℃ 根據上面公式計算：（取斜角為45°時計算） s=（D-b）=3.14×（26-1.17）=77.97mm； a=(t-t)s=(80-20) ×10.5×77.97≈0.491mm； c=(a+)sinr=（0.491+0.5）×sin45°=0.70mm 4.活塞環(huán)側間隙 =H-h>a (mm) (5-24) 式中：H——活塞上環(huán)槽高度，mm； a——活塞環(huán)軸向高度的線脹量，mm a=(t-t)h (mm) (5-25) a=(t-t)h =(80-20)×10.5×2.0=0.0126mm 5.活塞患背間隙 ≈0.007D （mm） (5-26) ==-0.17<0 式中：d——活塞上環(huán)槽底直徑，mm。 應設計成大于0（內徑上下倒角為R0.3），否則裝配后迫使開口間隙加大，增大泄漏；同時增大了與缸壁的貼緊壓力，加快了環(huán)的磨損，干擾阻尼，也喪失了背壓作用。 所以此處的設計計算不符合規(guī)定要求，必須對活塞尺寸進行改進，對其原來的活塞上環(huán)槽底直徑d=20mm進行修正，將其尺寸縮小到19.65mm, 其修改后的活塞圖如圖5-5 ，再進行核算。 ==0.005>0 符合 圖5-5 修改后的活塞 活塞環(huán)常用的材料有：尼龍1010，聚四氟乙烯（F）等，這里選用了聚四氟乙烯作為設計材料。 塑料活塞環(huán)其填充料應混合均勻，工藝應保證兩端面應與中心線垂直，兩端面平面度小于或等于0.03mm，表面粗糙毒外圓柱面為Ra0.8m、兩端面Ra1.6m，其余Ra3..2m。外觀不應有裂紋、縮孔、毛刺、嚴重折角（外徑上下倒角R0.2）。 5.2.5 貯 油 筒 正立式前減震器的貯油筒（或前叉筒）如圖5-6，主要用于安裝前軸和前擋泥板，制動器蓋等，內腔固定活塞桿，為工作油缸上下運動導向，并兼作儲油室。摩托車行駛過程中，前叉筒除了傳遞驅動力和轉向力矩之外，還承受有行駛阻力（橫向力）和來至路面的沖擊力。因此，前叉筒應具有較高的遷都和剛度，為了減輕質量，前叉筒常采用鋁合金壓鑄，內孔鍍鉻以提高耐磨性。 前叉筒內孔為了給工作油缸導向，其軸線和尺寸、圓柱度、粗糙度等要求都很高，為了提高裝配精度和耐磨性，在內孔裝有導向套。其內孔與活塞桿、工作缸筒導向套等相關零件的同軸度、圓柱度的良好配合、將對減震器的工作性能、漏油產生重要的影響。 為了密封液壓油，在前叉筒孔口安裝有油封，油封一般與孔口有過盈配合，過盈量一般為0.3～0.5mm，油封安裝孔及止口的形位公差，對油封與前叉套管之間的密封性影響很大。 前叉筒底部、活塞桿固定螺栓孔中心線與內孔中心線同軸度、與筒底面垂直度要求也很高，它直接影響到活塞的運動精度和底部漏油。 前叉筒常采用ZL104鋁合金低壓鑄造，經熱處理后機械性能達到≥250MPa、=2％～4％、HB=100～120。表5-8為NF125、WY125前叉筒ZL104的化學成分及機械性能。 表5-6 Si Mg Mn Cu Fe Al 機 械 性 能 (MPa) (％) HB 狀態(tài) 化學成分（％） 8～10.5 0.3～0.5 0.2～0.6 1.3～1.6 <0.8 余量 ≥245 ≥2.0 ≥100 T5 提高鎂的含量，假如少量的鋼，將硅的含量控制在下限，在合金中形成Mg2Si，CuAl2，可以提高合金的熱處理的強化效果，同時也提高了機械性能和加工性能。采用低壓鑄造其粗糙度可達到。 圖5-6 貯 油 筒