液壓減震器發(fā)展及工作原理

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1、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(chē)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(tái)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(guò)油液與節(jié)流通道摩擦，達(dá)到減震目的。之后，在 20世紀(jì)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(jiǎn)式液壓減震器取代了搖臂式減震器，其成本低，壽命長(zhǎng)，但容易出現(xiàn)充油不及時(shí)的問(wèn)題，若充油不及時(shí)，會(huì)影響減震效果，產(chǎn)生噪音與沖擊。直到 20世紀(jì) 50年代，充氣式減震器的出現(xiàn)解決

2、了以上的問(wèn)題，在雙筒內(nèi)充入低壓 04MPa06MPa的氮?dú)饪梢越鉀Q充油不及時(shí)的問(wèn)題。同時(shí)單筒式充氣減震器也開(kāi)始發(fā)展，其采用浮動(dòng)活塞的結(jié)構(gòu)，使充入的氮?dú)庑纬?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(jī)車(chē)車(chē)輛上的一個(gè)重要部件。由于機(jī)車(chē)車(chē)輛的車(chē)輪與鋼軌面之間是鋼對(duì)鋼的接觸，因此，車(chē)輪表面的不規(guī)則和軌道的不平順都直接經(jīng)車(chē)輪傳到懸掛部件上去 ，使機(jī)車(chē)車(chē)輛各部分高頻和低頻振動(dòng)。如果這種振動(dòng)不經(jīng)過(guò)減振器來(lái)衰減，就會(huì)降低機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，惡化運(yùn)行品質(zhì)。油壓減振器其性能優(yōu)劣直接影響到行車(chē)的安全性和舒適性。尤其近年來(lái)我國(guó)鐵路進(jìn)入一個(gè)飛速

3、發(fā)展時(shí)期，特別是在鐵路跨越式發(fā)展政策的指引下，我國(guó)鐵路將會(huì)進(jìn)入一個(gè)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(jiàn)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(xiāo)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

4、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(chǔ)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(jiǎn)振器1上接頭 2橡膠球較 3銷(xiāo)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(chǔ)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

5、用原理 減振器的工作原理，下面以一系垂向減振器為例來(lái)加以說(shuō)明。當(dāng)拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞I3向上移動(dòng)，油缸24上部油壓上升通過(guò)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(kāi)，油通過(guò)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(shí)，下腔的油量不足。產(chǎn)生負(fù)壓使底閥座上的回油閥座l9上升,離開(kāi)底閥座20，油從儲(chǔ)油缸通過(guò)回油閥座l9與底閥座20之間的開(kāi)口進(jìn)入油缸24下腔補(bǔ)充油量。當(dāng)壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞l3向下移動(dòng)，下部油壓上升一部分油通過(guò)壓縮閥16 、17壓縮節(jié)流閥彈簧 14 ，使壓縮閥l6 、17向上移動(dòng)，閥口打開(kāi)，油通過(guò)閥口進(jìn)入油缸上腔產(chǎn)生阻力另一部分油通過(guò)底閥壓縮閥2

6、3、壓縮底閥座彈簧22， 使底閥壓縮閥23下移，閥口打開(kāi)，油通過(guò)閥口進(jìn)入儲(chǔ)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(kāi)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(jì)算 液壓減振器按照液流方向可以分為油液?jiǎn)蜗蜓h(huán)流動(dòng)和雙向往復(fù)流動(dòng) 2種類(lèi)型。它們的基本動(dòng)作都是拉伸和壓縮。當(dāng)活塞桿相對(duì)于缸筒作拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部的油液通過(guò)節(jié)流孔在流動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生阻力，耗散能量 。 2.拉伸和壓縮時(shí)的阻力介紹 減振器拉伸時(shí)，阻力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。對(duì)活塞桿

7、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(chē)輛垂向振動(dòng)的同時(shí)，更能有效地抑制車(chē)輛的橫向振動(dòng)。 圖3-1為安裝橫向減振器時(shí)車(chē)輛前后端平穩(wěn)性指標(biāo)的變化情況。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,安裝橫向減振器時(shí),當(dāng)阻尼系數(shù)小于100kNsm時(shí)，隨著阻尼系數(shù)的增大，車(chē)輛前后端的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)顯著下降，但垂向有所增大；當(dāng)阻尼系數(shù)達(dá)到100kNsm時(shí)，繼續(xù)增加阻尼系數(shù)各觀察點(diǎn)的平穩(wěn)性指標(biāo)變化不大。圖3-1 安裝橫向減振器時(shí)車(chē)輛平穩(wěn)性（a）前端；（b）后端表 1是同時(shí)安裝橫向和垂向減振器的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)橫向和垂向阻尼系數(shù)達(dá)到50KN.S/M 時(shí),車(chē)輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)同時(shí)明顯下降。表3-1

8、 同時(shí)安裝橫向和垂向減振器時(shí)平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果在車(chē)輛之間安裝適當(dāng)?shù)臋M向和垂向減振器可明顯減小由線(xiàn)路不平順隨機(jī)激擾所引起的列車(chē)振動(dòng)響應(yīng)。不管是垂向還是橫向減振器都是在抑制車(chē)輛的橫向振動(dòng)方面更有效果。當(dāng)橫向和垂向減振器同時(shí)安裝時(shí)，垂向振動(dòng)也可以得到較好的抑制 。出拉伸阻力表達(dá)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(yùn)動(dòng)速度。 上式表示拉 伸阻力與運(yùn)動(dòng)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(shí)， 計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3-1-2（b）所示。 與拉伸時(shí)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

9、阻力的計(jì)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(jiàn)，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(duì)稱(chēng)的，對(duì)于雙向流動(dòng)的減振器，要使拉伸和壓縮方 向的阻力特性對(duì)稱(chēng)，就必須分別設(shè) 置拉伸和壓縮時(shí)的節(jié)流孔面積 。 圖3-2(a)拉伸時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖(b)壓縮時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖3.單向流動(dòng)減振器的拉伸和壓縮阻力 單向流動(dòng)減振器的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 3所示 。與前面 的分析相似 ， 經(jīng)過(guò)節(jié)流孔 1 的流量 Q 為： 式中： 活塞運(yùn)動(dòng)速度 ； 活塞上部的油壓截面積 。 拉

10、伸阻力為： （5）當(dāng)減振器壓縮時(shí)，活塞上的單向閥開(kāi)啟，底閥上的單向閥關(guān)閉，P=P，此時(shí)經(jīng)過(guò)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(dāng)時(shí)，即當(dāng)活塞桿的截面積等于壓力缸的截面積的一半時(shí)，阻力有對(duì)稱(chēng)性。實(shí)際上，幾乎所有的單向流動(dòng)減振器都具有拉壓對(duì)稱(chēng)特性。 圖3-3單向流動(dòng)減振器的計(jì)算減圖五、汽車(chē)液壓減震器 減震器(ABSorber) ，主要用來(lái)抑制彈簧吸震后反彈時(shí)的震蕩及來(lái)自路面的沖擊。在經(jīng)過(guò)不平路面時(shí)，雖然彈性元件可以過(guò)濾路面的震動(dòng)，但彈簧自身還會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而減震器就是用來(lái)抑制彈性元件跳躍震動(dòng)的。減震器太軟，車(chē)身就會(huì)

11、上下跳躍，減震器太硬就會(huì)帶來(lái)太大的阻力，妨礙彈簧正常工作。汽車(chē)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(jiàn)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(gè)內(nèi)腔經(jīng)小孔隙流入另一個(gè)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(duì)振動(dòng)的阻尼力，車(chē)身、車(chē)架振動(dòng)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

12、有一圈環(huán)與車(chē)架（車(chē)身）連接。中間的鋼筒是儲(chǔ)油缸，內(nèi)部裝有一定量的減振器油，下部有一圈環(huán)與車(chē)橋相連。最里面的鋼筒是工作缸，內(nèi)部裝滿(mǎn)減振器油。在工作缸的內(nèi)部，通過(guò)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?；钊涎b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(bǔ)償閥。為了使減振器能夠滿(mǎn)足工作要求，流通閥和補(bǔ)償閥的彈簧相對(duì)比較軟，較小的油壓便可以打開(kāi)或關(guān)閉。而壓縮閥和伸張閥的彈簧相對(duì)比較硬，只有當(dāng)油壓增大到一定的程度時(shí)，才能打開(kāi)；而只要油壓稍有下降，閥門(mén)立刻關(guān)閉。雙向作用筒式減振器的工作過(guò)程如下：壓縮行程時(shí)，此時(shí)減振器被壓縮，汽車(chē)車(chē)輪移近車(chē)身，減振器內(nèi)的活塞向下移動(dòng)，下腔的容積減小

13、，油壓升高。大部分油液沖開(kāi)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(kāi)壓縮閥，流回到儲(chǔ)油缸內(nèi)。油液通過(guò)閥孔時(shí)，此時(shí)減振器受拉伸，車(chē)輪遠(yuǎn)離車(chē)身，這時(shí)減振器的活塞向上移動(dòng)，上腔油壓升高，流通閥被關(guān)閉，上腔內(nèi)的油液壓開(kāi)伸張閥流入下腔。由于活塞桿的存在，自上腔流來(lái)的油液不足以充滿(mǎn)下腔增加的溶積，促使下腔產(chǎn)生一定的真空度，這時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液推開(kāi)補(bǔ)償閥流進(jìn)下腔進(jìn)行補(bǔ)充。由于這些閥的節(jié)流就對(duì)懸架在伸張運(yùn)動(dòng)時(shí)起到阻尼作用。由于伸張閥彈簧的剛度和預(yù)緊力設(shè)計(jì)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

14、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(shí)產(chǎn)生的阻尼力，從而達(dá)到迅速減振的要求。充氣式減震器：是60年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型減震器。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在缸筒的下部裝有一個(gè)浮動(dòng)活塞，在浮動(dòng)活塞與缸筒一端形成的一個(gè)密閉氣室種充有高壓氮?dú)?。在浮?dòng)活塞上裝有大斷面的O型密封圈，它把油和氣完全分開(kāi)。工作活塞上裝有隨其運(yùn)動(dòng)速度大小而改變通道截面積的壓縮閥和伸張閥。當(dāng)車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí)，減震器的工作活塞在油液種做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(kāi)壓縮閥和伸張閥而來(lái)回流動(dòng)。由于閥對(duì)壓力油產(chǎn)生較大的阻尼力，使振動(dòng)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(jiǎn)化、重量減輕、噪聲小、阻尼更大、可靠性更高、不會(huì)出現(xiàn)液力減震器常出現(xiàn)的油乳化現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是充氣式減振器對(duì)油封要求高，充氣工藝復(fù)雜、不易維修，當(dāng)缸筒受外界較大沖擊而變化時(shí)，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(zhǎng)縫，內(nèi)有小活塞，上方有帶膜片的氣室。負(fù)荷重時(shí)，氣室壓縮，小活塞下行關(guān)小縫隙，加強(qiáng)節(jié)流減震作用。裝有阻力可調(diào)式減震器的汽車(chē)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(dá)到改變阻尼剛度的目的。