汽車碰撞緩沖裝置設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

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The design has aplied new speed limit valve,and utilized the characteristic of nitrogen , such as no fatigue and small modulus. It made the a pability and the power-absorption ability prior , there boundtime short and the cushion for creased sharply .The paper introduced the operation principle ,the structure characteristics and the performance of the new buffer , a three-dimensional model is established ,and the rationality of the design is proved by motion simulation , finite element analysis and kinematics analysis. This design will certainly the development of vehicle safety technology , etc.KEY WORDS: Automobile; Security; Collision device；the speed limit valve.第1章 緒 論1.1 引言 相對于發(fā)達國家來說，我國的汽車工業(yè)起步較晚，汽車工業(yè)的發(fā)展水平特別是汽車技術(shù)與發(fā)達國家相比還有不小的差距。但隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，購車的人越來越多，據(jù)調(diào)查所知，許多人在購車時更多的是關(guān)注汽車的價格，外觀，內(nèi)飾等因素，很少有人去關(guān)注汽車安全方面的問題1 。目前，隨著汽車數(shù)量的增加和行駛速度的不斷提高，行車安全越來越重要。一起起血淋淋的交通事故確實讓人觸目驚心，最大限度地減少交通事故中的人員傷亡是汽車工業(yè)發(fā)展中的急需解決的關(guān)鍵難題。多年來人們想出了各種辦法，釆用了各種各樣的裝置來避免碰撞、或減輕碰車時所帶來的人員和車輛的損失。當車輛在行駛過程中與其它車輛或障礙物發(fā)生碰撞時，為了抵御沖擊、吸收和消散碰撞能量，需要在汽車上設(shè)計碰撞吸能裝置來保證乘員安全，降低汽車零部件的受損程度。在這些裝置中，采用得最多和使用得最廣泛的是碰撞緩沖裝置，碰撞緩沖的方式很多，有流體緩沖，機械緩沖，以及流體、機械并用的緩沖等2。汽車碰撞吸能裝置是汽車的關(guān)鍵部件，在汽車碰撞安全中占有舉足輕重的位置，大部分汽車緩沖裝置是通過吸能裝置的塑性變形來吸收能量。本緩沖裝置在分析了國內(nèi)外碰撞緩沖吸能裝置研制水平與發(fā)展現(xiàn)狀，以及碰撞損傷理論和法規(guī)的基礎(chǔ)之上，研究了一種較新的機械緩沖吸能裝置。主要是針對保護車體和司乘人員，在分析碰撞沖擊力的基礎(chǔ)上;再根據(jù)碰撞變形過程和碰撞損傷理論3研究了本緩沖吸能裝置的總體方案。裝置通過二級緩沖吸收碰撞能量，延長碰撞時間，減輕碰撞變形段的碰撞變形和沖擊，再通過理論計算對該裝置進行了可行性分析。提高吸能裝置的性能不僅能降低整車的受損程度，減少碰撞損失，而且能提高乘員的安全性，減少事故傷亡率。1.2 研發(fā)背景及意義近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民群眾的收入水平不斷提高，以及汽車價格的不斷降低。自2013年以來，我國城市汽車擁有量不斷增加。從私人汽車保有量突破1億后，各個城市的汽車保有量都呈現(xiàn)著增長趨勢。根據(jù)公安部交管局統(tǒng)計：截止2016年底，全國汽車保有量達1.94億輛，其中有49個城市的汽車保有量超過百萬輛，18個城市超過兩百萬輛，6個城市超過三百萬輛4。汽車保有量的持續(xù)增長無疑是我國人民生活水平進一步提高的表現(xiàn)，但是眾多車輛帶來的巨大交通運輸量也給交通運輸環(huán)境以前所未有的壓力。在我國，大大小小的交通事故屢見不鮮，因事故發(fā)生帶來的損失難以估量。以死亡人數(shù)來說，2014年，全國道路交通事故萬車死亡人數(shù)為2.22人，具體34292.34人，比起2013年死亡人數(shù)增長率為8.5%；2015年為萬車死亡人數(shù)2.1人，具體為36178.8人，比起2014年死亡人數(shù)增長率約為5.5%。比較包括2014年、2013年、2012年的死亡人數(shù)可知，我國道路交通事故死亡人數(shù)事實上應(yīng)呈現(xiàn)小幅度逐年上升趨勢。我國2015年全年各類生產(chǎn)安全事故共死亡66182人，而交通事故導致的死亡人數(shù)占據(jù)其約54%的份額，由此可見交通安全形勢之嚴峻5。因此，提高汽車安全性，盡量減少交通事故帶來的損失是汽車領(lǐng)域亟待解決的科技問題。研究汽車碰撞、保護乘員安全、降低碰撞損失己成為汽車設(shè)計領(lǐng)域非常重要的一部分。人們常將汽車與外部物體的碰撞稱為第一次碰撞，而將人體與車內(nèi)部件的碰撞稱為二次碰撞。顯然二次碰撞過分劇烈而導致人體與汽車快速相對運動而造成的3。良好的汽車乘員保護系統(tǒng)設(shè)計可以大幅減輕乘員在碰撞發(fā)生時受傷的程度，并大幅降低死亡率。目前，汽車碰撞安全性能已經(jīng)成為汽車的主要性能之一，與之相關(guān)的系統(tǒng)、零部件眾多。廣義上講，汽車上的每一個零件都或多或少與其安全性存在聯(lián)系。因此汽車碰撞安全行業(yè)具有產(chǎn)業(yè)鏈長、行業(yè)覆蓋面廣的特點，集群效應(yīng)非常顯著。國際知名的整車企業(yè)無不積極謀求在汽車碰撞安全行業(yè)中的領(lǐng)先地位，可以說，汽車碰撞安全技術(shù)的研發(fā)實力和技術(shù)儲備，是整車企業(yè)必不可少的內(nèi)功，因此整車企業(yè)對汽車碰撞安全產(chǎn)業(yè)的布局和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化非常重視，將此作為企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略中不可缺少的一環(huán)。也正是由于碰撞安全性在汽車中的重要地位，其市場容量非常巨大。因此汽車碰撞安全行業(yè)的技術(shù)和市場，即是汽車產(chǎn)業(yè)鏈的核心之一，也是價值鏈中帶了豐厚的利潤的部分。目前世界主要的汽車消費市場均是汽車碰撞安全產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的密集區(qū)域6。1.3 課題的提出和主要研究內(nèi)容世界上申報汽車防碰撞專利已有數(shù)千項， 但由于解決不了汽車碰撞時產(chǎn)生巨大沖擊力著力點的問題, 更沒有找到能把巨大沖擊力在瞬間化解消失的新技術(shù)，汽車碰撞的安全問題陷入了尷尬局面，至今無法推廣應(yīng)用。當前汽車上最好的安全裝置是安全帶，它在車速不太快的情況下遭碰撞，對駕乘人員有一定的保護作用，但保護不了汽車的安全。還有: 雷達掃描電腦自動駕駛系統(tǒng)，微波多普勒效應(yīng)防撞系統(tǒng)，ABS 防抱死系統(tǒng)， SRS 安全氣囊系統(tǒng)，減振吸能保險杠，防撞橫梁等安全設(shè)備等。其中高科技的電腦自動駕駛系統(tǒng)，在正常情況下可防止追尾碰撞前車，但卻躲避不了違章碰撞，如裝有先進電腦自動駕駛系統(tǒng)的奔馳 600 高級轎車也難逃被撞毀的厄運。安全氣囊并不安全，有多少被撞毀、撞壞的轎車，氣囊卻展不開，引起官司不斷。 至于各式吸能保險杠或橫梁等專利產(chǎn)品，不能有效地把碰撞時產(chǎn)生的巨大沖擊力消耗， 特別是在轎車上找不到可安裝的位置而被束之高閣13。總之，汽車防碰撞這一個難題。液壓緩沖裝置在高檔轎車上的應(yīng)用，液壓緩沖吸能結(jié)構(gòu)是利用油液的粘性阻尼作用，將大部分的沖擊能量通過節(jié)流孔吸收轉(zhuǎn)化為油液的熱能蚪散發(fā)掉，其結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)加強件通過橡膠摯與液雎緩沖器的活寒相連接?；钊蓷U做成空心，內(nèi)裝一浮動活塞將其隔成左、右兩腔，左腔充滿氮氣，右腔充滿機械油，活塞桿外吲柱面與緩沖缸內(nèi)網(wǎng)面滑動配臺，緩沖缸內(nèi)機械油與活塞桿右腔相通。緩沖缸固定在牟槳或車身加強件上，當汽車與障礙物碰撞時，保險杠橫杠受到的碰撞沖擊力由其橫杠內(nèi)側(cè)加強件傳到活塞桿，活鏖桿端部向右移動，推動機械油向流過節(jié)流孔，壓向活塞右腔，推動活塞向左移動，并使氮氣受到壓縮。這樣，利用機械油通過節(jié)流孔時的粘性阻力吸收撞擊能量，吸收能最的效率高達80%，工作特性比較穩(wěn)定。撞擊后靠氮氣產(chǎn)生復原動力，使保險杠復位。奧迪A6液壓緩沖保險杠液壓緩沖小僅能夠吸收巨人的沖擊能量，而且可以通過淵節(jié)節(jié)流孔來設(shè)計不同的碰撞緩沖規(guī)律，工作穩(wěn)定可靠，特別適合于沖擊能較大的場合。但是其結(jié)構(gòu)復雜、維修小使，密封要求高，需要經(jīng)常保養(yǎng).有時會產(chǎn)滲漏，對環(huán)境溫度變化也比較敏感8。汽車碰撞吸能裝置是汽車的關(guān)鍵部件，在汽車碰撞安全中占有舉足輕重的位置，減少事故傷亡率。汽車碰撞吸能裝置是汽車的關(guān)鍵部件，在汽車碰撞安全中占有舉足輕重的位置，因此，提高汽車安全性，盡量減少交通事故帶來的損失是汽車領(lǐng)域亟待解決的科技問題。研究汽車碰撞、保護乘員安全、降低碰撞損失己成為汽車設(shè)計領(lǐng)域非常重要的一部份。但是同樣也發(fā)現(xiàn)了液氣緩沖裝置設(shè)計的不足之處，如液氣緩沖裝置大多采用節(jié)流阻尼棒一節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)，這樣對其對中性提出了更高要求，一旦對中不良將造成緩沖器的失效和機械的損壞。因此設(shè)計一種新型的液氣緩沖器己成為提高我國汽車行業(yè)發(fā)展的一個重要課題。本課題正是在這樣的背景下提出的，通過對目前緩沖裝置的性能對比，不難發(fā)現(xiàn)液氣緩沖裝置具有適應(yīng)能力強，性能穩(wěn)定和工作可靠等優(yōu)點。但也存在一些不足，為了克服液氣緩沖器存在的缺陷，更好的適應(yīng)汽車行業(yè)的發(fā)展，本文設(shè)計了一種新型的液氣緩沖器，其阻尼結(jié)構(gòu)為自行設(shè)計的限速閥，該閥件工作可靠，克服了原有液氣緩沖器的不足，使得核心部件模塊化，便于加工和檢修。新型液氣緩沖器設(shè)計的基本過程如下:(l)通過對現(xiàn)有緩沖裝置的結(jié)構(gòu)與性能的分析，以相關(guān)的設(shè)計手冊21為規(guī)范，自行設(shè)計一種結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定的新型液氣緩沖裝置;(2)根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理，選取較為合適的建模方法，建立符合緩沖器實際工況的模型;(3)應(yīng)用UG軟件進行運動仿真;(4)根據(jù)相關(guān)的計算分析該緩沖器的性能。擬解決的關(guān)鍵性問題:(l)該緩沖裝置的核心部件是限速閥，所以限速閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取對緩沖性能起著至關(guān)重要的作用;(2)緩沖裝置氣腔氣體初始壓強的選取也對緩沖性能具有一定的影響;(3)模型方法的選取將決定所建立的模型是否更真實的反應(yīng)緩沖裝置在實際工作工況下的性能;(4)通過有限元分析結(jié)果分析各參數(shù)對緩沖裝置的影響。 1.4 緩沖裝裝置分類目前應(yīng)用最廣泛的緩沖裝置類型有：彈簧緩沖裝置、聚氨醋泡沫塑料緩沖裝置、液壓緩沖裝置、液氣緩沖裝置2。(1)彈簧緩沖裝置彈簧緩沖裝置應(yīng)用較廣，該緩沖器主要是通過金屬彈簧的壓縮將大部分的沖擊動能轉(zhuǎn)化為壓縮勢能，繼而達到緩沖的效果。它的構(gòu)造與維修比較簡單，對工作溫度沒有特殊要求，吸收能量較大。缺點是反彈現(xiàn)象嚴重，不適用于運行速度大于2 m/s的工況。圖2.1 楔塊式緩沖裝置結(jié)構(gòu)圖1-摩擦斜楔塊；2-瓦片簧； 3-彈簧墊塊； 4-雙卷螺旋彈簧； 5-彈簧箱體(2)聚氨醋泡沫塑料緩沖裝置聚氨醋緩沖裝置是通過聚氨酷發(fā)泡塑料吸收外部撞擊產(chǎn)生的動能，致使發(fā)泡材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的阻抗力，達到使運動體產(chǎn)生減速的目的，從而達到緩沖效果。其變形體適用聚氨醋材料經(jīng)過適當配方處理制成的，重量輕，價格便宜;在緩沖過程中可消耗約40%的能量，反彈力小;可壓縮性和回彈性好，可壓縮至50%以上，卸載5min后回復率不小于95%，該材料的微孔構(gòu)造使其工作過程類同于一個帶有空氣阻尼的彈簧，因而其緩沖容量可隨碰撞速度的提高而加大;工作中是軟碰撞，無噪聲、無火花，特別適用于防爆場合。 圖2.2 聚氨醋緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡圖(3)液壓緩沖裝置液壓緩沖裝置主要由撞頭、復位彈簧、活塞桿、浮動活塞、缸套及缸體等構(gòu)件組。在緩沖裝置受到?jīng)_擊時，油液通過阻尼機構(gòu)流入蓄油腔，由縫隙或阻尼小孔的阻尼作用，將運動的動能轉(zhuǎn)化為熱能，消除了反彈現(xiàn)象。液壓緩沖裝置吸能能力大且無反彈，在保證要求的最大減速度和緩沖行程條件下尺寸新型液氣緩沖裝置的設(shè)計及分析最小;但是液壓緩沖裝置結(jié)構(gòu)復雜，需要經(jīng)常保養(yǎng),密封要求高，對環(huán)境溫度變化比較敏感，在速度高于2m/s或運動質(zhì)量較大的起重機上，宜采用液壓緩沖裝置。液壓緩沖器可分為芯棒式、閥式、多孔式緩沖裝置等。 圖2.3 閥式液壓緩沖裝置1-撞頭 ；2-活塞桿； 3-活塞； 4-筒； 5-閥芯； 6-閥座；7-底座(4)液氣緩沖裝置傳統(tǒng)的緩沖裝置的復位件主要是機械彈簧，也有部分緩沖器的復位件采用金屬彈簧與橡膠的組合結(jié)構(gòu)。這些緩沖器都普遍存在缺陷:如體積大、容量小、質(zhì)量大、阻抗力較大、性能不穩(wěn)定、使用壽命較短和維修工作量大等。為了適應(yīng)際工況的需求，液壓緩沖器得到了廣泛的應(yīng)用。液壓緩沖器具有容量大、性能穩(wěn)定且便于調(diào)整等特點，其較好的阻抗特性不僅改善了機械結(jié)構(gòu)受力，同時也提高了緩沖器的抗沖擊性。正因為液壓緩沖器較好的特性使其在起重機械、船舶、鐵路等領(lǐng)域也得到成熟應(yīng)用。但液壓緩沖器大多采用金屬彈簧作為復位件，在實際工作過程中緩沖器經(jīng)常受到?jīng)_擊，使得金屬彈簧的疲勞壽命問題極大地限制了其應(yīng)用。液氣緩沖器正是為克服這一缺陷而發(fā)展起來的，其采用壓縮氣體作為復位件，不僅消除了金屬彈簧的疲勞問題，且實現(xiàn)了無磨耗工作，提高其使用壽命增強了緩沖器的穩(wěn)定性。液氣緩沖器具有新型的阻尼結(jié)構(gòu)且節(jié)流效果明顯。復位件采用性能穩(wěn)定的氣新型液氣緩沖器的設(shè)計及分析體，克服了液壓緩沖器復位件經(jīng)常受沖擊而引起的疲勞問題且回彈力較小。目前廣泛應(yīng)用于起重機械、紡織機械、飛機、汽車和鐵道車輛等領(lǐng)域。 圖2.4 CRHS型動車組上應(yīng)用的液氣緩裝置1-柱塞；2-氣腔；3-缸體；4-浮動活塞；5-油腔；6-單向錐閥；7-錐閥節(jié)流孔； 8-節(jié)流阻尼環(huán) ；9-油缸；10-節(jié)流阻尼棒圖2.5 OLEO液氣緩沖裝置1-緩沖頭；2-柱塞；3-氣腔；4-活動活塞；5-調(diào)節(jié)桿； 6-油缸圖2.6 油氣門式液氣緩沖裝置 1-外筒； 2-活塞桿；3-限壓閥； 4-定壓活門； 5-密封裝置 1.5 緩沖裝置工作原理 緩沖裝置的結(jié)構(gòu)一般為圓筒形，它主要由承壓件、緩沖件(介質(zhì))、復位件及殼體等四部分構(gòu)成。其基本工作原理如下:沖擊載荷作用于承壓件時，緩沖介質(zhì)吸收沖擊動能并將其轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉或轉(zhuǎn)換成彈性的壓縮能儲存于復位件中，待沖擊物移去時，復位件的恢復能使承壓件恢復至初始位置。通常要求在無反復沖擊情況下，復位時間應(yīng)盡量短。衡量緩沖裝置性能優(yōu)劣的主要指標是容量和緩沖效率。容量是指緩沖裝置所能吸收的沖擊物的動能，從緩沖特性曲線上看是緩沖力-行程曲線與坐標軸所包圍的面積。緩沖效率是指實際的緩沖力-行程曲線所包圍的面積與最大緩沖力和緩沖行程所構(gòu)成的長方形面積之比。 圖2.7 理論緩沖特性曲線 圖2.8 理想緩沖特性曲線顯而易見，緩沖效率越高，相同體積的緩沖器吸收的能量就越多，緩沖性能越好。理想的緩沖特性曲線為矩形，此時緩沖效率為100%。但實際上，緩沖力的建立和消失都要有一個過程，因此，實際的緩沖特性曲線如能達到所示的梯形曲線即認為緩沖效果令人滿意，將此梯形緩沖力曲線稱為緩沖器的理論曲線。不同類型緩沖器的F-S曲線。顯而易見，以液壓油為緩沖介質(zhì)的緩沖裝置，其緩沖效率遠大于另兩種緩沖裝置的緩沖效率。以彈簧機構(gòu)或橡膠作為緩沖件的緩沖裝置，彈簧或橡膠兼作復位件，緩沖裝置接受的沖擊能大部分轉(zhuǎn)換為彈性能儲存于介質(zhì)中構(gòu)成恢復能。而以液壓油為緩沖介質(zhì)的液壓緩沖裝置，復位件為機械彈簧、橡膠、惰性氣體之一或它們的組合，緩沖器接受的沖擊能大部分通過節(jié)流小孔或縫隙的液阻作用轉(zhuǎn)換成熱能耗散于空氣中，僅少部分沖擊能變成彈性能儲存于復位件中7 。（1）行程一定時 （2）緩沖力一定時圖2.9 不同類型緩沖裝置的F-S曲線1.6 碰撞過程分析1.6.1恢復系數(shù)汽車碰撞事故是一種碰撞現(xiàn)象。碰撞有3種形式，即彈性碰撞、非彈性碰撞和塑性碰撞。碰撞形式可用恢復系數(shù)e表示，即式中V10,V20為碰撞物體A、B在碰撞前瞬間的速度(正碰撞時為負值);Vl、V2是碰撞物體A、B在碰撞后瞬間的速度。例如兩橡皮求分別以3m/s和3m/s的速度正面碰撞，當變形到速度為零后，又分別以3m/s的速度分開，則碰撞后的相對速度為1，故恢復系數(shù)為:如果同樣的兩戮土球，碰撞的能量全部由永久變形而吸收，則碰撞后的相對速度為零，即e=0。所以，在三種碰撞形式中，彈性碰撞e=1，塑性碰撞e=O，非彈性非塑性碰撞0e1。1.6.2碰撞基本規(guī)律雖然汽車是具有一定尺寸的物體，但是，如果在碰撞過程中，兩個汽車的總體形狀對質(zhì)量分布影響不大，就可將它們簡化為兩個只有質(zhì)量沒有大小的質(zhì)點，從而使用質(zhì)點的動量原理和能量守恒定理求解。由于恢復系數(shù)。等于兩個碰撞物體分離動量與接近動量之比，所以汽車正面碰撞時，若忽略其外力的影響，根據(jù)動量守恒的原理有:根據(jù)式得到由式恢復系數(shù)得到將式帶入，即得則可得到 同理可得1.7 碰撞前后的能量分析把汽車作為一個整體，設(shè)其質(zhì)量為m，汽車碰撞前的速度為V1，碰撞后的速度為V2，根據(jù)動量定理，作用于汽車的沖量因為汽車的質(zhì)量較大，而汽車碰撞前后的速度改變量也很大，因此汽車撞前后的沖量I很大。而因為汽車碰撞的作用時間t很短，因此碰撞時的平均壓力F很大。由式得到:因為汽車在碰撞時的壓力并非均勻壓力，而是隨時間變化，因此把式變?yōu)榉e分形式，得到因為汽車碰撞的作用時間很短，即t很小，而I卻很大，要得到很大的I，m是一定的，因此只能是a(t)很大。在此我們可以分析，減速度。可能是引起人的受傷的一個重要因素。從能量的角度看，汽車在碰撞過程中會產(chǎn)生大的塑性變形，而結(jié)構(gòu)在大塑性變形下，彈性變形能就是次要的。因此在汽車碰撞中我們忽略彈性變形能，汽車碰撞吸收的總能量E(主要轉(zhuǎn)化為塑性功和內(nèi)能)約等于撞擊前瞬間汽車m的動能減去碰撞后汽車m剩余的動能。上式反應(yīng)了汽車碰撞前后的總能量變化，是從汽車碰撞前后的速度方面來考慮碰撞前后的能量變化。我們在分析時不僅要考慮速度變化給碰撞前后帶來的能量影響，和前面動量分析一樣，我們還要分析碰撞力的影響，根據(jù)平均力的做功公式 : 當汽車以某一速度前進時，其質(zhì)量幾乎不變，因此它所具有的動能是一定的。要使汽車在碰撞過程中停下來，必須有個與速度方向相反的力F，在汽車上作用一段距離s。而在汽車的碰撞過程中，汽車的碰撞力是時刻變化的，因此F變?yōu)镕(t)，從而式可變?yōu)榉e分形式: 由于汽車質(zhì)量m一定，而碰撞能量又相當大，碰撞距離很短，根據(jù)式我們也可以得出結(jié)論，那就是a(t)很大。從前面的司乘人員受傷原因分析我們知道，在汽車碰撞過程中，汽車的減速度過大是造成司乘人員受傷(包括機械損傷和生理損傷)的重要原因。從上面公式中碰撞前后的動量和能量的分析可以看到，汽車在碰撞時的減速度很大，而減速度是一個隨時間變化的變化量，即a=a(t)，因此我們需要做的就是想辦法控制減速度峰值，使減速度峰值在法規(guī)所規(guī)定的范圍之內(nèi)，也即是控制在人能夠承受的范圍之內(nèi)13。 第2章 緩沖裝置的創(chuàng)新設(shè)計本文設(shè)計的新型液氣緩沖裝置是對現(xiàn)有液氣緩沖裝置結(jié)構(gòu)與性能分析的基礎(chǔ)上，通過對機械創(chuàng)新22等理論的運用改進液氣緩沖裝置的阻尼結(jié)構(gòu)和儲能方式設(shè)計而成，使得新型液氣緩沖裝置比一般液氣緩沖裝置的緩沖性能有較大改進，對工況的適應(yīng)能力更強。2.1液氣緩沖裝置特性分析圖2.1 OLEO液氣緩沖裝置1-緩沖頭；2-柱塞；3-氣腔；4-活動活塞；5-調(diào)節(jié)桿； 6-油缸圖2.2 CRHS型動車組上應(yīng)用的液氣緩沖裝置1-柱塞；2-氣腔；3-缸體；4-浮動活塞；5-油腔；6-單向錐閥；7-錐閥節(jié)流孔； 8-節(jié)流阻尼環(huán) ；9-油缸；10-節(jié)流阻尼棒圖2.1和2.1分別為德國生產(chǎn)的OLEO液氣緩沖裝置和CRHS型動車組自動車鉤上應(yīng)用的液氣緩沖裝置1.兩種緩沖裝置阻尼結(jié)構(gòu)特點:(l)相同點:二者都具有節(jié)流阻尼棒與節(jié)流阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)。其工作原理為:對油缸流入油腔的液壓油起到較好的阻尼作用，從而達到減緩沖擊動能的作用17。(2)不同點:對于應(yīng)用在鐵路上的緩沖裝置，在節(jié)流阻尼棒與節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)的基礎(chǔ)上又附加了一個錐閥節(jié)流孔。原因如下，對于CRHS型動車組的自動車鉤機構(gòu)而言，在其對接過程中承受的沖擊力較大，這就要求對阻尼機構(gòu)的節(jié)流果要求更嚴格，所以附加了一個錐閥節(jié)流孔阻尼結(jié)構(gòu)17。2.兩種緩沖裝置的復位件的特點:兩種緩沖裝置都采用了壓縮氮氣作為復位件。(l)其特點是，充分利用氣體的可壓縮性，起到了氣體彈簧的作用9。(2)其優(yōu)點為:第一，消除了復位件因經(jīng)常壓縮所帶來的疲勞問題，并且對緩沖器的工作工況的適應(yīng)性強。第二，對于一些采用機械彈簧作為復位件的緩沖器，緩沖結(jié)束之后具有很大的回彈力，這樣對起重機械帶來非常嚴重的危害，而采用氣體彈簧作為復位件的緩沖器很好的消除了對機械危害極大的回彈力，為緩沖器的發(fā)展提供一個新的導向。3.兩種緩沖裝置加工難點和結(jié)構(gòu)不足之處為:(l)對于液氣緩沖裝置而言，氣腔的密封工藝是制約其發(fā)展的重要因素。隨著密封技術(shù)的發(fā)展，此項難題基本解決，但在加工工藝方面仍需注意，否則可能因為漏氣等原因使緩沖裝置失效，甚至可能會造成機械設(shè)備損壞及人員傷亡。(2)對于上述兩種緩沖而言，阻尼結(jié)構(gòu)采用節(jié)流阻尼棒和節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)雖然取得了較好的緩沖效果，但也存在著弊端。其缺陷如下:對節(jié)流阻尼棒與節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)的對中性提出了更高要求，若對中性不好將導致緩沖器內(nèi)部摩擦較大，影響緩沖效果，嚴重時將導致緩沖器無法被壓縮(即緩沖裝置變的很硬)，將對起重機械及電氣元件造成嚴重的損害。2.2新型液氣緩沖裝置的設(shè)計2.2.1設(shè)計理念通過對上述兩種液氣緩沖裝置的結(jié)構(gòu)和緩沖特性的分析，不難發(fā)現(xiàn)上述兩種液氣緩沖器的阻尼機構(gòu)均采用節(jié)流阻尼棒和節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)，這樣就使得對緩沖的阻尼機構(gòu)的對中性提出了更高要求。一旦緩沖器的阻尼棒與阻尼環(huán)的對中性不良，就可能導致阻尼棒彎曲，進而導致緩沖器達不到預期的緩沖效果，甚至導致緩沖器失效，造成非常嚴重的后果。為克服這一缺陷，本文設(shè)計的新型液氣緩沖器進行了以下改進： (l)阻尼機構(gòu)采用了自行設(shè)計的限速閥，克服了阻尼機構(gòu)對中性要求過高的缺陷。采用限速閥代替節(jié)流阻尼棒和節(jié)流阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)，使得該液氣緩沖的核心部件模塊化，便于拆裝檢修。 (2)對上述列舉的液氣緩沖裝置的氮氣腔也進行了優(yōu)化改進，該新型液氣緩沖裝置采用氣腔二級緩沖的結(jié)構(gòu)，使得緩沖效果更好，性能更加穩(wěn)定。2.2.2總體方案新型液氣緩沖裝置主要由撞頭、氣腔桿、氣腔、液氣隔離活塞、油腔、限速閥、油缸、等部分組成。 圖2.3 新型液氣緩沖裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)1-前撞頭；2-氣腔推桿；3-缸體1；4-氣腔限速閥；5-液氣隔離活塞；6-液腔限速閥； 7-缸體3；8-后撞頭。組成部件功能:(l)前撞頭，主要用來承受其它機械的沖擊力。(2)氣腔推桿，放置阻尼機構(gòu)-限速閥，當緩沖器受到?jīng)_擊時，氣體由氣體缸流向限速閥。(3)缸體1，用來儲存作為新型液氣緩沖器復位件的壓縮氮氣。(4)氣腔限速閥，控制并儲存壓縮過程中由氣缸壓入的氮氣，推動氣液隔離活塞向液腔移動進而壓縮液體。(5)氣液隔離活塞，主要目的是使氣體與液體分開，即密封作用。(6)液腔限速閥，控制并儲存壓縮過程中由油缸流入的液壓油，推動氣液隔離活塞向氣腔移動進而壓縮氣體。(6)油缸3，儲存液壓油的裝置。(7)后撞頭，主要用來承受其它機械的沖擊力。3.2.3工作原理當沖擊物作用在緩沖器的撞頭上時，本文所設(shè)計的新型液氣緩沖裝置主要分兩個緩沖過程:(l)在沖擊過程中，當緩沖器的撞頭受到的撞擊力較小時，新型液氣緩沖器只需通過壓縮氣腔中的氮氣，便能達到吸收沖擊物動能的效果，進而實現(xiàn)了緩沖的目的，此時氣腔的壓縮氣體起到氣體彈簧的作用，此過程稱為一級緩沖。(2)在沖擊過程中，當緩沖器的撞頭受到突然撞擊力(撞擊力較大時)，一級緩沖不能達到吸收沖擊物的全部動能的效果時，緩沖器將通過緩沖器的阻尼機構(gòu)(限速閥)進一步吸收沖擊物的動能，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⒂筛左w逸散到空氣中，這時二級緩沖結(jié)束。在進行二級緩沖的過程中，一級緩沖過程迅速完成，達到部分緩沖效果的同時還提高了氣腔中壓縮氣體的壓強，為二級緩沖做準備。當一級緩沖結(jié)束后，在沖擊物的作用下，柱塞桿繼續(xù)被壓入油缸中，油缸中的油壓急劇升高，壓強極高的液壓油通過限速閥阻尼孔進入油腔中，阻尼孔起到了吸收沖擊動能的目的。如果此時壓力仍然很高，超過了限速閥閥芯上彈簧的預緊力時，限速閥閥門打開，起到較好的緩沖效果。油缸中的液壓油經(jīng)過限速閥進入油腔中，其極高的壓力推動氣液氣隔離活塞向氣腔方向運動，致使氣腔中的壓縮氣體被二次壓縮，這樣就完成了二級緩沖。綜上所述，具有二級緩沖的液氣緩沖裝置在壓縮過程中具有適應(yīng)外界壓力變化的能力，緩沖效果更佳。在回彈過程中，具有二級緩沖的液氣緩沖裝置在整個沖擊過程中只有一小部分的動能轉(zhuǎn)化為氣體彈簧的壓縮勢能，儲存于氣腔中。由于新型液氣緩沖器采用的是氣腔的二級緩沖，這樣使得緩沖器較一級緩沖的液氣緩沖器的回彈力更小，提高機械運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性及操作人員的舒適感，所以采用二級緩沖的液氣緩沖裝置必將在不久的將來在緩沖領(lǐng)域迅速發(fā)展。2.2.4設(shè)計優(yōu)點 為了更好的對比，選取了工況為:初始壓強為4.OMPa，沖擊速度為0.3-0.5m /s時的動態(tài)特性曲線。 1.新型液氣緩沖裝置的阻尼結(jié)構(gòu)為:(l)采用自行設(shè)計的限速閥為阻尼結(jié)構(gòu);(2)優(yōu)點:阻尼結(jié)構(gòu)占用軸向空間小、核心部件模塊化且便于選型及檢修。2.新型緩沖裝置的復位件為:具有性能穩(wěn)定的氣體一氮氣。3.氣腔結(jié)構(gòu):二級緩沖氣腔。4.仿真結(jié)果的分析:（1）新型緩沖裝置撞擊初期緩沖力在較長的緩沖行程(一級緩沖行程)內(nèi)緩沖力逐漸增加，當一級緩沖結(jié)束后緩沖力才迅速上升，主要原因是柱塞桿進入油缸內(nèi)壓縮液壓油。隨著緩沖的進行，緩沖力隨著行程的增加而逐漸降低。（2）優(yōu)點:a.如下圖為兩種緩沖裝置壓縮氣體時緩沖力一緩沖行程的對比圖，由圖可知采用二級緩沖的氣腔結(jié)構(gòu)可以使緩沖器緩沖性能更加穩(wěn)定，減小緩沖波動等不良影響;圖2.4 阻抗力與緩沖行程對比 b.自行設(shè)計的限速閥較好的代替了節(jié)流阻尼棒一節(jié)流阻尼環(huán)與錐閥節(jié)流孔的組合結(jié)構(gòu)。把節(jié)流阻尼棒一節(jié)流阻尼環(huán)與錐閥節(jié)流孔的組合結(jié)構(gòu)分別用限速閥上的阻尼孔與限速閥閥門的打開、關(guān)閉代替，并且閥門可根據(jù)壓差的變化量自動調(diào)節(jié)節(jié)流效果，使緩沖器性能更加穩(wěn)定可靠的同時還節(jié)省了軸向空間。綜上所述，新型液氣緩沖器在具有原有液氣緩沖器的性能的基礎(chǔ)上很好的克服了缺點，使得液氣緩沖器的工作性能穩(wěn)定可靠，具有很大的發(fā)展空間。 第3章 新型液氣緩沖器核心部件設(shè)計新型液氣緩沖裝置的主要部件有：限速閥，氣腔，油缸，其中限速閥是其最為關(guān)鍵的部分。3.1限速閥的設(shè)計作為阻尼結(jié)構(gòu)的限速閥是新型液氣緩沖裝置的核心部件，其性能的好壞直接決定著液氣緩沖器的性能是否更優(yōu)，緩沖效果是否更好。3.1.1氣腔限速閥的設(shè)計如圖所示為氣腔限速閥結(jié)構(gòu)圖，限速閥主要由端蓋、彈簧、進氣孔、缸體等組成。其中進氣孔的形狀大小，彈簧的選型及預緊力對限速閥的性能起著決定性的作用。 圖3.1 氣腔限速閥的設(shè)計1-端蓋； 2- 彈簧；3-進氣孔；4-缸體3.1.2液腔限速閥的設(shè)計如圖可知，新型液氣緩沖器液腔限速閥。閥中心阻尼孔的作用是與流道形成小縫的效果，進而起到節(jié)流的作用。在進油孔設(shè)計合理的前提下，隨著壓縮行程的增大，緩沖力將逐漸增大，采用快速進油可以使液體流動柔和，較好的控制了脈沖情況出現(xiàn)。 圖3.2 液腔限速閥的設(shè)計1-盤旋銅管； 2- 油腔；3-進油孔；4-隔板；5-缸體；3.1.3彈簧的設(shè)計該液氣緩沖裝置在閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計中，注意到軸向的空間較小，需要所選用的彈簧能以較小變形承受較大載荷。所以選用的蝶形彈簧組有較好的性能滿足這一要求。 圖3.3 彈簧的設(shè)計碟簧組合計算公式： Fz=F fz=if Hz=iHo其中:F-單片彈簧的載荷 Fz-總載荷 i-對合片數(shù) fz-總變形量 H-單片彈簧的自由高度 Ho-組合碟片的自由高度3.2限速閥工作原理氣腔限速閥的工作原理是當緩沖裝置阻抗力逐漸增加時，固定進氣孔兩端壓力差作用在錐閥上的力超過彈簧的預緊力，氣體推動隔板與中心的出氣孔形成通，氮氣快速的進入限速閥，這樣就起到較好的緩沖效果。液腔限速閥的目的是對油缸流向油腔的高壓油起到節(jié)流的作用，這樣其較好的阻抗性可將作用在緩沖器撞頭上的沖擊動能更好地轉(zhuǎn)化為熱能并由缸體逸散到空氣中，還起到防止緩沖器因緩沖力不足致使柱塞桿撞擊缸體。由圖可以看到在限速閥的閥座上有固定的節(jié)流小孔，其數(shù)量和孔徑的大小由緩沖器所需工況決定。限速閥的錐形閥芯在彈簧的作用下由擋圈限位，初始狀態(tài)時閥口開至最小。當緩沖器阻抗力逐漸增加時，固定節(jié)流孔兩端壓力差作用在錐閥上的力超過彈簧的預緊力，液腔限速閥上的閥門打開，油快速的流進限速閥，這樣就起到較好的節(jié)流效果。其優(yōu)點是:緩沖開始時節(jié)流緩慢，相對暢通，隨著緩沖過程的進行，限速閥的錐閥克服彈簧預緊力，閥門打開，節(jié)流增大，而反向作用時該閥限流作用小，緩沖器回復時間較短。從限速閥的工作原理來看，要使得該液氣緩沖器的緩沖效果達到最佳，限速閥中的節(jié)流孔的尺寸與彈簧的預緊力是確定該液氣緩沖器特性的關(guān)鍵，只要正確設(shè)計限速閥閥門和節(jié)流孔數(shù)量以及彈簧的預緊力，緩沖器的緩沖性能也將隨之優(yōu)化。3.3限速閥優(yōu)點本文通過自行設(shè)計的新型液氣緩沖器與OLEO液氣緩沖裝置和CRHS型動車組自動車鉤上應(yīng)用的液氣緩沖裝置的阻尼結(jié)構(gòu)之間對比來進一步描述新型阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和發(fā)展空間9。3.3.1三種緩沖裝置阻尼結(jié)構(gòu)特點(l)相同點:三者阻尼機構(gòu)的目的都是為緩沖器的緩沖起到更好的緩沖效果。其工作原理都是通過阻尼孔或快速通道來達到吸收沖擊動能的作用，從而滿足緩沖裝置工作工況的需要。(2)不同點:對于應(yīng)用在鐵路上的緩沖裝置，在節(jié)流阻尼棒與節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)的基礎(chǔ)上又附加了一個阻尼機構(gòu)一錐閥節(jié)流孔。原因如下，對于CRHS型動車組的自動車鉤機構(gòu)而言，在其對接過程中承受的沖擊力較大，這就要求對阻尼機構(gòu)的節(jié)流效果要求更嚴格，所以附加了一個錐閥節(jié)流孔阻尼結(jié)構(gòu)。而應(yīng)用在起重機上的OLEO液氣緩沖器只采用節(jié)流阻尼棒與節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)。可能面臨的問題是因緩沖力不足導致柱塞撞擊缸體，造成對起重機械的損壞。3.3.2限速閥阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢第一，與鐵路和起重機械上應(yīng)用的節(jié)流阻尼棒與節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)的緩沖裝置相比，限速閥阻尼機構(gòu)的對中性不高，提高緩沖穩(wěn)定性。第二，應(yīng)用在汽車上的緩沖裝置，在節(jié)流阻尼棒與節(jié)流阻尼環(huán)機構(gòu)的基礎(chǔ)上又附加了一個錐閥節(jié)流孔，雖然具有較好的節(jié)流效果，但是將占用很大的軸向空間，而限速閥阻尼機構(gòu)很好的代替了上述結(jié)構(gòu)，使得用于加工緩沖器所需的材料更省，節(jié)約資源。第三，由于限速閥閥門可隨閥兩端的壓差變化而變化，這樣比OLEO液氣緩沖器和CRHS型動車組自動車鉤上應(yīng)用的液氣緩沖器的阻尼結(jié)構(gòu)能更好的適應(yīng)外界工況的變化，具有更好的適應(yīng)沖擊的能力。 第四，由于限速閥可作為一個整體加工，其內(nèi)部阻尼孔的大小、阻尼閥芯長度和彈簧預緊力可根據(jù)需要自行選擇，這樣就使得新型液氣緩沖器的核心部件模塊化，便于進行緩沖裝置的選型及維修。第4章 三維建模與分析4.1三維建模新型液氣緩沖裝置三維建模運用NX UG完成各零件圖，并對零件圖進行裝配。 圖4.1 新型液氣緩沖裝置三維模型 圖4.2 新型液氣緩沖裝置缸體裝配圖三維模型 圖4.3 新型液氣緩沖裝置缸體1三維模型 圖4.4 新型液氣緩沖裝置缸體裝配圖三維模型 圖4.5 新型液氣緩沖裝置氣腔限速閥三維模型 圖4.6 新型液氣緩沖裝置氣腔限速閥三維模型 圖4.7 新型液氣緩沖裝置液腔限速閥三維模型 4.2 爆炸圖 圖4.8 新型液氣緩沖裝置爆炸圖 圖4.9 新型液氣緩沖裝置爆炸圖4.3運動仿真 利用UG的運動仿真功能給三維實體模型的各個部件賦于一定的運動學特性，進行干涉檢查、軌跡包絡(luò)、受力點分析，驗證該運動機構(gòu)設(shè)計的合理性，減少錯誤，節(jié)省驗證的時間，減少開發(fā)成本。 圖4.10 新型液氣緩沖裝置壓縮前狀態(tài)圖 圖4.11 新型液氣緩沖裝置壓縮后狀態(tài)圖4.4缸體1有限元分析 經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)汽車在發(fā)生碰撞時，缸體1最容易變形、失效，為了檢驗設(shè)計的合理性和可行性，對缸體1進行有限元分析。根據(jù)汽車碰撞與安全6可知汽車碰撞時撞擊力一般為1500KN2000KN,取撞擊力為2000KN，對缸體1進行有限元分析。 圖4.12 缸體1應(yīng)力-單元分析 圖4.13 缸體1位移-節(jié)點分析 圖4.14 缸體1應(yīng)力-單元、節(jié)點分析 圖4.15 缸體1反作用力-節(jié)點分析 通過對缸體1應(yīng)力、位移、反作用力等有限元分析，發(fā)現(xiàn)缸體1的設(shè)計完全能承受2000KN的撞擊力，缸體1的設(shè)計合理。4.5運動學模塊分析液氣緩沖裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜，影響其動力學特性的因素很多，需要建立準確的數(shù)學模型加以描述，為了便于計算，并在計算正確度影響不大的前提下，作了如下假設(shè)：（1） 由于緩沖過程時間很短，認為緩沖過程是絕熱過程；（2） 不計油液重量以及活塞與缸體、氣液隔離活塞與活塞桿之間的泄漏；（3） 假設(shè)氣液隔離活塞兩側(cè)壓強相等；（4） 因為沖擊物體質(zhì)量遠大于活塞桿質(zhì)量，所以近似認為活塞桿初速度與沖擊物的速度相同。感性元件的數(shù)學模型遵循的定律是動量守恒定律。動量守恒定律作用于緩沖器的柱塞桿和限速閥閥芯時，其數(shù)學表達就是牛頓第二定律，如下式所示：F=ma 根據(jù)上述感性元件在建模過程中的假設(shè)條件及液氣緩沖器實際工況緩沖器的撞頭承受水平方向的沖擊，所以沖擊力為零)如圖3.2所示，柱塞桿的運行。 圖4.16 缸體運動分析圖 運動學的平衡方程為: 式中：mb 一 活塞桿質(zhì)量，kg; m 一 沖擊質(zhì)量，kg;v一 活塞桿運動速度，m/s;t一 運動時間,s;Pl一 油腔A中的壓強，pa;P2一 油腔B中的壓強，pa;P3一 氣腔壓強，pa;A1一 油缸橫截面積，m2;A2一 柱塞桿油腔橫截面積，m2;A3一 氣腔橫截面積，m2;Fc一 緩沖器的阻抗力，N。補充氣體方程： P2P3當緩沖器卸載時，要打開單向閥必須存在力平衡方程： P2Ax=PcAc其中：Ax為限速閥前端蓋有效作用面積；Ac為限速閥后端有效作用面積；Pc為打開限速閥所需的基本壓力；設(shè)計時根據(jù)機械設(shè)計手冊，在設(shè)計緩沖器密封件以及連接方式時都選用了運動速度為35m/s的設(shè)計標準設(shè)計，根據(jù)上面公式結(jié)果如下：根據(jù)查閱相關(guān)資料，小車的重量一般1t1.5t,取1.2t,撞擊時間取0.25s,高速最高限速120km/h,根據(jù)公式： P=mv I=Ft=P F=P/t計算得當汽車速度為120km/h時，撞擊產(chǎn)生的力為1600KN,所以該緩沖裝置在汽車發(fā)生碰撞時能起到至關(guān)重要的作用。 結(jié)論本文主要針對已有液壓緩沖器和棒芯式液氣緩沖器存在的不足，如:(1)液壓緩沖裝置一般多采用金屬彈簧作為復位件，由于汽車發(fā)生碰撞，對金屬彈簧的疲勞壽命提出了較高的要求;(2)棒芯式液氣緩沖裝置對阻尼棒和節(jié)流環(huán)機構(gòu)的對中性要求較高且加工工藝困難等不足。新型液氣緩沖裝置的特點如下:(1)該液氣緩沖裝置不僅克服了液壓緩沖器對金屬彈簧疲勞壽命的問題，同時也克服了阻尼棒一節(jié)流環(huán)機構(gòu)要求對中嚴格的缺陷，使得液氣緩沖器的工作更加穩(wěn)定可靠;(2)該新型液氣緩沖裝置的核心閥件模塊化，便于拆裝檢修;(3)在緩沖裝置受到撞擊時，緩沖開始時節(jié)流緩慢，相對暢通，隨著緩沖過程的繼續(xù)，限速閥的錐閥克服彈簧預調(diào)力，逐漸形成通道，節(jié)流增大，緩沖效果明顯。 (4)設(shè)計了新型的阻尼機構(gòu)一限速閥，使得核心部件的結(jié)構(gòu)更加簡化，在起到較好緩沖的前提下較好的取代了阻尼棒一節(jié)流環(huán)結(jié)構(gòu)，使新型液氣緩沖裝置的工作性能更加穩(wěn)定。(5)新型液氣緩沖裝置采用的二級緩沖。目前大多數(shù)液氣緩沖裝置采用的是一級緩沖，當緩沖裝置受到?jīng)_擊時，直接通過液壓油帶動浮動活塞壓縮氣體達到緩沖的目的，這樣就會導致開始階段的阻抗力在很短的時間內(nèi)達到達到很大的峰值，使得緩沖裝置工作時承受很高的載荷的作用，工作不穩(wěn)定。采用二級緩沖的液氣緩沖裝置，當汽車機械發(fā)生沖撞時，開始階段先壓縮氣體，之后通過液壓油帶動浮動活塞再次壓縮氣體。這樣不僅使得開始階段的阻抗力不會在很短的緩沖行程內(nèi)升高的過快，還使得緩沖器工作的更加穩(wěn)定。 參考文獻1何婭平,車身設(shè)計與碰撞安全性（學士論文）四川大學，2011 .06.2郭良等，城軌車輛用緩沖器的研制與試驗，北京：機械工業(yè)出版社，2008.3李偉剛.軌道車輛新型液氣緩沖器特性研究（碩士學位論文）陜西大學.2014.4 2016全國城市汽車保有量排名榜新鮮出爐.百度.2017.01.5 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