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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
本科學(xué)生畢業(yè)論文
主動懸架比例液壓系統(tǒng)的設(shè)計
系部名稱： 汽車工程系
專業(yè)班級： 車輛工程 B05-17班
學(xué)生姓名： 趙紫云
指導(dǎo)教師： 安永東
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○○九年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
The proportion of hydraulic active suspension system design
Candidate：Zhao Ziyun
Specialty：Vehicle engineering
Class：B05-17
Supervisor：Associate Prof. An Yongdong
Heilongjiang Institute of Technology
2009-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
國內(nèi)汽車市場迅速發(fā)展，隨著汽車保有量的增加，帶來的技術(shù)問題也越來越引起人們的注意，而液壓系統(tǒng)則是有關(guān)汽車主動安全及舒適性的重要系統(tǒng)之一。因此，如何開發(fā)出高性能的液壓系統(tǒng)，為安全行駛提供保障并提高汽車行駛舒適性是我們要解決的主要問題。
本文簡要地分析了汽車液壓主動懸架的基本結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對主動懸架液壓比例控制系統(tǒng)進行了靜態(tài)設(shè)計，其中包括對負載的分析以及液壓缸、液壓泵、比例方向閥及相應(yīng)彈性元件的設(shè)計計算并進行選取，使其能對車輛懸架的高度、剛度和阻尼進行比例調(diào)節(jié)，并通過確定比例主動懸架液壓參數(shù)獲取系統(tǒng)的模型參數(shù)。最后繪制出主動懸架比例液壓系統(tǒng)的各元部件及其整體裝配圖。
關(guān)鍵詞：主動懸架；比例液壓；系統(tǒng)；彈性元件；控制閥
ABSTRACT
The rapid development of the domestic auto market, with the increase in cars, bringing more and more technical aspects of attention, and the hydraulic system is of the vehicle active safety and comfort of the important systems in the world. Therefore, how to develop high-performance hydraulic system, providing protection for the safe driving and to improve vehicle ride comfort is our main problem to be solved.
This article briefly analyzes the automotive hydraulic active suspension of the basic structure. On this basis, the proportion of active suspension control system of hydraulic static design, including load analysis, and hydraulic cylinders, hydraulic pumps, valves and the corresponding proportion of the direction of the design and calculation of elastic element and select it to the vehicle suspension height, stiffness and damping ratio to adjust, and by determining the ratio of active suspension system of hydraulic parameters of the model parameters to obtain. The final draw ratio of hydraulic active suspension system components and the overall assembly.
Key words: Active Suspension；The ratio of hydraulic；System；Elastic element；Control Valve
33
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 汽車主動懸架系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究現(xiàn)狀 1
第2章 主動懸架比例液壓系統(tǒng)方案設(shè)計 4
2.1 汽車主動懸架系統(tǒng)的組成 4
2.2 液壓傳動工作原理和系統(tǒng)組成及特點 5
2.3 主動懸架比例液壓系統(tǒng)方案設(shè)計 7
2.4 本章小結(jié) 8
第3章 主動懸架比例液壓系統(tǒng)基本計算 10
3.1 系統(tǒng)基本計算 10
3.2蓄能器的設(shè)計與計算 10
3.3 彈簧的設(shè)計與校核 11
3.4 減振器的結(jié)構(gòu)類型與主要參數(shù)的選擇 12
3.5 本章小結(jié) 14
第4章 液壓系統(tǒng)工作裝置設(shè)計 15
4.1 液壓缸 15
4.2 液壓缸的類型 15
4.3 液壓缸的結(jié)構(gòu) 15
4.4 液壓缸的基本參數(shù)確定與設(shè)計計算 18
4.5 本章小結(jié) 22
第5章 液壓系統(tǒng)各元件的選用 23
5.1 液壓控制閥 23
5.1.1 液壓控制閥機理 23
5.1.2 電液比例控制閥 23
5.2 液壓泵 24
5.2.1 液壓泵的功用 24
5.2.2 容積式液壓泵的基本工作原理 24
5.3 本章小結(jié) 25
結(jié)論 26
參考文獻 27
致謝 28
附錄 29
第1章 緒 論
1.1 概述
車輛的懸架系統(tǒng)，是指連接車身與車軸等所有組合件的總稱。由彈性元件，減震器及導(dǎo)向裝置組成的懸架裝置稱為被動懸架，上述元件分別起緩沖，減震和導(dǎo)向的作用。主動懸架是近年來出現(xiàn)的新型懸架系統(tǒng)，它擁有自身的能源，并以一個力發(fā)生器取代了被動懸架中的減震器或是在被動懸架彈性元件與阻尼元件的基礎(chǔ)上增加了一個主動裝置。因此，開發(fā)性價比高的主動懸架裝置是當(dāng)前主動懸架技術(shù)研究的重點和難點。目前采用液壓作動器的懸架系統(tǒng)中所用控制閥大部分為伺服閥，僅有少部分為高速開關(guān)閥。伺服懸架系統(tǒng)動態(tài)特性雖好，但造價昂貴；高速開關(guān)閥可降低整套懸架系統(tǒng)的造價。但其動態(tài)特性較差，可控頻率在2Hz以下。鑒于伺服系統(tǒng)維護技術(shù)難度較大以及制造成本又高的原因，工業(yè)領(lǐng)域中的許多用戶提出來要用較為廉價的比例元件替代電液伺服元件。與此同時，電液比例技術(shù)的迅速發(fā)展以及比例元件性能的不斷提高也為滿足上述要求提供了可靠的技術(shù)保證。為此，本文采用價格較為低廉的高性能比例閥作為主動懸架裝置的控制閥。
1.2 汽車主動懸架系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究現(xiàn)狀
自從汽車發(fā)明以來，工程師們就一直在研究如何將汽車的懸架系統(tǒng)設(shè)計得更好。最初的汽車懸架系統(tǒng)是使用馬車的彈性鋼板，效果當(dāng)然不會很好。1908年螺旋彈簧開始用于轎車，當(dāng)時就曾經(jīng)有兩種截然不同的意見。第一種意見主張安裝剛性較大的螺旋彈簧，以使車輪保持著與路面接觸的傾向，提高輪胎的抓地能力。但是這樣的弊端是乘坐汽車時有較強烈的顛簸感覺。另一種意見認為應(yīng)該采用較軟的螺旋彈簧，以適應(yīng)崎嶇不平的路面，提高乘坐汽車時的平穩(wěn)性及舒適性。但是這樣的汽車操縱性較差。到了三四十年代，獨立懸架開始出現(xiàn)，并得到很大發(fā)展。減振器也由早期的摩擦式發(fā)展為液力式。這些改進無疑提高了懸架的性能，但無論怎樣改良，此時的懸架仍然屬于被動式懸架，仍然在很多方面有很大局限性。
衡量懸架性能好壞的主要指標是汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，但這兩個方面是相互排斥的性能要求，往往不能同時滿足。怎樣在二者之間取得合理的平衡以達到最好的效果，一直是工程師們的研究課題。
平順性一般通過車體或車身某個部位(如車底板、駕駛員座椅處)的加速度響應(yīng)來評價，操縱穩(wěn)定性則可以通過車輪的動載來度量。例如，若降低彈簧的剛度，則車體加速度減少使平順性變好，但同時會導(dǎo)致車體位移的增加。由此產(chǎn)生車體重心的變動將引起輪胎負荷變化的增加，對操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；另一方面，增加彈簧剛度會提高操縱穩(wěn)定性，但硬的彈簧將導(dǎo)致汽車對路面不平度很敏感，使平順性降低。所以，理想的懸架應(yīng)該在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼，既能滿足平順性要求又能滿足操縱穩(wěn)定性要求。
但是普遍使用的被動懸架不可能達到設(shè)計師們的理想要求。被動懸架因為具有固定的懸架剛度和阻尼系數(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上只能是滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間矛盾的折衷，無法達到懸架控制的理想境界。在使用上，為了使被動懸架能夠?qū)Σ煌穆访婢哂幸欢ǖ倪m應(yīng)性，通常將懸架的剛度和減振器的阻尼設(shè)計成具有一定程度的非線性，比如采用變節(jié)距螺旋彈簧和三級阻力控制的液壓減振器。
由于被動懸架設(shè)計的出發(fā)點是在滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性之間進行折衷，對于不同的使用要求，只能是在滿足主要性能要求的基礎(chǔ)上犧牲次要性能。所以盡管被動懸架在設(shè)計上以不斷改進被動元件而實現(xiàn)了低成本、高可靠性的目標，但始終無法解決同時滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間相矛盾的要求。
為此，自五六十年代起產(chǎn)生了主動懸架的概念，它能夠根據(jù)懸架質(zhì)量的加速度，利用電控液壓部件主動地控制汽車的振動。在這方面的研究，各大汽車制造公司均不遺余力。典型的例子，早期有雪鐵龍公司在1955年發(fā)展的一種液壓-空氣懸架系統(tǒng)，可以使汽車具有較好的行駛性能和舒適性，但是它的制造工序太復(fù)雜，最終難以普及。到90年代，日產(chǎn)公司在無限Q45轎車上應(yīng)用了新式主動懸架，進一步提高了轎車適應(yīng)崎嶇路面的能力。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可變特性懸架控制系統(tǒng)。它可根據(jù)運行條件與路面狀況，以手動控制懸架特性變化。手動開關(guān)可選擇兩種擋位：1.“SPORT”擋位，剛性高，相當(dāng)于高級跑車的懸架特性。2.“TOURING”擋位，柔性，相當(dāng)于高級旅行車的懸架特性。
現(xiàn)時引人注意的是奔馳公司發(fā)展的ABC(Active Body Control)系統(tǒng)，可算是相對先進的主動懸架系統(tǒng)代表。
ABC系統(tǒng)的設(shè)計人員從一開始就沒有將注意力放在傳統(tǒng)的思路上，而是另辟蹊徑，集中研究車身在行駛時的跳動。他們認為，從穩(wěn)定性考慮，通過抑制車身在行駛時的起伏、傾斜及跳動，可以最大限度地提高舒適性，而且更簡單直接。對駕駛而言，采用剛性較大的螺旋彈簧，可以使汽車優(yōu)越的操縱駕駛性得到保證。早在多年前，研究人員已經(jīng)進行過這方面的驗證。隨著近年來電子技術(shù)及電腦控制在轎車上大量應(yīng)用，這種新型主動懸架變?yōu)楝F(xiàn)實的條件越來越成熟。最新面世的系統(tǒng)采用了大量電子控制技術(shù)，奔馳公司稱之為主動式車身控制系統(tǒng)，簡稱ABC 。
傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)工作方式主要是通過厚重的車身跳動，推壓液壓油，通過阻尼減振器抑制車身的振動，并由螺旋彈簧將跳動能量吸收。這種完全被動的方式當(dāng)然有許多不足之處。而ABC系統(tǒng)則通過感應(yīng)最輕微的車輪及車身動作，在任何大的車身振動之前及時對懸架系統(tǒng)作出調(diào)整，保持車身的平衡。該系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)各種路面情況，即使在異常崎嶇不平的地方，轎車也能保持優(yōu)越的操縱性、舒適性及方向穩(wěn)定性。
為了達到理想的效果，ABC系統(tǒng)在各條懸架滑柱內(nèi)裝有一套新型的液力調(diào)節(jié)伺服器，可動態(tài)調(diào)整的液壓缸根據(jù)不同的路面情況自動調(diào)節(jié)螺旋彈簧座的位置，這一點很重要。當(dāng)車輪遇到障礙物時，ABC系統(tǒng)通過傳感器感知，自動調(diào)節(jié)彈簧座，并在彈簧座上施加壓力，使之能最大限度地抵消傳遞給車身的跳動能量。同樣的方法，ABC系統(tǒng)還能夠避免轎車在制動、加速及轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的車身傾斜。當(dāng)汽車制動或拐彎時的慣性引起彈簧變形，懸架傳感器會檢測出車身的傾斜度和橫向加速度。微電腦根據(jù)傳感器的信息，與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進行比較計算，并立即確定在什么位置上將多大的負載加到懸架上，使車身的傾斜減到最小。幾乎可以說，車身在任何狀態(tài)下都能保持水平位置。
ABC系統(tǒng)的控制感應(yīng)裝置由兩個微型處理器及13個傳感器組成，每10μs對懸架系統(tǒng)作一次掃描和調(diào)整。各傳感器分別向微處理器傳送車速、車輪制動壓力、踏動油門踏板的速度、車身垂直方向的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤角度及轉(zhuǎn)向速度等數(shù)據(jù)。電腦不斷接收這些數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)定的臨界值進行比較。同時，電腦能獨立控制每一個車輪上的執(zhí)行元件，從而能在任何時候、任何車輪上產(chǎn)生符合要求的懸架運動以適應(yīng)汽車的每一種行駛狀況。
ABC系統(tǒng)使汽車對側(cè)傾、俯仰、橫擺、跳動和車身高度的控制都能更加迅速、精確，即使在路況較差的路面上，汽車的跳動也很小。而且汽車高速行駛和轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性大大提高。車身的側(cè)傾小，車輪外傾角度變化也小，輪胎就能較好地保持與地面垂直接觸，使輪胎對地面的附著力提高，以充分發(fā)揮輪胎的驅(qū)動制動作用。此外汽車的載重量無論如何變化，汽車始終能保持一定的車身高度，所以懸架的幾何關(guān)系也可以確保不變。
目前，這種主動式車身控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在奔馳最新的C系列轎車上，雖然價格不菲，但也贏得極佳的口碑，被譽為是動力性能和乘坐舒適性改進的一個里程碑。
第2章 主動懸架比例液壓系統(tǒng)方案設(shè)計
2.1 汽車主動懸架系統(tǒng)的組成
主動懸架中不再有傳統(tǒng)意義上的“彈簧剛度”和“阻尼特性”，懸架中的彈簧盒減震器全部或者至少部分被執(zhí)行元件所取代。系統(tǒng)還包括了各種必要的傳感器、信號處理器和控制單元。控制單元根據(jù)檢測到的各種信號判斷汽車的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)事先設(shè)定的控制策略決定執(zhí)行元件該輸出多大的力。系統(tǒng)內(nèi)部靠力閉環(huán)控制保證執(zhí)行元件輸出的力滿足指令的要求。圖2.1給出了一種主動懸架工作原理的示意圖（單個車輪），實際使用時，還必須包括更多的傳感器以檢測必要的系統(tǒng)狀態(tài)量，比如與轉(zhuǎn)向時汽車運動相關(guān)的橫向加速度、方向盤角速度，還有汽車車速、發(fā)動機油門開度、制動踏板位置以及汽車車身高度等等。
圖2.1 主動懸架工作原理圖
A—執(zhí)行元件；E—比較器；F—力傳感器；P—電位器；V—控制閥；1—懸架質(zhì)量；2—加速度傳感器；3—信號處理器；4—控制單元；5—進油；6—出油；7—非懸掛質(zhì)量；8—路面輸入
圖2.2為一種實車采用的主動懸架布置圖。
圖2.2 轎車主動懸架布置示意圖
1—懸架位移傳感器；2—后懸架執(zhí)行元件；3—車門開關(guān)傳感器；4—隔離閥；5—前懸架執(zhí)行元件；6—控制閥；7—液力泵；8—油門位置傳感器；9—車速傳感器；10—控制踏板位置傳感器；11—方向盤傳感器；12—中央控制單元
主動懸架的性能指標可以用多個系統(tǒng)輸出變量的均方根值的加權(quán)和來表征。這些變量可以包括車身加速度、車輪與地面間的動載、車輪相對于車身的位移以及執(zhí)行元件的作用力等。系統(tǒng)的控制變量也比傳統(tǒng)的被動懸架要多，并且參數(shù)的選擇范圍也更寬。一般多采用隨機優(yōu)化控制理論來確定系統(tǒng)的控制策略。研究表明，如果相對于路面不平度而言有足夠大的懸架工作行程，則在某一特定的穩(wěn)定工況下（載荷、車速以及路面不平度函數(shù)都保持不變），主動懸架所達到性能指標與專門為這種特定工況所涉及的被動懸架相當(dāng)。當(dāng)工況變化并且相對路面不平度而言懸架的工作行程受到限制（實際汽車上都是這種情況）時，主動懸架與被動懸架相比，平順性指標和車輪接地性能都會提高，在不良路面上，可提高10%~15%。
主動懸架執(zhí)行元件的響應(yīng)頻率范圍要超過汽車上車輪剛度所對應(yīng)的頻率，約為10Hz。目前汽車上采用的大都是電液伺服機構(gòu)，頻帶越高，則實現(xiàn)起來越困難，成本和質(zhì)量都會增大，系統(tǒng)所消耗的能量也會增加。如果在系統(tǒng)中并聯(lián)入傳統(tǒng)的彈簧和減震器以承受靜載荷并提供常規(guī)情況下的阻尼，則系統(tǒng)的能量消耗和執(zhí)行元件的尺寸、液壓都會下降，但這種方式的集成性不佳。
主動懸架中的關(guān)鍵部件之一是電液伺服器。它根據(jù)中央控制單元給出的電信號控制流向執(zhí)行元件的油量，為此必須有很高的放大倍率，將幾十毫瓦的電信號轉(zhuǎn)化為幾十千瓦的液壓功率，同時還要有足夠快的反應(yīng)速度，要能在幾毫秒之內(nèi)實現(xiàn)95%的流量變化，另外還具備高靈敏度，可以5%的步長進行流量調(diào)節(jié)。
2.2 液壓傳動工作原理和系統(tǒng)組成及特點
（1）液壓傳動的工作原理 液壓傳動是利用密閉系統(tǒng)中的受壓液體來傳遞運動和動力的一種傳動方式。液壓缸、油箱以及它們之間的連通油路構(gòu)成一個系統(tǒng)，里面充滿液壓油。放油閥關(guān)閉時，系統(tǒng)密閉。當(dāng)提起杠桿時，液壓缸的柱塞上移，其油腔密封容積增大，形成部分真空；此時單向閥封住通向液壓缸的油路，油箱中的油液在大氣壓的作用下經(jīng)過吸油管路推開單向閥進入液壓缸油腔，完成一次吸油。接著，壓下杠桿，液壓缸柱塞下移，其油腔密封容積減小，油液壓力升高，單向閥自動關(guān)閉，壓力油推開單向閥經(jīng)油路流入液壓缸內(nèi)。由于液壓缸油腔也是一個密閉的容積。所以進入的油液因受擠壓而產(chǎn)生的作用力就推動液壓缸的柱塞上升。并將重物(簧載質(zhì)量——轎車車身)向上頂起一段距離。這樣反復(fù)提、壓杠桿，就可以使重物不斷上升，達到起重的目的。將放油閥旋轉(zhuǎn)90度，在重物重力作用下，大油缸的油液排回油箱，柱塞可下降到原位置。
從上述例子中可以看出液壓傳動是以液體作為工作介質(zhì)來傳動的；它依靠密閉溶劑的變化傳遞運動，依靠液體內(nèi)部的壓力（由外界負載所引起）傳遞動力。液壓傳動裝置本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它先將機械能轉(zhuǎn)換為便于輸送的液壓能，隨后又將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能而做功。
（2）液壓傳動系統(tǒng)的組成，液壓缸活塞桿與汽車車廂鉸接。當(dāng)液壓泵運轉(zhuǎn)，換向閥中的閥芯處于相應(yīng)位置時，車廂舉傾機構(gòu)不工作，即液壓泵輸出的壓力油經(jīng)單向閥、換向閥中的油道及回油管返回油箱。由于液壓缸活塞上、下腔均與油箱連通，此時，液壓缸處于不工作狀態(tài)。
在外力作用下，推動換向閥芯右移，換向閥的油道與液壓泵供油路關(guān)閉。從液壓泵輸出的壓力油經(jīng)換向閥的油道進入液壓缸活塞下腔，推動液壓缸活塞上移，通過活塞桿實現(xiàn)車廂的舉升。
為了防止液壓系統(tǒng)過載，在液壓缸進油路上裝有限壓閥.當(dāng)系統(tǒng)油壓超過一定值時，限壓閥開啟，一部分壓力油通過限壓閥返回油箱，系統(tǒng)油壓則不再升高。
當(dāng)外力去除后，在換向閥芯左側(cè)彈簧力的作用下，換向閥芯返回到原來位置。此時，液壓缸活塞下腔通過換向閥與回油路連通。液壓缸活塞下腔壓力油返回油箱，車廂在自重作用下下降。
綜上所述，通?？梢詫⒁簤合到y(tǒng)分成以下四個組成部分。
1. 動力元件——液壓泵。把機械能轉(zhuǎn)換成液體液壓能的裝置。
2. 執(zhí)行元件——液壓缸、液壓馬達。把液體的液壓能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。
3. 控制元件——對系統(tǒng)中液體的壓力、流量或流動方向進行控制或調(diào)節(jié)的裝置。
4. 輔助元件——除上述三個部分以外的其他裝置。例如油箱、濾油器、油管、管接頭及密封件等。
5. 工作介質(zhì)——利用它進行能量和信號傳遞。
液壓傳動系統(tǒng)就是按機械的工作要求，選擇上述不同液壓元件，用管路將它們組合在一起，使之完成一定工作循環(huán)的整體。換向閥和限壓閥在制造時做成了一體結(jié)構(gòu)，可節(jié)省材料和空間，減少閥間連接油管，又稱組合閥。
液壓系統(tǒng)圖是用各液壓元件和管路的結(jié)構(gòu)簡圖表示的一種半結(jié)構(gòu)式的工作原理圖。它直觀性強，容易理解，但繪制起來比較麻煩。用反映各液壓元件功能的符號表示，并用通路連接起來組成的同一個液壓系統(tǒng)工作原理圖，使用這些圖形符號可使液壓系統(tǒng)圖簡單明了，便于繪制。
(3) 液壓傳動的特點 液壓傳動與其他傳動形式相比較，有以下特點。
1.功率密度（即單位體積所具有的功率）大，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕。
2.傳動平穩(wěn)，能實現(xiàn)無級調(diào)速，且調(diào)速范圍大。
3.液壓元件質(zhì)量輕、慣性矩小，變速性能好?？蓪崿F(xiàn)高頻率的換向，因而，在汽車電控系統(tǒng)中經(jīng)常用到與微電子技術(shù)結(jié)合組成的性能好、自動化程度高的傳動及控制系統(tǒng)，如汽車電控液力自動變速器、汽車制動防抱死系統(tǒng)、汽車制動力分配系統(tǒng)等。且控制、調(diào)節(jié)簡單，省力，操作方便。
4.傳動介質(zhì)為油液，液壓元件具有自潤滑作用，有利于延長液壓元件的使用壽命。同時，液壓傳動系統(tǒng)也易于實現(xiàn)自動過載保護。
5.液壓元件易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，有利于組織生產(chǎn)和設(shè)計。
但液壓傳動也有不足，如液壓傳動效率低，速比不如機械傳動準確，工作時受溫度影響較大，不宜在很高或很低的溫度條件下工作，液壓元件的制造精度要求較高，造價較高，液壓傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不易找出原因等。
2.3 主動懸架比例液壓系統(tǒng)方案設(shè)計
比例懸架設(shè)計，就是在被動懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝一個可以產(chǎn)生作用力的動力裝置，其二自由度模型如圖2.1所示。動力裝置由液壓油源、液壓缸和電液比例閥組成。最終構(gòu)成主動懸架比例液壓系統(tǒng)。
其系統(tǒng)作用過程為：路面有不平度輸入經(jīng)輪胎傳遞到非簧載質(zhì)量，然后再由經(jīng)懸架剛度與懸架阻尼傳遞到簧載質(zhì)量，使簧載質(zhì)量產(chǎn)生加速度；此時，液壓主動懸架控制系統(tǒng)通過加速度傳感器測得其加速度信號，再經(jīng)電荷放大器將所得電信號放大以使其與控制器的輸入電信號幅值（電壓或電流）相匹配；最后，由控制器對所測得的電信號按照事先設(shè)計好的控制規(guī)律進行處理，得到的對應(yīng)輸出控制量傳給比例閥，比例閥輸出相應(yīng)的流量來控制液壓缸，使其作出相應(yīng)的動作以改變簧載質(zhì)量的加速度，從而讓加速度在期望的范圍內(nèi)波動。理論上，這一動力裝置產(chǎn)生的作用力可根據(jù)需要在極短的時間內(nèi)由零變化到無窮大。但作用力越大、速度變化越快，需要液壓系統(tǒng)的工作壓力就越高，系統(tǒng)消耗的能量也就越大。之后控制器調(diào)節(jié)比例方向閥并產(chǎn)生信號調(diào)節(jié)液壓缸，控制其伸縮，以此來調(diào)節(jié)簧載質(zhì)量(汽車車身部分)主動改變車身高度。而對于阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)，在此系統(tǒng)里加裝阻尼控制執(zhí)行器，通過接受液壓缸伸縮傳遞的信號，對阻尼進行相應(yīng)的控制與調(diào)節(jié)。最后，關(guān)于車身剛度的調(diào)節(jié)在這里加裝蓄能器、直動式電磁閥、氣壓泵等相關(guān)組件，其中蓄能器一端接液壓缸一端接直動式電磁閥，氣壓泵用來壓縮空氣進入，直動式電磁閥調(diào)節(jié)空氣流量，也就是控制蓄能器中的空氣量與相應(yīng)壓力由此實現(xiàn)主動調(diào)節(jié)懸掛剛度的目的。
圖2.1 汽車主動懸架比例系統(tǒng)模型
——非簧載質(zhì)量；——簧載質(zhì)量；——輪胎剛度；——懸架彈簧剛度；——懸架阻尼系數(shù)；——作用力發(fā)生器(液壓缸)；——路面激勵位移；——非簧載質(zhì)量位移；——簧載質(zhì)量位移；——阻尼控制執(zhí)行器；——氣囊式蓄能器；——直動式蓄能器；——氣壓泵
2.4 本章小結(jié)
本章主要是對主動懸架比例液壓系統(tǒng)進行整體設(shè)計，其內(nèi)容包括主動懸架的組成與選取、液壓傳動系統(tǒng)的工作原理概述以及相關(guān)部件組成的確定與選取。由此章可實現(xiàn)對主動懸架比例液壓系統(tǒng)的控制，從而達到控制車身高度、阻尼以及剛度的目的。
第3章 主動懸架比例液壓系統(tǒng)基本計算
3.1 系統(tǒng)基本計算
假設(shè)基于車輛模型的某轎車主動懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：，，，，。
設(shè)計懸架液壓系統(tǒng)時，根據(jù)工程實際提出的技術(shù)要求為：執(zhí)行器頻寬為15～20Hz，行程；活塞桿最大隨動速度V0.4m/s。設(shè)定雙活塞桿液壓缸輸出的最大作用力為6000N、液壓缸的最大伸出速度為V0.5m/s、液壓缸有效行程為、液壓缸內(nèi)徑為63mm，活塞桿直徑為40mm、液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)C0、有效體積彈性系數(shù)，則可計算出液壓缸工作面積：
負載工作壓力：
系統(tǒng)所需流量：
考慮系統(tǒng)流量損耗，設(shè)定系統(tǒng)流量為20L/min，則液壓缸工作容積：
液壓缸——負載固有頻率：
工程設(shè)計實踐證明，f<4Hz只適合于靜態(tài)系統(tǒng)。f>4Hz時，動態(tài)特性較好，由此可見液壓缸尺寸選擇是合適的。
3.2 蓄能器的設(shè)計與計算
本系統(tǒng)選擇折合型蓄能器，功用是吸收沖擊(波紋型)，傳送異性液體，最高工作壓力2MPa，其特點是空氣與油隔離，油不易氧化，尺寸小，重量輕，反應(yīng)靈敏，充氣方便。
系統(tǒng)壓力，效率，氣缸力。
則空氣氣缸內(nèi)徑為：
查《機械設(shè)計手冊》，取標準缸徑。
驗算氣缸力的大小：
3.3 彈簧的設(shè)計與校核
在考慮安裝空間的限制和性能要求的條件下，對懸架系統(tǒng)的螺旋彈簧進行尺寸上的具體分析，首先，螺旋彈簧材料選用(60硅鉻釩鋼)，屬第一類彈簧，許用切應(yīng)力為。
根據(jù)安裝空間，取螺旋彈簧中徑為，螺旋彈簧的直徑為，則有：
旋繞比為(一般取值為6～10之間)
彈簧的曲度系數(shù)為
彈簧圈數(shù)為圈
彈簧靜撓度
路面譜幅值取最大值即時，彈簧所承受載荷最大，其值為。
根據(jù)公式對彈簧進行校核計算為：
，經(jīng)校核證明彈簧是符合要求的。
彈簧的最大壓縮變形量
間距為
彈簧高度為:
為保證彈簧的穩(wěn)定，彈簧的高徑比不應(yīng)超過許用值，故需進行驗證:，所以滿足要求。
圖3.1螺旋彈簧模型 圖3.2 螺旋彈簧的端部結(jié)構(gòu)
3.4 減振器的結(jié)構(gòu)類型與主要參數(shù)的選擇
減振器的功能是吸收懸架垂直振動的能量，并轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使振動迅速衰減。以前曾經(jīng)使用過的名稱“避震器”容易引起誤會，以為減振器可以緩和沖擊，實際上緩和沖擊靠的是懸架彈性原件及輪胎的彈性變形。
減振器大體上可以分為兩大類，即摩擦式減振器和液力減振器。摩擦式減振器利用兩個緊壓在一起的盤片之間相對運動時的摩擦力提供阻尼。由于庫倫摩擦力隨相對運動速度的提高而減小，并且很容易受油、水等的影響，無法滿足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價低、易調(diào)整等優(yōu)點，但現(xiàn)代汽車上已不再采用這類減振器。液力減振器首次出現(xiàn)于1901年，其兩種主要的結(jié)構(gòu)形式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減振器相比，搖臂式減振器的活塞行程要短得多，因此其工作油壓可高達15～30MPa，而筒式減振器只有2.5～5MPa。筒式減振器的質(zhì)量僅為搖臂式的約1/2，并且制造方便，工作壽命長，因而現(xiàn)代汽車幾乎都采用筒式減振器。
筒式減振器最常用的三種結(jié)構(gòu)型式包括：雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式，本文采用雙筒式液力減振器。
雙筒式液力減振器：
圖3.3雙筒式減振器工作原理圖
1——活塞；2——工作缸筒；3——貯油缸筒；4——底閥座；5——導(dǎo)向座；6——回流孔活塞桿；7——油封；8——防塵罩；9——活塞
雙筒式液力減振器的工作原理如圖3.3所示。其中A為工作腔，C為補償腔，兩腔之間通過閥系連通，當(dāng)汽車車輪上下跳動時，帶動活塞1在工作腔A中上下移動，迫使減振器液流過相應(yīng)閥體上的阻尼孔，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌簟＼囕喯蛏咸鴦蛹磻壹軌嚎s時，活塞1向下運動，油液通過閥Ⅱ進入工作腔上腔，但是由于活塞桿9占據(jù)了一部分體積，必須有部分油液流經(jīng)閥Ⅳ進入補償腔C；當(dāng)車輪向下跳動即懸架伸張時，活塞1向上運動，工作腔A中的壓力升高，油液經(jīng)閥Ⅰ流入下腔，提供大部分伸張阻尼力，還有一部分油液經(jīng)過活塞桿與導(dǎo)向座間的縫隙由回流孔6進入補償腔，同樣由于活塞桿所占據(jù)的體積，當(dāng)活塞向上運動時，必定有部分油液經(jīng)閥Ⅲ流入工作腔下腔。減振器工作過程中產(chǎn)生的熱量靠貯油缸筒3散發(fā)。減振器的工作溫度可高達120℃，有時甚至可達200℃。為了提供溫度升高后油液膨脹的空間，減振器的油液不能加得太滿，但一般在補償腔中油液高度應(yīng)達到缸筒長度的一半，以防止低溫或減振器傾斜的情況下，在極限伸張位置時空氣經(jīng)油封7進入補償腔甚至經(jīng)閥Ⅲ吸入工作腔，造成油液乳化，影響減振器的工作性能。
減振器的特性可用圖所示的示功圖和阻尼力-速度曲線描述。減振器特性曲線的形狀取決于閥系的具體結(jié)構(gòu)和各閥開啟力的選擇。一般而言，當(dāng)油液流經(jīng)某一給定的通道時，其壓力損失由兩部分構(gòu)成。其一為粘性沿程阻力損失，對一般的湍流而言，其數(shù)值近似地正比于流速。其二為進入和離開通道時的動能損失，其數(shù)值也與流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影響由于油液粘性隨溫度的變化遠比密度隨溫度的變化顯著。因而在設(shè)計閥系時若能盡量利用前述的第二種壓力損失，則其特性將不易受油液粘性變化的影響，也即不易受油液溫度變化的影響。不論是哪種情形，其阻力都大致與速度的平方成正比，如圖所示。
圖3.3減振器的特性示功圖
圖中曲線A所示為在某一給定的A通道下阻尼力F與液流速度v的關(guān)系，若與通道A并聯(lián)一個直徑更大的通道B，則總的特性將如圖中曲線A+B所示，如果B為一個閥門，則當(dāng)其逐漸打開時，可獲得曲線A與曲線A+B間的過渡特性。恰當(dāng)選擇A、B的孔徑和閥的逐漸開啟量，可以獲得任何給定的特性曲線。閥打開的過程可用三個階段來描述，第一階段為閥完全關(guān)閉，第二階段為閥部分開啟，第三階段為閥完全打開。通常情況下，當(dāng)減振器活塞相對于缸筒的運動速度達到0.1m/s時閥就開始打開，完全打開則需要運動速度達到數(shù)米每秒。
3.5 本章小結(jié)
本章節(jié)主要是對主動懸架比例液壓系統(tǒng)進行系統(tǒng)計算，以確定液壓缸工作面積、負載工作壓力及系統(tǒng)所需流量等數(shù)據(jù)，并對相關(guān)元件彈簧、減振器等進行設(shè)計計算以及選取。
第4章 液壓系統(tǒng)工作裝置設(shè)計
4.1液壓缸
液壓缸是液壓傳動系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，他是把液壓能轉(zhuǎn)換成機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是直線速度和力。
4.2 液壓缸的類型
為滿足各種主機的不同用途，液壓缸有多種類型。
按照結(jié)構(gòu)形式分有活塞缸、柱塞缸、擺動缸三大類，活塞缸和柱塞缸實現(xiàn)往復(fù)直線運動，輸出速度和推力，擺動缸則實現(xiàn)往復(fù)擺動，輸出角速度（轉(zhuǎn)速）和轉(zhuǎn)矩。
按照作用方式不同又可以分為單作用缸和雙作用缸。
另外，按缸的特殊用途分，可分為串聯(lián)缸、增壓缸、增速缸、步進缸等。
4.3 液壓缸的結(jié)構(gòu)
缸體組件
缸體組件與活塞組件構(gòu)成密封的容腔，承受油壓。因此缸體組件要有足夠的強度、較高的表面精度和可靠的密封性。缸體組件指的是缸筒與缸蓋，其使用材料、連接方式與工作壓力有關(guān)，當(dāng)工作壓力<10MPa時使用鑄鐵缸筒，當(dāng)工作壓力10MPa<20MPa時使用無縫鋼管，20MPa時使用鑄鋼或鍛鋼。
采用法蘭連接，結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、連接可靠，但要求缸筒端部有足夠的壁厚，用以安裝螺栓或旋入螺釘。缸筒端部一般用鑄造、鐓粗或焊接方式制成粗大的外徑。采用半環(huán)連接，工藝性好、連接可靠、結(jié)構(gòu)緊湊，但削弱了缸筒強度。這種連接常用于無縫鋼管缸筒與缸蓋的連接中。采用螺紋連接，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，但缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用于無縫鋼管或鑄鋼的缸筒上。拉桿連接結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、通用性強，但端蓋的體積和重量較大，拉桿受力后會變形，影響密封效果，適用于長度較小的中低壓缸。焊接式連接強度高、制造簡單、但焊接時易引起缸筒變形，且無法拆卸。
活塞組件
活塞組件由活塞、活塞桿和連接件等組成。活塞一般用耐磨鑄鐵制造，活塞桿不論空心的和實心的，大多用鋼料制造?；钊突钊麠U的連接方式很多，但無論采用哪種連接方式，都必須保證連接可靠。整體式和焊接式活塞結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸緊湊，但損壞后需整體更換。錐銷式連接加工容易、裝配簡單，但承載能力小，且需要有必要的防止脫落措施。螺紋式連接結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便，但需備有螺母防松裝置。半環(huán)式連接強度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝拆不便。
密封裝置的作用是用來阻止有壓工作介質(zhì)的泄露；防止外界空氣、灰塵、污垢與異物的侵入。其中起密封作用的元件稱密封件。通常在液壓系統(tǒng)或元件中，存在工作介質(zhì)的內(nèi)泄漏和外泄漏，內(nèi)泄漏會降低系統(tǒng)的容積效率，惡化設(shè)備的性能指標，甚至無法正常工作。外泄導(dǎo)致流量減少，不僅污染環(huán)境，有可能引起火災(zāi)，嚴重時還可能引起設(shè)備故障和人身事故。系統(tǒng)中若侵入空氣，就會降低工作介質(zhì)的彈性模量，產(chǎn)生氣穴，有可能引起振動和噪聲灰塵和異物既會堵塞小孔和縫隙，又會增加液壓缸中相互運動件之間的摩擦磨損，降低使用壽命，并且加速了內(nèi)外泄漏。所以為了保證液壓設(shè)備工作的可靠性及提高工作壽命，密封裝置與密封件不容忽視。液壓缸的密封主要指活塞、活塞桿處的動密封和缸蓋等處的靜密封。常用的密封方法如下。
(1)間隙密封
這是依靠兩運動件配合面之間保持一很小的間隙，使其產(chǎn)生液體摩擦阻力來防止泄漏的一種方法。用該方法密封，只適用于直徑較小、壓力較低的液壓缸與活塞間密封。間隙密封屬于非接觸式密封，它是靠相對運動件配合面之間的微小間隙來防止泄漏，實現(xiàn)密封，見圖，常用于柱塞式液壓泵(馬達)中柱塞和缸體配合、圓柱滑閥的摩擦副的配合中。通常在閥芯的外表面開幾條等距離的均壓槽，其作用是對中性好，減小液壓卡緊力，增大密封能力，減輕磨損。均壓槽寬度為(0.3～0.5)mm，深(0.5～1)mm，其間隙值可取(0.02～0.05)mm。這種密封摩擦阻力小，結(jié)構(gòu)簡單，但磨損后不能自動補償。
(2)密封圈密封
①O形密封圈 O形密封圈是由耐油橡膠制成的截面為圓形的圓環(huán)，它具有良好的密封性能，且結(jié)構(gòu)緊湊，運動件的摩擦阻力小，裝卸方便，容易制造，價格便宜，故在液壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。圖為其外形圖，圖為裝入密封溝槽的情況，、是O形圈裝配后的預(yù)壓縮量，通常用壓縮率表示，即=[(d-h)/d]×100%，對于固定密封、往復(fù)運動密封和回轉(zhuǎn)運動的密封，應(yīng)分別達到(15～20)% 、(10～20)%和(5～10)%，才能取得滿意的密封效果。當(dāng)油液工作壓力大于10MPa時，O形圈在往復(fù)運動中容易被油液壓力擠入間隙而過早損壞[圖]，為此需在O形圈低壓側(cè)設(shè)置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈，其厚度為1.25～2.5mm。雙向受壓時，兩側(cè)都要加擋圈。
②V形密封圈 V形密封圈的形狀如圖所示，它由純耐油橡膠或多層夾織物橡膠壓制而成，通常由支承環(huán) 、密封環(huán)和壓環(huán)組成。當(dāng)壓環(huán)壓緊密封環(huán)時，支撐環(huán)使密封環(huán)產(chǎn)生變形而起密封作用。當(dāng)工作壓力高于10MPa時，可增加密封環(huán)的數(shù)量，提高密封效果。安裝時，密封環(huán)的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。V形圈密封性能良好，耐高壓，壽命長。通過調(diào)節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果，但V形密封裝置的摩擦阻力及結(jié)構(gòu)尺寸較大，主要用于活塞組件的往復(fù)運動。它適宜在工作壓力為＜50MPa、溫度為-40～+80℃的條件下工作。
③Y形密封圈 Y形密封圈屬唇形密封圈，其截面為Y形，主要用于往復(fù)運動的密封。是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好、摩擦阻力小、壽命較長的密封圈，故應(yīng)用也很普遍。Y形圈的密封作用依賴于它的唇邊對偶合面的緊密接觸，并在壓力油作用下產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，達到密封目的。當(dāng)液壓力升高時，唇邊與偶合面貼得更緊，接觸壓力更高，密封性能更好。Y形圈根據(jù)截面長寬比例不同分寬斷面和窄斷面兩種形式。一般適用于工作壓力20MPa、工作溫度-30～+100℃、速度0.5m/s的場合。
目前液壓缸中普遍使用窄斷面小Y形密封圈，它是寬斷面的改型產(chǎn)品，截面的長寬比在2倍以上，因而不易翻轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性好。它有等高唇Y(jié)形圈和不等高唇Y(jié)形圈兩種，后者又有軸用密封圈[圖]和孔用密封圈[圖]。其短唇與密封面接觸，滑動摩擦阻力小，耐磨性好，壽命長；長唇與非運動表面有較大的預(yù)壓縮量，摩擦阻力大，工作時不串動，一般適用于在工作壓力32MPa、使用溫度為-30～+100℃的條件下工作。
液壓缸高壓腔中的油液向低壓腔泄露稱為內(nèi)泄漏，液壓缸中的油液向外部泄漏稱為外泄漏。由于存在內(nèi)泄漏和外泄漏，使液壓缸的容積效率降低，從而影響其工作性能；嚴重時使系統(tǒng)壓力上不去，甚至無法工作，且外泄漏還會污染環(huán)境，因此為了防止泄漏，液壓缸中需要密封的地方必須采取相應(yīng)的密封裝置。
緩沖裝置
當(dāng)運動件的質(zhì)量較大，運動速度較高(>0.2m/s)時，由于慣性力較大，具有很大的動量。在這種情況下，活塞運動到缸筒的終端時，會與端蓋發(fā)生機械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲，嚴重影響運動精度，甚至?xí)鹗鹿?，所以在大型、高速或高精度的液壓設(shè)備中，常設(shè)有緩沖裝置。
緩沖裝置的工作原理：利用活塞或缸筒在其走向行程終端時，在活塞和缸蓋之間封住一部分油液，強迫它從小孔或縫隙中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動逐漸減慢運動速度，達到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。
(1) 固定節(jié)流緩沖
如圖是縫隙節(jié)流，當(dāng)活塞移動到其端部時，其上的凸臺進入缸蓋的凹腔，將封閉在回油腔中的油液從凸臺和凹腔之間的環(huán)狀縫隙中擠壓出去，從而造成背壓，迫使運動活塞降速制動，實現(xiàn)緩沖。這種緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡單，緩沖效果好，但沖擊壓力較大。
(2) 可變節(jié)流緩沖
可變節(jié)流緩沖油缸有多種形式，有在緩沖柱塞上開三角槽的，有多油孔的，還有其他一些可變節(jié)流緩沖油缸。其特點是在緩沖過程中，節(jié)流口面積隨著緩沖行程的增大而逐漸減小，緩沖腔中的壓力幾乎保持不變。圖在活塞上開有橫截面為三角形的軸向斜槽，當(dāng)活塞移近液壓缸缸蓋時，活塞與缸蓋間的油液需經(jīng)三角槽流出，從而在回油腔中形成背壓，達到緩沖的目的。
(3) 可調(diào)節(jié)流緩沖
在缸蓋中裝有針形節(jié)流閥1和單向閥2。當(dāng)活塞移近缸蓋時，凸臺進入凹腔，由于它們之間間隙較小，所以回油腔中的油液只能經(jīng)節(jié)流閥流出，從而在回油腔中形成背壓，達到緩沖的目的。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口大小，就能調(diào)節(jié)制動速度。
排氣裝置
一般利用空氣密度較油輕的特點，在液壓缸內(nèi)腔的最高部位設(shè)置排氣孔或?qū)ｉT的排氣裝置。
采用排氣塞和排氣閥：當(dāng)松開排氣閥螺釘時，帶著空氣的油液便通過錐面間隙經(jīng)小孔溢出，待系統(tǒng)內(nèi)氣體排完后，便擰緊螺釘，將錐面密封；也可在缸蓋的最高部位處開排氣孔，用長管道向遠處排氣閥排氣。所有的排氣裝置都是按此基本原理工作。
4.4 液壓缸的基本參數(shù)確定與設(shè)計計算
1.工作負載與液壓缸推力
液壓缸的工作負載是指工作機構(gòu)在滿負載荷情況下，以一定速度起動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即
式中——工作機構(gòu)的負載、自重等對液壓缸產(chǎn)生的作用力，??；
——工作機構(gòu)在滿負載下起動時的靜摩擦力(水平)，，其中G為運動部件重力，F(xiàn)為工作負載在導(dǎo)軌上的垂直分力，通常=0.1～0.2,取=0.15；
F ——工作機構(gòu)滿負載起動時的慣性力，F(xiàn)=ma=10kg×0.5m/s=5N，其中m為運動部件質(zhì)量(kg)；a為運動部件的加速度(m/s)；
求得
2.缸筒內(nèi)徑及活塞桿直徑
缸筒內(nèi)徑即活塞外徑，為液壓缸的主要參數(shù)，可根據(jù)以下原則確定。
按推力F計算缸筒內(nèi)徑D 在液壓系統(tǒng)給定的工作壓力p后(設(shè)回油背壓為零)，應(yīng)滿足以下關(guān)系式
式中 A——液壓缸的有效工作面積；
p——液壓缸的工作壓力，由液壓系統(tǒng)設(shè)計時給定(設(shè)回油壓力為零)，取p=7Mpa；
——液壓缸機械效率，一般取=0.95；
求得 A===2036.65mm
表4.1 活塞桿直徑的選取
活塞桿受力情況
工作壓力p/MPa
活塞桿直徑d
受 拉
-
d=(0.3～0.5)D
受壓及拉
d=(0.5～0.55)D
受壓及拉
d=(0.6～0.7)D
受壓及拉
d=0.7D
因為p=7MPa，取d=0.62D
由有活塞桿腔A=π(D-d)/4
求得=64.92mm
液壓缸的缸筒內(nèi)徑D及活塞桿直徑d是根據(jù)負載大小F和預(yù)選定的工作壓力p，按有關(guān)計算公式計算之后，再從標準GB/T2348-1993(見表)中規(guī)定的系列，選取合適的標準值圓整而得到
表4.2 缸筒內(nèi)徑D的系列(GB/T2348-1993)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
500
-
表4.3 活塞桿直徑d系列(GB/T2348-1993)
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
-
-
-
-
油表確定
3.最小導(dǎo)向長度的確定
當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度H(圖)。如果導(dǎo)向長度過小，將使液壓缸的初始撓度(間隙引起的撓度)增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計時必須保證有一定的最小導(dǎo)向長度。
對一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度H應(yīng)滿足以下要求
+
式中 L——液壓缸的最大行程，取L=200mm；
D——缸筒內(nèi)徑；
求得+=+=41.5mm,取
活塞的寬度，一般取(0.6～1.0)，在這里?。粚?dǎo)向套滑動面的長度A，在時取(0.6～1.0)，在時取(0.6～1.0),在這里取。為保證最小導(dǎo)向長度，過分增大A和B都是不適宜的。必要時可在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔套(圖中零件K)，隔套的長度C由需要的最小導(dǎo)向長度H決定，即
求得
4.結(jié)構(gòu)強度計算與穩(wěn)定校核
(1)缸筒外徑
缸筒內(nèi)徑確定后，由強度條件計算壁厚；然后求出缸筒外徑D。
當(dāng)缸筒壁厚與內(nèi)徑D的比值小于0.1時，稱為薄壁缸筒，壁厚按材料力學(xué)薄壁圓筒公式計算
式中 ——液壓缸的最大工作壓力；
——缸筒材料的抗拉強度極限，取=300MPa；
——安全系數(shù)，一般取5；
[]——活塞桿材料的許用應(yīng)力，[]=。
求得≥===3.68mm,取=4.5mm
缸筒壁厚確定之后，即可求出液壓缸的外徑
求得
6. 液壓缸的穩(wěn)定性驗算
按速比要求初步確定活塞桿直徑后，還必需滿足液壓缸的穩(wěn)定性及其強度要求。
(1)液壓缸的穩(wěn)定性驗算 按材料力學(xué)的理論，一根受壓的直桿，在其軸向負載F超過穩(wěn)定臨界力F時，即失去原有直線狀態(tài)下的平衡，稱為失穩(wěn)。對液壓缸，其穩(wěn)定條件為
式中 ——液壓缸的最大推力，；
——液壓缸的穩(wěn)定臨界力；
——穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取=2～4。
液壓缸的穩(wěn)定臨界力F值與活塞桿和缸體的材料、長度、剛度及其兩端支承狀況等因素有關(guān)。當(dāng)大于10時要進行穩(wěn)定性驗算。
當(dāng)=>時由歐拉公式計算
式中 ——活塞桿的柔性系數(shù)；
——長度折算系數(shù)，取決于液壓缸的支承狀況，見表；
——活塞桿材料的縱向彈性模量，對鋼材，E=2.1×10Pa；
——活塞桿斷面的最小慣性矩，=·==
=3.925；
——柔性系數(shù)，由表選??；
——活塞桿橫斷面的回轉(zhuǎn)半徑，，其中A為斷面面積。
當(dāng)時，屬于中柔度桿，按雅辛斯基公式驗算
式中 、——與活塞桿材料有關(guān)的系數(shù)，見表；
——柔性系數(shù)，由表選取；
——活塞桿斷面面積。
(2)當(dāng)時，活塞桿的強度驗算 本文所討論的液壓缸，，，故滿足此穩(wěn)定性驗算條件 當(dāng)活塞桿受純壓縮或純拉伸時
式中 ——空心活塞桿內(nèi)徑，對實心桿，；
——活塞桿材料的許用應(yīng)力，，為材料的屈服點，安全系數(shù)～。
求得
4.5 本章小結(jié)
液壓缸是液壓系統(tǒng)的核心部分，本章節(jié)是對液壓系統(tǒng)工作裝置——液壓缸進行的全方位的設(shè)計，主要包括：液壓缸類型的選取、結(jié)構(gòu)的確定以及基本參數(shù)的確定和系統(tǒng)設(shè)計計算，從而確定最適合本液壓系統(tǒng)的液壓缸。
第5章 液壓系統(tǒng)各元件的選用
5.1 液壓控制閥
5.1.1液壓控制閥機理
在液壓系統(tǒng)中，為了保證執(zhí)行機構(gòu)能按設(shè)計要求安全可靠地工作，必須對液壓系統(tǒng)中的油液在方向、流量和壓力上進行控制，這些實施控制的元件稱為液壓控制閥。按其用途不同分為方向控制閥、流量控制閥和壓力控制閥三大類。
一個液壓系統(tǒng)，不論其復(fù)雜程度如何，總是由一些完成一定功能的基本液壓回路組成。而液壓回路主要是由各種液壓控制閥按一定需要組合而成。由于選擇的液壓控制閥不同或組合方式不同，回路的性能也不盡相同。
5.1.2 電液比例控制閥
壓力控制閥和流量控制閥，其壓力和流量都是手動調(diào)節(jié)的。隨著自動化的發(fā)展，近十幾年研制出一種新型的液壓控制閥——電液比例控制閥。電液比例控制閥是一種按輸入的電氣信號連續(xù)地、按比例地對液壓油的壓力、流量或方向進行遠距離控制的閥，比例閥一般都具有壓力補償性能，所以它的輸出壓力和流量可以不受負載變化的影響。與手動調(diào)節(jié)的普通液壓閥相比，電液比例控制閥能夠提高液壓系統(tǒng)參數(shù)的控制水平。電液比例控制閥結(jié)構(gòu)簡單、成本低，所以它廣泛應(yīng)用于要求對液壓參數(shù)進行連續(xù)控制，但對控制精度和動態(tài)特性要求不太高的液壓系統(tǒng)中。
電液比例控制閥的構(gòu)成，從原理上講相當(dāng)于在普通液壓閥上，裝上一個比例電磁鐵以代替原有的控制（驅(qū)動）部分。根據(jù)用途和工作特點的不同，電液比例控制閥可以分為電液比例壓力閥、電液比例流量閥和電液比例方向閥三大類。基于它的以上優(yōu)點，并考慮到其用途，我們故采用電液比例方向閥對主動懸架的剛度和阻尼進行調(diào)節(jié)，同時能實現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)。
用比例電磁鐵取代電磁換向閥中的普通電磁鐵，便構(gòu)成直動型比例方向閥。由于電液比例換向閥不僅能控制方向，還有控制流量的功能，故又稱其為比例方向節(jié)流閥。如圖6所示為帶位移傳感器的直動性比例方向節(jié)流閥。由于使用了比例電磁鐵，閥芯不僅可以換位，而且換位的行程可以連續(xù)地或按比例地變化，因而連通油口間的流通面積也可以連續(xù)地或按比例地變化，所以比例方向節(jié)流閥不僅能控制執(zhí)行元件的運動方向，而且能控制其速度。
本系統(tǒng)不僅要求控制方向，而且要求控制流量，并且動態(tài)性能要求較高，所以選用了博世型號為0811404036的高性能比例方向控制閥。該閥額定流量Q =40L/min、最大輸入電流Imax=2.7A、配套放大器輸入信號U=0～±10V、滯環(huán)0.2%、重復(fù)誤差0.1%、溫漂1%。
從產(chǎn)品樣本的控制特性曲線中，計算流量增益K時，K通常已包含比例放大器增益K，這時對應(yīng)的量綱為m /s·V。由于電液比例系統(tǒng)中的系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)，可利用電子放大器的增益來調(diào)整，對比例閥流量的增益要求也就不太嚴格了。為此，這里的取值情況如下；K==6.67×10m/s·V；
比例方向閥的阻尼比取值范圍為0.5～0.7，取為0.7；比例方向閥的相頻寬=2π60Hz=2×3.14×60=376.8rad/s；比例方向閥的流量-壓力系數(shù)K=1.3×10m/N·s。
5.2 液壓泵
5.2.1 液壓泵的功用
液壓泵是液壓系統(tǒng)的能源裝置，其功用是將原動機(電動機或內(nèi)燃機)產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能，并輸出具有一定壓力的油液。
5.2.2 容積式液壓泵的基本工作原理
1——凸輪；2——柱塞；3——缸體；4——彈簧；5——密封工作腔；6——吸油閥；7——壓油閥；8——油箱；
圖5.1液壓泵的基本工作原理簡圖
液壓系統(tǒng)中使用的液壓泵都是容積式的。圖5.1所示為容積式液壓泵的基本工作原理簡圖。帶有偏心的凸輪1(轉(zhuǎn)子)由原動機帶動旋轉(zhuǎn)時，柱塞2(擠子)因受凸輪