車用減震器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與仿真分析

鄭坤，劉鑫爽，宛東

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545000）

從現(xiàn)有減振器內(nèi)部油液流場來看，壓力突變總是出現(xiàn)在閥片開口處，致使閥片受力不均勻易發(fā)生疲勞斷裂，甚至可能危害到減振器整體的使用情況，為了避免這種情況的發(fā)生，需要我們設(shè)計人員對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過我們對薄壁小孔計算公式的分析可知，可以通過增加油液的流通通道路徑的方式改變其油液通流面積達(dá)到減小上下兩腔室的壓差，這樣既不會像細(xì)長孔那樣隨溫度升高致使壓差降低過大，又不會使閥片產(chǎn)生損傷。原減振器活塞孔的設(shè)計是無階梯狀的對稱直通孔，為了對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，我們使其油液流通通道的體積保持不變，僅改變其流通面積與流通通道形狀，建立了以下活塞改進(jìn)后的模型，我們采取了增大油液的流通面積及使用階梯孔。其改進(jìn)前后模型對比如圖1~2所示。

圖1 活塞結(jié)構(gòu)改進(jìn)前模型

圖2 活塞結(jié)構(gòu)改進(jìn)后模型

通過減振器內(nèi)部油液流場的仿真，我們可以分析其內(nèi)特性，以及不同部位對阻尼特性的影響，采用與上述同樣的仿真方法、網(wǎng)格劃分方法以及各項入口及出口處的邊界條件。通過仿真可得各個速度段的壓力云圖與速度矢量圖，如圖3~5所示。

圖3 活塞改進(jìn)后阻尼閥在速度為0.05m/s時的壓力云圖

圖4 活塞改進(jìn)后阻尼閥在速度為0.26m/s時的壓力云圖

由圖3~5的仿真結(jié)果，我們可以根據(jù)油液在此結(jié)構(gòu)中不同的流通階段分別對其狀態(tài)進(jìn)行分析：

（1）減振油液由復(fù)原腔室流至活塞阻尼通孔處：根據(jù)各仿真速度段的壓力云圖，我們可以清晰的發(fā)現(xiàn)當(dāng)減振油液流至活塞階梯通孔處出現(xiàn)了壓力突變，通過此處減振器同樣可以吸收一部分振動能量，由相應(yīng)位置處的速度矢量圖得知，隨著油液不斷流入活塞階梯通孔，由于其油液的流通面積驟然減小致使油液改變了原來的流通方向，使得其在活塞通孔處的流速出現(xiàn)了明顯的突變，而且還伴有小的漩渦出現(xiàn)，并且隨著入口速度的不斷增大，其突變越來越明顯。

（2）減振油液經(jīng)活塞阻尼通孔流至復(fù)原閥片處：隨著油液不斷的流入復(fù)原腔室的壓力不斷增大，雖然活塞階梯通孔處通過活塞階梯彎道與活塞壁面做功吸收了一些振動能量，但油液還是需要沖開復(fù)原閥片進(jìn)行泄壓吸能的，依據(jù)壓力云圖可得減振油液在階梯彎道中流通時壓力梯度的變化情況，結(jié)合其速度矢量圖綜合分析可知，在油液流至閥片開口處壓力達(dá)到最小，但是其油液流動速度最大，相應(yīng)位置處的壓力速度突變最明顯，我們通過保證油液流通體積不變的情況下對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，相應(yīng)的增加了油液對活塞閥片的沖擊面積，使活塞閥片受力形成了均勻的圓環(huán)形，更利于閥片及減振器的使用壽命。進(jìn)一步說明采取此類結(jié)構(gòu)改進(jìn)的正確性。

（3）減振油液由阻尼閥片處流至壓縮腔室：油液通過以上兩處其振動的機械能已基本被消耗，流過節(jié)流閥片后雖然同樣有流通面積的突變，但是壓力和速度的減小并不像上兩處那么劇烈，這也就間接說明此時減振器做功吸能的行程已基本結(jié)束，隨著流通面積的不斷增大其壓力逐漸趨于平衡，但是由于活塞階梯通孔數(shù)量的增加使得油液流過閥片后對壓縮腔室油液的擾動有所加強，油液產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象加重，但也隨著做功行程的結(jié)束逐漸平息。

根據(jù)以上對各個仿真階段的分析得出結(jié)論，通過對減振器活塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，即在保證油液流通體積不變的情況下，改變閥片的受力位置、受力面積以及活塞內(nèi)部油液流通通道的階梯數(shù)，使活塞及閥片在各個運行速度階段內(nèi)均有較好的阻尼特性，大大改善了汽車減振性能。

根據(jù)以上各速度段的壓力仿真數(shù)值，利用復(fù)原阻尼力的計算公式，我們可以輕松得到活塞結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的仿真復(fù)原阻尼力值得大小，如表1所示。

表1 活塞結(jié)構(gòu)改進(jìn)后仿真數(shù)據(jù)

綜上所述，本文通過介紹減振器一些結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則及制約條件，通過對比改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)形式，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并且運用仿真方法對改進(jìn)后的模型進(jìn)行流體仿真，并結(jié)合仿真結(jié)果圖詳細(xì)分析了結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的活塞受力及速度變化的情況，為下一步的實驗驗證提供仿真數(shù)據(jù)參考依據(jù)。