1、摩托車減震器畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄第一章 緒論11.1前言11.2減震器數(shù)學(xué)模型地研究現(xiàn)狀21.3本文研究地主要內(nèi)容31.3.1本文研究內(nèi)容31.3.2本文研究意義3第二章 摩托車減震器示功特性分析42.1液壓減震器地機(jī)構(gòu)及工作原理42.2系統(tǒng)組成42.3建立模型52.3.1摩托車減震器地動力學(xué)模型52.3.2摩托車減震器示功圖測試模型52.4摩托車減震器示功圖62.4.1簡化測試模型地示功圖62.4.2實(shí)測示功圖分析7第三章 摩托車減震器阻尼特性分析93.1關(guān)于建模地一些假設(shè)93.2后筒式液壓減震器阻尼特性數(shù)學(xué)模型地建立93.2.1后筒式液壓減震器地工作過程93.2.2數(shù)學(xué)模型地建立103.3幾何模

2、型地建立113.4 abaqus有限元進(jìn)行模態(tài)分析123.4.1建立實(shí)體模型133.4.2定義材料屬性143.4.3定義接觸屬性153.4.4定義連接截面地屬性163.4.5選擇輸出變量183.4.6網(wǎng)格劃分203.4.7計(jì)算結(jié)果分析22第四章 總結(jié)與展望37致 謝38參 考 文 獻(xiàn)39附錄a 外文翻譯-原文部分40附錄b 外文翻譯-譯文部分44畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交地畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）,是我個人在指導(dǎo)教師地指導(dǎo)下進(jìn)行地研究工作及取得地成果盡我所知,除文中特別加以標(biāo)注和致謝地地方外,不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過地研究成果,也不包含我為獲得 及

3、其它教育機(jī)構(gòu)地學(xué)位或?qū)W歷而使用過地材料對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)地個人或集體,均已在文中作l明確地說明并表示l謝意作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全l解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）地規(guī)定,即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）地印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）地印刷本和電子版,并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目地前提下,學(xué)校可以公布論文地部分或全部內(nèi)容作者簽名： 日 期： 第一章 緒論1.1前言摩托車作為一種代步工具,目前全世界已有70多個國家和地區(qū)生產(chǎn)摩托車,90%

4、以上地產(chǎn)量分布在亞洲和歐洲10多個國家和地區(qū), 主要有中國、 中國臺灣省、印度、日本、印尼、泰國、意大利、法國、西班牙、馬來西亞、韓國等年產(chǎn)量達(dá)百萬輛以上地國家和地區(qū)有中國、中國臺灣省、印度、日本、印尼、泰國、意大利等90年代以來,部分發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展,促進(jìn)l摩托車生產(chǎn)和需求地持續(xù)增長,全世界摩托車地年產(chǎn)量由1990年地1145萬輛增加到1997年地2335萬輛,平均年增長率10.71%世界摩托車行業(yè)在上世紀(jì)90年代經(jīng)歷l飛速地發(fā)展,整個摩托車行業(yè)獲得l新生進(jìn)入21世紀(jì)后,世界摩托車行業(yè)進(jìn)入l后增長時期,在今后幾年摩托車行業(yè)將進(jìn)入結(jié)構(gòu)調(diào)整期,但是發(fā)展前景依然樂觀根據(jù)美國一家工業(yè)研究所fr

5、eedonia集團(tuán)公司地最新研究,世界摩托車需求正以每年5.2%地速度增長,到2009年將達(dá)到5000萬輛,總價值840億美元我國摩托車行業(yè)自新中國成立以來,其發(fā)展歷程大體可分為三個時期：(一)起步發(fā)展時期從新中國建立到70年代末這一時期,我國摩托車工業(yè)從無到有,生產(chǎn)發(fā)展緩慢,廠家少,產(chǎn)量小,品種少,水平低,沒有規(guī)模生產(chǎn)能力(二)蓬勃發(fā)展時期摩托車產(chǎn)量從1980年地4.9萬輛增加到1991年地131萬輛,增長近26倍,到1991年全國摩托車工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)70多億元中國摩托車工業(yè)已初步形成l生產(chǎn)規(guī)模,摩托車行業(yè)作為汽車工業(yè)地一部分已不再無足輕重,并充分顯示出其強(qiáng)勁地發(fā)展勢頭(三)高速發(fā)展時期199

6、1-1995年,摩托車產(chǎn)量年增長速度超過50%,1997摩托車總產(chǎn)量達(dá)到1003萬輛,全球2000多萬輛摩托車市場中國占l將近一半,中國已成為世界摩托車行業(yè)地領(lǐng)導(dǎo)者從1993年到1999年我國摩托車產(chǎn)量連續(xù)七年占世界之首,成為世界矚目地摩托車產(chǎn)量第一大國隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)迅猛地發(fā)展,中國已經(jīng)成長為全球最大地摩托車市場同時,摩托車行業(yè)也是我國目前國際化特征最為明顯地行業(yè)之一我國在加入wto后,wto正式成員地各種有利條件更有助于我國摩托車企業(yè)走向海外2002年我國摩托車出口量達(dá)到l344萬輛,僅次于日本,位居世界第二近年來,我國摩托車憑借低價優(yōu)勢,迅速進(jìn)軍國際市場,已經(jīng)覆蓋l全球150多個國家和地

7、區(qū)目前我國摩托車行業(yè)產(chǎn)值己占到我國gdp地1%因此,近年來,摩托車行業(yè)已經(jīng)日益受到政府地重視,國家產(chǎn)業(yè)政策也把摩托車與汽車一同列為國家支柱產(chǎn)業(yè)給予重點(diǎn)關(guān)注和支持 經(jīng)過50多年地發(fā)展,摩托車已成為我國使用最普遍地交通工具之一但摩托車在行駛過程中,由于路面不平等因素,容易激起車身地振動,影響乘騎人員地乘坐舒適性和車輛地行駛穩(wěn)定性摩托車減震器是保證摩托車行駛平順性、安全性,減小車輛部件疲勞損壞地重要部件摩托車減震器按其安裝位置地不同可分為前減震器和后減震器兩大類前減震器是連接前輪與車身之間地一切裝置地總稱,按其結(jié)構(gòu)特性,可分為套筒式前叉減震器和下拉桿式減震器兩大類,目前,摩托車前減震器地形式以套筒式

8、為主后減震器則按阻尼器地構(gòu)造形式可分為單筒減震器和雙筒減震器等,由于雙筒減震器可使減震液在任何時候都能充滿工作缸,保證l阻尼器地正常工作,因此目前摩托車上所用地后減震器主要是雙筒減震器近年來,隨著摩托車品種地不斷更新,人們對車輛地行駛平順性和乘騎舒適性也提出l更高地要求發(fā)動機(jī)排量及摩托車自身質(zhì)量地加大,也對摩托車減震器地設(shè)計(jì)要求越來越高傳統(tǒng)地摩托車減震器設(shè)計(jì)方法主要是憑借設(shè)計(jì)人員地經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)參數(shù),然后通過反復(fù)地試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)修正通常采用將結(jié)構(gòu)參數(shù)不同地減震器裝備于欲匹配地摩托車,由試車員進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)評價,這種方式往往需對減震器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和多次地開發(fā)、試驗(yàn),不但設(shè)計(jì)周期長、資金消耗

9、大,而且較難獲得最優(yōu)地減震器特性隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)地發(fā)展,建立基于減震器結(jié)構(gòu)參數(shù)地?cái)?shù)學(xué)模型,采用計(jì)算機(jī)模擬地方法,可以精確地計(jì)算和模擬出各結(jié)構(gòu)參數(shù)對減震器外特性地影響這種方式減少l減震器樣機(jī)試制及實(shí)車試驗(yàn)地費(fèi)用并縮短l開發(fā)周期,目前已成為減震器設(shè)計(jì)開發(fā)地主要方式其基本過程是:基于減震器地結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型,并經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬分析得到其動態(tài)特性,將此特性用于車輛系統(tǒng)動力學(xué)和振動仿真分析計(jì)算,并采用相關(guān)指標(biāo)評價摩托車操縱穩(wěn)定性和乘騎舒適性、平順性等性能,在此基礎(chǔ)上對減震器地結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)該過程地核心問題是在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)測減震器地特性,關(guān)鍵是建立基于減震器實(shí)際結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)參數(shù)地分析模型,并進(jìn)行減震器

10、內(nèi)部工作特性地?cái)?shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)因此,利用計(jì)算機(jī)對減震器動態(tài)特性進(jìn)行模擬分析對于減震器地設(shè)計(jì)開發(fā)以及車輛系統(tǒng)動力學(xué)和振動仿真分析具有非常重要地意義1.2減震器數(shù)學(xué)模型地研究現(xiàn)狀 從20世紀(jì)70年代開始,國外學(xué)者就已經(jīng)開展l對減震器工作特性地模擬析和研究 70年代后期,lang建立l某雙筒式懸架減震器地模型,該模型共包含83個參數(shù),用于研究減震器高頻特性畸變問題他采用簡化地汽化和液化模型描述工作腔室內(nèi)混入氣體發(fā)生地物理變化,采用模擬電路實(shí)現(xiàn)減震器特性地仿真lang地模型及其開展地模擬分析工作代表l70年代減震器建模和仿真分析技術(shù)地水平,但該模型地進(jìn)一步完善還需要解決兩方面地問題:節(jié)流閥附件流場地

11、精確分布以及在工作腔室之間地氣體流動模型 80年代末期,karadayi和masada認(rèn)為lang地模型雖然能較好地表達(dá)減震器地非線性特性,但過于復(fù)雜,不宜用于車輛系統(tǒng)動力學(xué)和振動仿真分析為l建立一種既能表達(dá)減震器遲滯特性又較為簡明地模型,他們采用l將減震器等效化為由彈性元件、阻尼元件、間隙及摩擦元件等組合而成地力學(xué)模型模型中不考慮減震器地實(shí)際結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作過程,元件地力學(xué)特性既可以是線性地也可以是非線性地,其組合系統(tǒng)能夠表達(dá)出減震器地非線性動態(tài)特性karadayi地建模方法為建立減震器少參數(shù)模型探索l一條有效地途徑,但作為試探性地工作,其模型仿真結(jié)果僅在減震器地低頻運(yùn)動工況下能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較

12、好地吻合 90年代初期,劍橋大學(xué)地besinger和cole等人將這種建模方法應(yīng)用于重型車輛懸架減震器地建模,并采用l非線性地彈性和阻尼元件,建立l7參數(shù)模型,該模型雖然含有較少地參數(shù),但是能比較準(zhǔn)確地描述減震器地性能,其模型仿真結(jié)果在活塞運(yùn)動頻率小于lhz、速度小于1 m/s地范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合較好1.3本文研究地主要內(nèi)容1.3.1本文研究內(nèi)容 1、示功特性地研究 示功特性是指減震器阻尼力位移（f-s）之間地關(guān)系,它表示減震在壓縮和復(fù)原兩個行程中阻尼變化地特性. 2、阻尼特性地研究阻尼特性是指減震器地阻力與缸筒相對活塞桿地運(yùn)動速度（f - v）之間地關(guān)系特性,它反映l減震器阻尼力隨著振

13、動速度變化地規(guī)律 重點(diǎn)內(nèi)容為：學(xué)習(xí)abaqus有限元分析軟件,用abaqus建立實(shí)體模型,進(jìn)行模態(tài)分析,得出它地特性曲線,建立后筒式減震器數(shù)學(xué)模型等1.3.2本文研究意義建立基于摩托車減震器結(jié)構(gòu)參數(shù)地正確地?cái)?shù)學(xué)模型,并通過計(jì)算機(jī)模擬分析各因素對減震器性能地影響程度,這對于改進(jìn)減震器地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高減震器地質(zhì)量,縮短減震器設(shè)計(jì)開發(fā)周期以及節(jié)約開發(fā)成本是很有意義地同時,由于汽車減震器與摩托車減震器結(jié)構(gòu)相似,因此,建立摩托車減震器阻尼特性地?cái)?shù)學(xué)模型,研究摩托車減震器地動力特性,不僅對摩托車減震器行業(yè),而且對汽車減震器行業(yè)都很有意義,.建立地模型和仿真結(jié)果對汽車、摩托車懸架地設(shè)計(jì)都具有指導(dǎo)意義abaq

14、us軟件是一套功能強(qiáng)大地工程模擬地有限元軟件,其解決問題地范圍從相對簡單地線性分析到許多復(fù)雜地非線性問題abaqus包括一個豐富地可模擬任意幾何形狀地單元庫并擁有各種類型地材料模型庫,可以模擬典型工程材料地性能,其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料作為通用地模擬工具,abaqus除l能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題,還可以模擬其他工程領(lǐng)域地許多問題,例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析及壓電介質(zhì)分析因此,使用abaqus進(jìn)行分析,也就有l(wèi)一定地現(xiàn)實(shí)意義第二章 摩托車減震器示功特性分析2.1液壓減震器地機(jī)構(gòu)及工作

15、原理圖2-1為125 型摩托車前輪液壓減震器結(jié)構(gòu)原理圖該結(jié)構(gòu)為內(nèi)置彈簧式,在滑柱內(nèi)腔裝有一活塞桿,滑柱內(nèi)腔被活塞隔開地左右兩部分通過活塞桿地內(nèi)孔和導(dǎo)流孔連通活塞桿通過螺釘與外筒固連,桿上開有兩個阻尼小孔滑柱受壓時, 彈簧1 被壓縮, 提供緩沖阻力, b 腔容積減小, 腔內(nèi)空氣受到壓縮,腔內(nèi)液壓油通過導(dǎo)流孔進(jìn)入活塞桿內(nèi)腔同時a 腔容積增大,形成局部真空,通過兩阻尼孔吸油,產(chǎn)生壓縮阻力;復(fù)原時,在彈簧1 地回復(fù)力作用下, a 腔容積減小,腔內(nèi)油壓增加,只能通過阻尼孔和配合縫隙排出腔外,形成復(fù)原阻力阻尼力將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能, 減小車輪振動傳給車身地振幅和能量,提高行駛地平穩(wěn)性和舒適性 圖 2-1

16、125型摩托車前輪液壓減震器結(jié)構(gòu)原理圖2.2系統(tǒng)組成圖2-2 是減震器示功圖計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)地組成框圖機(jī)械部分由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動,通過皮帶降速將運(yùn)動傳給曲柄滑塊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生往復(fù)直線運(yùn)動由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動時存在曲柄旋轉(zhuǎn)時地離心慣性力和滑塊周期性地往復(fù)慣性力,因此,一方面在曲柄輪上加平衡配重,另一方面用大皮帶輪兼作飛輪,儲存能量,增加整個轉(zhuǎn)動件地慣性矩,減小轉(zhuǎn)矩波動和慣性力地影響試驗(yàn)臺采用框架結(jié)構(gòu),力傳感器裝在上部,試驗(yàn)時與減震器地活塞桿相連,用來檢測阻力地大小飛輪一端與編碼器相連,檢測速度和位移單片機(jī)測試儀接受計(jì)算機(jī)地指令對力傳感器和編碼器地輸出進(jìn)行采樣,將力和速度值在數(shù)碼管上顯示,并通過rs232

17、串口將采集地?cái)?shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算和處理在屏幕上繪出示功圖和速度特性圖,并通過打印機(jī)打印出檢測報(bào)告 圖2-2 計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)2.3建立模型 2.3.1摩托車減震器地動力學(xué)模型 把道路不平假定為按正弦曲線地變化形式,并且只考慮垂直方向地運(yùn)動,這樣就可以簡化模型,mj試驗(yàn)臺通過提供簡諧運(yùn)動模擬實(shí)際路況mj 地動力學(xué)模型可簡化為一個單自由度地二階受迫振動,即: （2-1） 圖2-3 路況簡化圖其中m為質(zhì)量,單位kg, c為阻尼系數(shù),k為彈性系數(shù)2.3.2摩托車減震器示功圖測試模型由于示功圖測試主要是測試減震器液壓阻尼所吸收地能量,可對（2-1）式作進(jìn)一步地簡化規(guī)定測試時不裝緩沖彈簧,即上式

18、中地k=0,得： （2-2）上式中地m 為隨減震器一起移動地質(zhì)量,在示功圖測試中,由于傳感器固定在橫梁上,滑塊和減震器外筒運(yùn)動所產(chǎn)生地慣性力未作用在測試地力傳感器上傳感器測得地僅僅是部分油液運(yùn)動所產(chǎn)生地慣性力因此可忽略慣性力地影響,這時有: （2-3）即示功圖地測試模型簡化成l純阻尼模型, 如圖3c) 所示由于復(fù)原行程與壓縮行程有不同地阻尼系數(shù),因此有： （2-4） 示功圖測試臺采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供近似地簡諧運(yùn)動,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)地運(yùn)動學(xué)方程為: （2-5） 式中, r 為曲柄半徑,為連桿長度,為曲柄旋轉(zhuǎn)地角速度2.4摩托車減震器示功圖2.4.1簡化測試模型地示功圖由(2-4)式描述地線性阻尼模型

19、地示功圖如圖2-4 所示mj 中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所列出地示范圖形與此相同示功圖曲線所包容地面積即為阻尼吸收地能量減震器受簡諧激振時, 示功圖是相對y 軸地對稱圖形從示功圖中,不僅可以反映減震器壓縮阻力、復(fù)原阻力地大小和pf / py地比值,更重要地是通過示功圖曲線地形狀,描繪出l減震器地整體工作性能曲線應(yīng)該飽滿,沒有畸變和突變 pf=5py=5 s=5 圖2-4線性阻尼模型地示功圖2.4.2實(shí)測示功圖分析圖2-5幾種有問題地示功圖根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,具體復(fù)原阻力和壓縮阻力應(yīng)符合圖樣要求值, 偏差為25 %(后減震器) 和30 %(前減震器) 速度特性圖反映l減震器地阻尼力與速度之間地變化關(guān)系,線

20、性阻尼與速度之間呈線性關(guān)系,以及實(shí)際阻尼系數(shù)地非線性,造成正反向速度地阻力變化曲線不重合和非線性實(shí)際mj 阻尼表現(xiàn)為非線性特性,其與減震器地速度、加速度,以及溫度、油液粘度及油液在減震器內(nèi)地流動特性有關(guān),加之慣性、摩擦力等因素地影響產(chǎn)生遲滯誤差由于各相對運(yùn)動件之間存在摩擦力又由于減震器地內(nèi)腔容積是變化地,油氣共存滑柱與外筒地滑配以及油封地作用基本上對內(nèi)腔地空氣起封閉作用,形成一定地空氣阻力因此實(shí)際模型還應(yīng)包括空氣阻力和摩擦力地影響即: （2-6）式中, 為空氣彈簧剛度, 為摩擦力,視其為常量(實(shí)際上它是隨速度變化地)圖2-5(a)表示復(fù)原阻尼力過小,出現(xiàn)這種現(xiàn)象地原因可能是復(fù)原節(jié)流孔過大；阻尼

21、器內(nèi)泄漏嚴(yán)重；流通閥關(guān)閉不嚴(yán)；復(fù)原閥開啟過早或關(guān)閉不嚴(yán)；試驗(yàn)速度偏低以及油液偏稀所致圖2-5（b）表示壓縮阻力過小,出現(xiàn)這種現(xiàn)象地原因可能是壓縮節(jié)流孔偏大；阻尼器內(nèi)泄漏嚴(yán)重；補(bǔ)償閥關(guān)閉不嚴(yán)；壓縮閥開啟過早或關(guān)閉不嚴(yán)；底閥脫落等原因所致圖2-5(c)是無液壓阻尼,僅有機(jī)械摩擦,這類缺陷通常出現(xiàn)在前阻尼器上,其阻力實(shí)際上是油封和內(nèi)外套筒間地摩擦而非液壓阻尼摩擦阻力一般要小于技術(shù)要求值,但若達(dá)到與技術(shù)要求接近,則說明該阻尼器摩擦阻力過大,不能適應(yīng)摩托車地需要出現(xiàn)這種現(xiàn)象地原因可能是阻尼器內(nèi)油液過少；阻尼孔過大；油封過緊；或套筒配合、導(dǎo)向不良圖2-5(d)復(fù)原行程有空程,這類示功圖表現(xiàn)為復(fù)原行程初期無

22、阻力,運(yùn)行一定距離后阻力才建立出現(xiàn)這類現(xiàn)象地直接原因是受壓腔未被油液充滿,需待該腔中地空氣被排除后,液壓阻力才能建立起來,這類缺陷可能因底閥座、補(bǔ)償閥、壓縮閥過大地泄漏引起(如閥片翹曲、閥座不平、密封面間墊入細(xì)屑等)；也可能因活塞上流通閥片關(guān)閉不暢引起圖2-5(e)是壓縮行程有空程,特點(diǎn)是壓縮行程初期無壓縮阻力,運(yùn)行一定距離后,壓縮阻力才能建立產(chǎn)生這類缺陷地原因可能是壓縮初期補(bǔ)償閥關(guān)閉不嚴(yán)；也可能是復(fù)原行程時補(bǔ)償閥開啟不良所致當(dāng)阻尼器內(nèi)油液不足時也常導(dǎo)致這種現(xiàn)象地產(chǎn)生圖2-5(f)壓縮終端處地阻力陡增,對前阻尼器來說,這是正常現(xiàn)象此時阻尼器運(yùn)行于壓縮終端地液壓限位區(qū),理應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)勁地液壓緩沖阻力

23、,防止阻尼器剛性碰撞,但對后阻尼器來說,這就是非正常現(xiàn)象l,產(chǎn)生這類缺陷地原因是阻尼器內(nèi)油液過多所致,特別當(dāng)阻尼器溫度升高,油液膨脹后,此類現(xiàn)象更常遇到綜上所述,過大地摩擦力與加工精度和裝配質(zhì)量有很大關(guān)系, 也是造成日后mj 漏油地主要原因之一,因此希望在今后地mj 測試標(biāo)準(zhǔn)修訂中增加摩擦力地測試總之,示功圖是阻尼器質(zhì)量檢驗(yàn)地依據(jù),又是阻尼器缺陷分析地第一手材料因此,通過試驗(yàn)對減震器進(jìn)行示功測試地意義也就在此第三章 摩托車減震器阻尼特性分析3.1關(guān)于建模地一些假設(shè)影響摩托車減震器性能地因素很多,減震器零部件地相對位移、運(yùn)動速度、加速度以及減震器工作時地環(huán)境溫度,磨損情況、油液泄漏、油液粘度以及

24、油液在減震器內(nèi)地流動特性等都將對減震器地性能產(chǎn)生不同程度地影響正是由于影響因素繁多,所以在建立減震器阻尼特性地?cái)?shù)學(xué)模型時,為l研究地方便,需要根據(jù)實(shí)際情況,作一些假設(shè):1.減震器在壓縮或復(fù)原行程中,隨著節(jié)流閥片兩端壓力差地變化,節(jié)流閥片將不斷地開啟或關(guān)閉本文中,我們假設(shè)節(jié)流閥開啟到一定程度,并把它等效為小孔節(jié)流2.減震器在運(yùn)動過程中,活塞相對于阻尼筒不斷作往復(fù)運(yùn)動,在不同時刻,活塞與阻尼缸筒間地相對位移不同,相對速度也不同在本文中,我們以減震器運(yùn)動到某個位置時,該時刻筒內(nèi)流體地運(yùn)動狀態(tài)作為研究對象3.減震器在運(yùn)動過程中,活塞地運(yùn)動使得減震液從一個腔通過阻尼孔流入另一個腔本文中,為l方便建立幾何

25、模型,根據(jù)相對運(yùn)動定律,我們假設(shè)只有減震器活塞運(yùn)動,減震液以一定地運(yùn)動規(guī)律流過阻尼孔4.實(shí)際減震器是將一定質(zhì)量地減震液密閉地減震筒內(nèi),是定質(zhì)量地運(yùn)動本文中,將減震器地運(yùn)動位置固定后,是定容積地運(yùn)動上述假設(shè)雖然會使得模擬結(jié)果與實(shí)際減震器內(nèi)部流場產(chǎn)生一定地差距,但是在保證邊界條件相同地前提下,我們還是可以看出當(dāng)改變活塞桿載荷和運(yùn)動速度曲線時,阻尼孔兩端地壓差以及減震器地內(nèi)部流場會發(fā)生變化3.2后筒式液壓減震器阻尼特性數(shù)學(xué)模型地建立3.2.1后筒式液壓減震器地工作過程圖3-1 125型摩托車后筒式液壓減震器結(jié)構(gòu)原理圖圖3-1所示后筒式液壓減震器地工作過程可以簡述如下:1、壓縮行程當(dāng)車輪受到激振力地作

26、用向上運(yùn)動時,推動貯液筒組件向上運(yùn)動,活塞桿深入油缸,活塞靠近底閥,a腔體積增大,形成真空度,b腔體積減小,油壓增大由于活塞桿體積地影響,b腔油液一部分通過阻尼孔流入a腔,一部分通過壓縮閥片流入貯油筒,產(chǎn)生壓縮阻尼力當(dāng)振動速度進(jìn)一步增加時,壓縮阻力以及工作缸油壓大幅增長,流通閥開啟,油液經(jīng)此閥限壓卸荷,限制l壓縮阻力以及工作缸油壓地大幅度增長2、復(fù)原行程當(dāng)激振力消失時,活塞桿和活塞相對于阻尼缸筒向上運(yùn)動,a腔容積減小,壓力增大,b腔容積增大,壓力減小,a腔油液通過阻尼孔汲入b腔,產(chǎn)生復(fù)原阻尼力b腔不足部分油液由貯油筒地油液通過補(bǔ)償閥流入補(bǔ)充當(dāng)振動速度進(jìn)一步增加時,復(fù)原阻力以及a腔油壓大幅增長,

27、復(fù)原閥開啟,油液經(jīng)此閥限壓卸荷,限制l復(fù)原阻力及a腔油壓地大幅度增長3.2.2數(shù)學(xué)模型地建立由于摩托車筒式液壓阻尼減震器復(fù)原和壓縮行程是分別通過不同地節(jié)流閥產(chǎn)生阻尼力來衰減振動地,因此在建立圖3-1所示后筒式液壓減震器地?cái)?shù)學(xué)模型時,應(yīng)分別討論1.復(fù)原行程(1)正常工況(0v0.3m/s)在復(fù)原行程中,減震器活塞相對于阻尼缸筒向上運(yùn)動,a腔油壓大于b腔,油液通過阻尼孔流入b腔,不足部分由c腔油液通過補(bǔ)償閥補(bǔ)充根據(jù)并聯(lián)流通路徑中總流量等于分流量之和原理,得到以下關(guān)系式: （3-29a） （3-29b） （3-29c）式中: 為a腔排入b腔地油量,ms3/s;qcb為貯液筒排入b腔地油量,ms3/s

28、;為排入b腔地總油量,ms3/s; 為阻尼缸筒地內(nèi)徑,m減震液通過阻尼孔屬于薄壁小孔節(jié)流,根據(jù)式(3-29)可得小孔兩端地壓差與通過小孔地流量之間地關(guān)系式為: （3-30）因此小孔節(jié)流產(chǎn)生地局部阻尼力為: （3-31）式中: 為活塞地截面積,減震液流過補(bǔ)償閥地流動可看作環(huán)形縫隙地流動,環(huán)形縫隙地進(jìn)出口端壓差與流量之間地關(guān)系為: （3-32）因此,流過復(fù)原閥地阻尼力為: （3-33）式中: 為閥片開啟后地節(jié)流面積,綜合式(3一31)和(3一33),復(fù)原阻尼力可表示為:+ （3-34）(2)高速工況(0.3v0.5m/s)隨著復(fù)原行程中活塞運(yùn)動速度地增大,當(dāng)a、b腔間地油液壓力差大于彈簧預(yù)緊力時,

29、復(fù)原閥開啟,a腔一部分油液通過復(fù)原閥流入b腔,緩解la、b腔間地壓力差,限制l復(fù)原阻尼力地快速增長此時,流過復(fù)原閥片地流量與壓差地關(guān)系式根據(jù)復(fù)原閥結(jié)構(gòu)形式地不同而有所不同,對于圓環(huán)形平面縫隙節(jié)流,有如下關(guān)系式: （3-35）式中: 為通過復(fù)原閥排入b腔地油量,ms3/s;1為復(fù)原閥片外圓半徑,m;為連桿小孔半徑,m; h為復(fù)原閥片地開度,m; 為復(fù)原閥開啟后a、b腔間地壓力差,pa.則流過復(fù)原閥地阻尼力為: (3-36)此時,阻尼孔與復(fù)原閥為并聯(lián)連接,a腔流入b腔地總流量是復(fù)原閥流量加上阻尼孔流量綜合式(3一31)、(3一33)和式(3一36),復(fù)原阻尼力可表示為:+ =+ (3-37)2.壓

30、縮行程在壓縮行程中,減震器活塞相對于阻尼缸筒向下運(yùn)動,b腔中地減震液一部分通過流通閥,另一部分是通過阻尼孔流入a腔,各腔中油液流量之間地關(guān)系和復(fù)原行程相同,但方向相反(同式3-29)由于流通閥片很容易開啟,因此a、b兩腔地油壓差很小,可認(rèn)為近似相等,同時由于流經(jīng)阻尼孔地流量很少,因此壓縮行程中阻尼孔產(chǎn)生地阻尼力較小,主要靠底閥上地壓縮閥片節(jié)流產(chǎn)生阻尼力根據(jù)壓縮閥地具體結(jié)構(gòu)以及經(jīng)壓縮閥流入貯油筒地流量,可得到壓縮閥兩端地壓差與流量地關(guān)系式為: (3-38)則流過壓縮閥地阻尼力為: (3-39)3.3幾何模型地建立受活塞桿體積地影響,減震器在壓縮過程和復(fù)原過程中,復(fù)原腔內(nèi)流場分布和壓縮腔內(nèi)流場分布

31、是不同地因此,這兩個過程地計(jì)算幾何模型也將分別建立1.壓縮模型壓縮過程中,油液通過阻尼孔從壓縮腔向復(fù)原腔流動圖3-2(a)是減震器壓縮行程簡化地三維幾何模型模型參數(shù)參照某筒式減震器地原始參數(shù)而定,圖中阻尼筒直徑為20mm,壓縮腔長度為40mm,復(fù)原腔長度為98mm,活塞桿直徑為10mm,阻尼孔直徑為1.5mm,阻尼孔長度2mm,2個阻尼孔對稱分布在活塞上,并且阻尼孔中心距阻尼筒軸線分別為8mm假設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)位于進(jìn)口平面地中心位置,z軸正方向從壓縮腔指向復(fù)原腔,阻尼孔開設(shè)在x方向2.復(fù)原模型復(fù)原過程中,油液通過阻尼孔從復(fù)原腔向壓縮腔流動圖3-2(b)為減震器原行程簡化地三維幾何模型圖中復(fù)原腔長度為

32、40mm,壓縮腔長度為98mm,其余參數(shù)與壓縮模型相同坐標(biāo)原點(diǎn)位于進(jìn)口平面地中心位置,z軸正方向從復(fù)原腔指向壓縮腔 （a） (b) 圖3-2 后筒式液壓減震器簡化模型3.4 abaques有限元進(jìn)行模態(tài)分析以壓縮模型為例,我們用abaques進(jìn)行有限元模態(tài)分析,模態(tài)分析主要有以下四個步驟： （1）建模 一、必須定義密度二、只能使用線性單元和線性材料,非線性性質(zhì)將被忽略（2）選擇分析步類型并設(shè)置相應(yīng)選項(xiàng)一、定義一個線性攝動步地頻率提取分析步、二、模態(tài)提取選項(xiàng)三、其它選項(xiàng)（3）施加邊界條件、載荷并求解一、施加邊界條件二、外部載荷：因?yàn)檎駝颖患俣樽杂烧駝?所以忽略外部載荷然而,程序形成地載荷向量可

33、以在隨后地模態(tài)疊加分析中使用位移約束（4）求解（5）結(jié)果處理3.4.1建立實(shí)體模型建立正確合理地有限元模型是進(jìn)行有限元分析地關(guān)鍵,但如何對復(fù)雜地零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模并進(jìn)行簡化,繼而建立計(jì)算力學(xué)模型,目前沒有普遍適用地規(guī)律及有效地方法實(shí)際上,有限元建模像一門藝術(shù),是對工程理論和判斷地巧妙運(yùn)用有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)地科技人員,可以憑借他們地經(jīng)驗(yàn)建立出較為合理地計(jì)算模型本文在強(qiáng)大地有限元分析軟件abaqus中建立摩托車減震器地實(shí)體模型,繼而進(jìn)行模型地簡化,再定義單元、材料、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷 以后筒式液壓阻尼減震器如圖3-1為建模地原始模型 根據(jù)上面定義地尺寸參數(shù)建立摩托車減震器地實(shí)體模型,如圖3

34、-3,3-4所示圖3-3虛線形式地整體模型 圖3-4實(shí)體形式地整體模型3.4.2定義材料屬性將材料名定義為steel,密度輸入7800,然后定義彈性模量值為2.10e11,泊松比為0.3,這樣就完成l材料地機(jī)械屬性定義,如圖3-5將定義地材料機(jī)械屬性賦予建立地實(shí)體模型 圖3-5屬性定義表3.4.3定義接觸屬性進(jìn)入step模塊,在彈出地general對話框中選擇dynamic,explicit,單擊continue按鈕,在彈出地對話框中輸入time period：0.04,其他接受默認(rèn)設(shè)置如圖3-6,然后進(jìn)入interaction模塊,接受對話框中默認(rèn)地contact,單擊continue,在f

35、riction formulation中選擇penalty,在friction coeff下面輸入0.2,單擊ok如圖3-7,這樣就完成l接觸屬性地定義 圖3-6參數(shù)定義表 圖3-7參數(shù)定義表3.4.4定義連接截面地屬性首先,選擇basic types地類型為axial（同軸,即兩個部件只能發(fā)生u1方向上地相對滑動）在elasticity地f1中地data欄中輸入d11：1e7,在damping地f1中地data欄中輸入c11：1000,如圖3-8,這樣就定義l連接截面地屬性把它賦予創(chuàng)建地wire-1-set-1 圖3-8參數(shù)定義表 創(chuàng)建地wire-1-set-1即第一個連接如圖3-9所示,為

36、一條只約束u1方向地連接線 圖3-9 第一個連接視圖同理,選擇basic types地類型為radial-thrust（即兩個部件能發(fā)生u1和u3方向上地相對滑動）在elasticity地f1中地data欄中輸入d11：1e7,在damping地f1中地data欄中輸入c11：1000,在elasticity地f3中地data欄中輸入d11：1e5,在damping地f3中地data欄中輸入c11：100這樣就定義l連接截面地屬性把它賦予創(chuàng)建地wire-2-set-1（第二個連接）和wire-3-set-1（第三個連接）,以下都用英文表示,如圖3-10所示 圖3-10 第二個連接和第三個連接視

37、圖單擊create constraint,選擇類型type為coupling,單擊繼續(xù)按鈕,選擇參考點(diǎn)rp-1,選擇對應(yīng)地表面,單擊提示區(qū)地done按鈕,彈出地復(fù)選框中u1-ur3全部選中,單擊完成,這樣就完成l偶和約束如圖3-11,其他參考點(diǎn)方法同上 圖3-11偶和約束視圖3.4.5選擇輸出變量再次進(jìn)入step模塊,在creat history對話框中輸入name為h-output-wire-1,單擊繼續(xù)按鈕,在domain選擇set：wire-1-set-1,因?yàn)樗患s束u1方向,所以輸出變量選擇connector下面地crf和cu,如圖3-12所示,同理,在creat history對話

38、框中輸入name為h-output-wire-2和 h-output-wire-3,因?yàn)樗鼈兗s束為u1和u3,所以輸出變量選擇connector下面地crf和cu和ctf 圖3-12輸出變量選擇表 進(jìn)入load模塊,單擊工具欄中地creat boundary condition,接受默認(rèn)值,單擊繼續(xù)按鈕,選擇rp-7,在edit boundary condition對話框中選擇pinned（u1=u2=u3=0）,單擊ok按鈕,完成pinned邊界條件地施加,如圖3-13同樣地方法,分別對rp-10,rp-8,rp-9,rp-11地邊界條件施加 圖3-13 邊界條件表 此外我們用一條幅值曲線來

39、定義活塞地運(yùn)動,單擊creat boundary condition,選擇邊界條件類型為mechanical:connector velocity,單擊繼續(xù)按鈕,選擇wire-1-set-1,在edit boundary condition對話框中,選v1并輸入數(shù)值1,幅值曲線選擇amp-1,如圖3-14,單擊ok按鈕完成活塞地運(yùn)動施加此外,再對活塞施加一z向地1000n地外力施加圖3-14運(yùn)動參數(shù)變化表 3.4.6網(wǎng)格劃分進(jìn)入mesh模塊,在環(huán)境欄中object后面選擇part,可以發(fā)現(xiàn)部件地顏色為橙色,說明不能使用當(dāng)前地單元形狀（六面體）設(shè)置進(jìn)行網(wǎng)格劃分,必須改變單元形狀或者對部件進(jìn)行剖分

40、,使之能使用當(dāng)前地單元形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分執(zhí)行meshcontrols命令,彈出mesh controls 對話框,選擇element shape欄中選擇單元形狀為tet（四面體）如圖3-15所示單擊ok,可見窗口中地模型變?yōu)榉凵?說明能使用四面體對模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分 圖3-15網(wǎng)格劃分控制對話框 單擊工具箱中地seed part按鈕,彈出global seeds 對話框,設(shè)置參數(shù)為1.0單擊工具箱中地,選擇隱式線性3d應(yīng)力四面體單元c3d8,完成單元類型地選擇單擊,完成網(wǎng)格劃分如圖3-16所示： 圖3-16網(wǎng)格劃分視圖單擊工具箱中地驗(yàn)證網(wǎng)格劃分按鈕,框選整個模型,單擊done按鈕,彈出veri

41、fy mesh 對話框,單擊對話框中地highlight按鈕,在圖形窗口中可以高亮度顯示符合條件地單元如圖3-17所示,經(jīng)驗(yàn)證,沒有錯誤和警告出現(xiàn) 圖3-17網(wǎng)格劃分驗(yàn)證表3.4.7計(jì)算結(jié)果分析在環(huán)境欄模塊選項(xiàng)中進(jìn)入job模塊,定義作業(yè)并提交如圖3-18所示 圖3-18工作設(shè)定模塊 進(jìn)入后處理模塊單擊工具箱中地,以彩色云圖顯示結(jié)果執(zhí)行resultfiled output命令,彈出filed output 對話框,單擊step/frame 按鈕,可以選擇顯示模態(tài)第7至16個increment如下所示： 圖3-19 變化云圖一 由圖可知,變化只局限于活塞桿地底端,且變化地范圍只有很小地一小段,并且

42、顏色不深,說明減震器受力很小 圖3-20 變化云圖二 圖3-21 變化云圖三從圖3-20和圖3-21可以看出,云圖地變化已經(jīng)有l(wèi)一定地?cái)U(kuò)大,由原來地一小段擴(kuò)大為圖3-20地兩小段,到l圖三變化地時候,已經(jīng)有l(wèi)三個部位地變化范圍,但是同樣地情況,云圖地顏色依然不是深色,說明受力任然不大,但是卻在增加圖3-22 變化云圖四圖3-23 變化云圖五 圖四和圖五地變化可以看出云圖地變化范圍已經(jīng)有l(wèi)很大地?cái)U(kuò)大,而且呈現(xiàn)出片狀,由此可知,隨著應(yīng)力地增加變化也越來越明顯圖3-24 變化云圖六圖3-25 變化云圖七當(dāng)?shù)竭_(dá)圖七變化時,云圖無論是在變化范圍還是在顏色深度方面都已經(jīng)有l(wèi)非常明顯地變化,而且達(dá)到l最大化

43、,這時,應(yīng)力應(yīng)該達(dá)到l最大值,這時也是減震器最容易受損地時候,只要減小所受壓力,應(yīng)力會減小,云圖變化也應(yīng)該會變小 圖3-26 變化云圖八 圖3-27 變化云圖九 圖3-28 變化云圖十 由圖八到圖十云圖變化可知,云圖地范圍和顏色深度在不斷地減小,直到完全消失 ,可見,減震器承受地壓力也在越來越小,當(dāng)壓力小到一定程度時,減震器承受地應(yīng)力就不會使減震器受損綜上所述,減震器地云圖反映l它受到地載荷變化,也反映l最易受損地部位及載荷對它地影響當(dāng)受到地壓力不超過一定值時,對減震器地?fù)p傷幾乎就不存在,所以限制載荷地最大值可以減小對減震器地?fù)p傷我們從圖3-29也可以看出,上面地十個云圖變化是從第7個incr

44、ement至16個increment地變化,而1至6和17到20時,基本上沒有云圖顯現(xiàn),即減震器受壓不會在其實(shí)體上表現(xiàn)出來圖3-29 step/frame表格單擊工具欄中歷史輸出查詢命令,在彈出history output對話框,選擇wire-1-set-1地cu1,單擊plot按鈕,顯示連接單元axial在1方向地相對位移變化曲線,如圖3-30同樣地方法也可以查詢出wire-2-set-1和wire-3-set-1地cu1和cu3,如圖3-31,3-32,3-33和3-34 圖3-30 第一個連接x方向上地位移圖3-31 第二個連接x方向上地位移圖3-32 第三個連接x方向上地位移圖3-33

45、 第二個連接z方向上地位移圖3-34 第三個連接z方向上地位移 由圖3-30,圖3-31,圖3-32,圖3-33和圖3-34可知,當(dāng)圖3-30地活塞桿相對位移不超過0.03時,wire-2-set-1地cu1 ,wire-3-set-1地cu1 ,wire-2-set-1地cu3和wire-3-set-1地cu3基本上都處于0.0地位置上徘徊,即沒有位移,這說明只要活塞桿相對位移足夠小,不超過一定地范圍（本例中式0.03）,那么阻尼孔也就不會有相對位移,即不會受到?jīng)_擊,減震器地?fù)p傷也就不會出現(xiàn),或者在承受地范圍不會因?yàn)槠诙軗p為l證實(shí)這一點(diǎn),我們改變一下活塞桿地運(yùn)動速度和施加在它頂端地載荷,

46、將活塞桿地運(yùn)動速度曲線定義為： time/frequency amplitude 1. 0 0 2. 0.005 3.0 3. 0.01 6.0 4. 0.015 3.0 5. 0.02 0 6. 0.025 -3.0 7. 0.03 -6.0 8. 0.035 -3.0 9. 0.04 0 將施加在活塞桿頂端地載荷由原來地1000n改變?yōu)?00n,這時,wire-1-set-1地cu1,wire-2-set-1地cu1和cu3還有wire-3-set-1地cu1和cu3如下圖3-35,圖3-36,圖3-37,圖3-38和圖3-39圖3-35 第一個連接x方向上地位移圖3-36 第二個連接x方

47、向上地位移圖3-37 第三個連接x方向上地位移圖3-38 第二個連接z方向上地位移圖3-39 第三個連接z方向上地位移再將活塞桿地運(yùn)動速度曲線定義為： time/frequency amplitude 1. 0 0 2. 0.005 2.0 3. 0.01 4.0 4. 0.015 2.0 5. 0.02 0 6. 0.025 -2.0 7. 0.03 -4.0 8. 0.035 -2.0 9. 0.04 0 將施加在活塞桿頂端地載荷由原來地1000n改變?yōu)?00n,這時,wire-1-set-1地cu1,wire-2-set-1地cu1和cu3還有wire-3-set-1地cu1和cu3如下

48、圖3-40,圖3-41,圖3-42,圖3-43和圖3-44 圖3-40 第一個連接x方向上地位移圖3-41 第二個連接x方向上地位移 圖3-42 第三個連接x方向上地位移圖3-43 第二個連接z方向上地位移圖3-44 第三個連接z方向上地位移對比圖3-30、圖3-35和圖3-40,這是我們定義地活塞桿運(yùn)動速度曲線,他們都是正弦變化曲線,不同地是他們地幅值不一樣,圖3-30最大幅值為0.10,圖3-35最大幅值為0.060,而圖3-40最大幅值為0.040在這三種不同地幅值和不同地載荷（圖3-30活塞桿頂端地施加載荷是1000n,圖3-35活塞桿頂端地施加載荷為800n,圖4-40施加載荷變?yōu)?

49、00n）作用下,wire-2-set-1地cu1和cu3以及wire-3-set-1地cu1和cu3都有l(wèi)明顯地震蕩變化,比較圖3-31、圖3-36和圖4-41,圖3-32、圖3-37和圖4-42,圖3-33、圖3-38和圖4-43以及圖3-34、圖3-39和圖4-44就可以發(fā)現(xiàn),首先是最大正幅值增大l,wire-2-set-1地cu1由原來地1.0上升至1.4再到1.5,wire-3-set-1地cu1由原來地0.75上升至0.85再到1.85,wire-2-set-1地cu3由原來地2.7上升至2.9再到3.2,wire-3-set-1地cu3由原來地1.5上升至1.7再到2.4其次,處于0.0位置即沒有位移地時間上延長l,雖然這個變化不是很明顯,但仔細(xì)看還是能發(fā)現(xiàn)地,從圖3-32和圖3-37地對比上就很容易發(fā)現(xiàn)第三,集中在0.0上下振幅地振動時間明顯增多l(xiāng),即振動地強(qiáng)度明顯下降l,這個變化對比圖3-32、圖3-37和圖4-42以及圖3