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1、第30卷第3期振动、测试与诊断Vol.30No.32010年6月Jun.2010JournalofVibration,Measurement&Diagnosis油气弹簧圆盘形缝隙节流分析与特性试验陈轶杰,雷强顺,王亚军(中国北方车辆研究所北京,100072)摘要运用边界层理论推导了紊流状态下缝隙的积分流量表达式,提出了油气弹簧阀片圆盘形缝隙节流的一种研究方法。根据自主研发油气弹簧的结构形式,给出了阀片等效厚度的求解方式以及阻尼阀流量分配示意图,通过上述推导公式以及实际气体状态方程,建立了单气室油气弹簧的数学模型,并对特性进行了仿真和试验。结果
2、表明所建立的油气弹簧圆盘缝隙紊流流量公式和特性数学模型是正确的,对阻尼阀的精确设计具有参考价值。关键词油气弹簧节流阀片圆盘形缝隙数学模型仿真分析中图分类号TB123TH135引言阻尼阀是油气弹簧中的核心部件,主要用于衰减车身振动以提高车辆的平顺性和操纵稳定性。阻尼阀的装配方式有很多种,其中采用环形节流阀片变形缝隙对油液进行节流被广泛应用到工程实践中。这种方式加工装配方便,成本较低,但要满足工程设计的要求,还需进行精确计算。现有技术中,关于缝隙节流的流量公式多是在层流状态下推导出来[1]的,而油气弹簧工作时,油液通过节流阀片圆盘形缝隙的过流速度很
3、大,导致雷诺数显著升高,使油液流动主要处于紊流状态。实践表明,若使用现有公式对阻尼阀进行设计,其力值与试验数据相比明显偏小。基于这种情况,本文针对自主研发的油气弹簧,图1油气弹簧结构简图提出运用流体边界层理论自行推导圆盘形缝隙紊流流量公式,并对系统进行了试验验证。图2为环形节流阀片的变形示意图,其中:ps为压差;ra为阀片内半径;rb为阀片外半径;rc为载荷作用半径;为阀片变形量。1油气弹簧结构简图图1为单气室油气弹簧的结构简图。节流阀片2圆盘形缝隙流量解析式以压缩和复原阀的形式安装在活塞端部外,其上加工有节流小孔,主要用于减小液压冲击。若
4、外界激励现有技术中,应用较普遍的是基于层流状态的[2]较小,油气弹簧主要通过旁通孔对油液节流产生阻缝隙流量解析式3尼力,当激励大到一定程度,上下腔室的压差会使阀psQs=(1)6ln(rb/rc)片变形,部分油液从变形后阀片与活塞端面之间的其中:Qs为缝隙流量;为流体的动力黏度;ps为缝隙中流过。氮气和油液之间通过浮动活塞隔离,气缝隙两端压差。室高度随油气弹簧行程的变化而变化。国家部委预研资助项目(编号:51404040104BQ01)收稿日期:2008-09-19;修改稿收到日期:2009-02-10第3期陈轶杰,等:油气弹簧圆
5、盘形缝隙节流分析与特性试验261图3边界层时均速度分布曲线图2阀片变形示意图图3可以看出,该层厚度约为为满足减振装置阻尼阀的设计需求,运用流体+0≤y≤5(4)边界层理论推导紊流状态下缝隙的流量解析式如由式(2)及上述分析可知下。由于分子引力的作用,流体始终要黏附在固壁w=du/dy(5)上,即摩擦力阻碍了壁面附近薄层内流体分子的运另外当y=0时,u=0,通过积分换算有动。在这个薄层中,流体速度从固壁处的零(无滑w移)逐渐增加到相应的无摩擦外流的原有数值。1904u=y(6)年,普朗特将这一薄层定义为边界层并创建了边界即[3]层理论。+
6、+u=y(7)随着处于紊流状态的流体离壁面距离的改变,此式即为黏性底层的速度分布,可以看出速度黏性切应力和紊流附加切应力各自对其流动的影响与黏性底层的厚度成正比并呈线性分布。程度也在发生着变化。从壁面到缝隙中心区域,当距(2)过渡层的速度分布。离y增大时,黏性切应力的作用逐渐减小,而紊流附随着与壁面距离的增加,紊流附加切应力逐渐加切应力对速度流的影响却不断增大。根据流体的增大,当增长到与黏性切应力为同一数量级时,流动紊流时均动量方程、黏涡性理论和普朗特混合长度状态非常复杂,紊流和层流现象同时存在,这个区域理论可以证明,二者之和为一常数,且等于壁
7、面切应被称为过渡层。由图3可以看出,该层厚度约为[4]力,即+258、,此时黏性切应力可忽略不计,所以又被称为完全+u+y**w紊流层。于是可将式(2)写成u=*,y=*,l=*,V=(3)VlV22w=lpd
