油壓減振器剛度特性的研究

馮雨萌，樊友權，凌 平，周元輝，吳忠發

(株洲聯誠集團控股股份有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

油壓減振器是軌道車輛采用的一種被動式的減振裝置，其主要作用是保證車輛安全、平穩地行駛，是車輛底盤部件上非常關鍵的配件。軌道車輛的車輪是運行在鋼軌上的，由于受制造精度的制約，車輪在與軌道接觸的過程中難免會產生振動，并且會直接傳遞到車體上去，從而引起車輛各部件的高頻與低頻振動，這種振動會降低車輛各部件的結構強度和使用壽命，對車輛的安全性是不利的，也會影響到乘坐的舒適性。

當車輛產生振動時，油壓減振器會在外力的作用下使活塞在油缸中做拉伸或者壓縮的往復運動，驅動油液流過阻尼閥而產生減振阻尼力，從而減弱傳遞到車輛各部件的高頻和低頻振動，提高車輛機械部件的使用壽命，也可以提高乘坐的舒適性。

當活塞做大幅值低頻運動時，活塞振動幅值大、速度小，減振器內部油液的可壓縮性可以忽略不計，此時，減振器表現出來的特性主要是阻尼特性。當活塞做小幅值高頻運動時，活塞振動幅值小、速度快，減振器內部油液的可壓縮性影響比較大，此時，減振器表現出來的特性主要是剛度特性。軌道車輛運行時產生的低頻振動主要靠減振器的阻尼特性來消除，而高頻振動主要靠減振器的剛度特性來消除。減振器的阻尼特性，國內外文獻研究的比較多，但是剛度特性研究的較少，本文就減振器內部結構對剛度特性的影響進行研究和驗證。

1 油壓減振器工作原理

油壓減振器的活塞在拉伸和壓縮過程中會驅動油液通過阻尼閥產生壓降，從而產生阻尼力，使得減振器出現阻尼特性，減振器的阻尼特性代表的是阻尼力F與振動速度v之間的關系。此外，由于油壓減振器兩端具有橡膠關節，油液本身也具有一定的可壓縮性，使得油壓減振器在運動時具有彈性作用力而表現出一定的剛度特性，減振器的剛度特性代表的是阻尼力F與振動位移x之間的關系。

按照油液的循環方式，油壓減振器的結構可分為單向循環減振器和雙向循環減振器，下面根據兩者的結構分析各自的剛度特性。

1.1 單向循環油壓減振器

圖1為減振器油單向循環原理。阻尼閥a設置在導承上，單向閥b設置在活塞上，單向閥c設置在底閥上。當減振器拉伸時，活塞受到拉伸力的作用，向上方運動，單向閥b關閉，單向閥c開啟，有桿腔Ⅲ中的油液通過阻尼閥a流到儲油缸Ⅰ中，儲油缸Ⅰ中的油液通過底閥上的單向閥c流到無桿腔Ⅱ中；當減振器壓縮時，活塞受到壓縮力的作用，向下方運動，單向閥b開啟，單向閥c關閉，無桿腔Ⅱ中的油液通過活塞上的單向閥b流到有桿腔Ⅲ，有桿腔Ⅲ中的油液又通過導承上的阻尼閥a流入儲油缸Ⅰ?？梢钥吹綗o論是拉伸還是壓縮運動，油液始終朝一個方向循環流動，所以稱為單向循環減振器。

1.2 雙向循環油壓減振器

圖2為減振器油雙向循環原理。阻尼閥b、c設置在活塞上，阻尼閥a、單向閥d設置在底閥上。當減振器拉伸時，活塞受到拉伸力的作用向上方運動，阻尼閥c、單向閥d開啟，阻尼閥b、a關閉，有桿腔Ⅲ中的油液通過活塞上的阻尼閥c流到無桿腔Ⅱ，儲油缸Ⅰ中的油液通過底閥上的單向閥d流到無桿腔Ⅱ；當減振器壓縮時，活塞受到壓縮力的作用向下方運動，阻尼閥c、單向閥d關閉，阻尼閥b、a開啟，無桿腔Ⅱ中的油液通過阻尼閥b、阻尼閥a，分別流到有桿腔Ⅲ和儲油缸Ⅰ。油壓減振器在拉伸和壓縮過程中，油液在腔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中雙向循環流動，且流動方向正好相反，所以稱為雙向循環減振器。

2 減振器剛度特性分析

影響油壓減振器剛度特性的主要因素包括兩端的橡膠關節、油液的彈性與可壓縮性等。橡膠關節的剛度與減振器內部結構無關，是單獨的研究對象，不屬于本文的研究內容。我們主要針對不同的減振器內部結構，分析油液的可壓縮性對其剛度的影響。

油液存在一定的可壓縮性，它的體積壓縮系數κ為：

(1)

其中：ΔV為油液體積變化量；Δp為油液壓力變化量；V0為初始油液體積。

圖1減振器油單向循環原理圖2減振器油雙向循環原理

油液的體積彈性模量K為：

(2)

在外力的作用下，封閉在減振器內的油液就像一個彈簧，外力增大，體積減??；外力減小，體積增大。

2.1 單向循環油壓減振器剛度分析

圖3為單向循環油壓減振器結構示意圖，活塞受到外力的作用拉伸時，向上產生位移Δx，下腔壓力為0，上腔壓力升高Δp1，即：

(3)

其中：A1為活塞有桿腔環形面積；V1為上腔初始油液體積。

減振器活塞受到的拉伸力F1為：

(4)

將式(4)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx(F為彈簧受力,k為彈簧剛度,x為彈簧壓縮量)，可以得到減振器拉伸剛度Kh1：

(5)

活塞受到外力的作用壓縮時，向下產生位移Δx，由于油液是單向流動，使得下腔與上腔壓力相等，壓力升高Δp2，即：

(6)

其中：A2為活塞無桿腔面積；V2為下腔初始油液體積。

減振器活塞受到的壓縮力F2為：

(7)

其中：A3為活塞桿截面積。

將公式(7)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx，可以得到減振器壓縮剛度Kh2：

(8)

比較一下公式(5)和公式(8)，單循環油壓減振器為了保證拉伸與壓縮阻尼力一致,活塞有桿腔環形面積A1與活塞桿截面積A3是相同的，而V1+V2>V1，因此Kh1>Kh2。

減振器工作時的安裝位置一般在油缸的中心點,那么V1+V2=3V1，因此對于單循環油壓減振器來說，拉伸剛度遠遠大于壓縮剛度。

2.2 雙向循環油壓減振器剛度分析

圖4為雙向循環油壓減振器結構示意圖?；钊艿酵饬Φ淖饔美鞎r，向上產生位移Δx，下腔壓力為0，上腔壓力升高Δp1，即：

(9)

減振器活塞受到的拉伸力F1為：

(10)

將公式(10)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx，可以得到減振器拉伸剛度Kh1：

(11)

活塞受到外力的作用壓縮時，向下產生位移Δx，上腔壓力為0，下腔壓力升高Δp2，即：

(12)

減振器活塞受到的拉伸力F2為：

(13)

將公式(13)類比于彈簧受力與形變的公式F=kx，可以得到減振器壓縮剛度Kh2：

(14)

比較一下公式(11)和公式(14)，我們假設減振器工作時的安裝位置在油缸的中心點，則L1=L2，而A1>A2，因此Kh1>Kh2。對于雙循環油壓減振器來說，拉伸剛度仍然是大于壓縮剛度，但是兩者之間的差距沒有單循環減振器那么大，為了縮小兩者的差距，可以盡量減小活塞桿的面積。

圖3單向循環油壓減振器結構示意圖圖4雙向循環油壓減振器結構示意圖

3 試驗驗證

我們通過試驗來驗證上述的分析結果。挑選兩支減振器，一支是單循環，另一支是雙循環，兩者在低頻大位移下的阻尼力特性基本相同，如表1所示。

表1 減振器阻尼力

分別對單循環和雙循環減振器位移為±1 mm、頻率為1 Hz～10 Hz的特性進行了示功圖測試，結果如圖5、圖6所示。試驗結果表明：盡管兩者在低頻大位移下的阻尼特性幾乎完全相同，但是在小位移工況下，剛度特性占據主導地位；單循環減振器的拉伸力遠遠大于壓縮力，雙循環的減振器拉伸力略大于壓縮力。這與之前的理論分析是一致的。

圖5 單循環減振器示功圖

4 結論

本文從減振器的原理特點入手，分析了單循環減振器和雙循環減振器的剛度特性，并通過試驗進行了比較和驗證，得出以下幾點結論：

(1) 在高頻小位移的工況下，減振器剛度特性占據主導地位，主要影響因素是油液的可壓縮性。

(2) 在高頻小位移的工況下，單循環減振器的拉伸剛度遠大于壓縮剛度，造成拉伸力遠大于壓縮力；雙循環減振器的拉伸剛度略微大于壓縮剛度，造成拉伸力略微大于壓縮力。

(3) 為了保證雙循環減振器的拉伸壓縮盡量對稱，可以在不影響強度的基礎上盡量縮小活塞桿的直徑。

(4) 要保證高頻小位移下的剛度特性，應優先選用雙循環減振器。

圖6 雙循環減振器示功圖