液壓減振器散熱性能研究

尹志敏

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083）

減振器是車輛懸架系統的重要部件，對操作平穩性和乘坐舒適性有著重要的影響。目前液壓減振器應用較為廣泛，其是通過活塞閥體上若干小孔的節流效應產生阻尼力，將懸架系統機械振動的機械能轉化為熱能，從而衰減懸架系統的縱向機械振動。路面不平度激勵引起液壓減振器兩端相對運動，提供了能量來源。液壓減振器衰減振動能量產生的熱量一部分由減振器元件及內部油液吸收，使得減振器油溫升高；另一部分由于減振器外表面與環境溫度的溫度差而導致持續不斷的熱量流失。減振器油溫升高后密封件會加速老化甚至失效，容易導致油液的泄漏；另一方面減振器溫度升高導致油液粘度變化，從而影響液壓減振器的阻尼性能。這些因素都必須在液壓減振器散熱參數和結構參數設計予以考慮。

余卓平等[1～2]建立了耦合動力學效應的理論分析模型，利用減振器發熱特性實驗建立了減振器熱動力學模型，研究找到了對減振器發熱平衡溫度有較大影響的因素。顧亮等[3]推導了減振器與油液相關傳熱系數和熱傳導方程，得出了綜合熱量傳遞表達式。劉韶慶等[4]提出了基于散熱因素的磁流變減振器的結構參數設計要求，并對某型號商品進行了臺架試驗，具有良好的參考價值。王文林等[5]綜合考慮油壓減振器油液特性及阻尼特性得出許用油溫，進而對減振器的散熱參數進行設計計算。國外一些文獻[6～7]也對液壓減振器進行了深入地研究，論文采用了熱動力學耦合混合神經網絡減振器模型對車輛進行了動力學仿真。但是，目前國內外學者對液壓減振器熱力學和散熱性能方面的研究還不夠系統完善，本文在此基礎上進行更深入地研究。

1 耦合熱動力學模型

路面不平度的統計特性研究表明，路面不平度的速度功率譜密度函數Gq（f）為

式中，

Gq（n0）為路面不平度系數；

n0為參考空間頻率；

u為車速。

圖1為汽車懸架二自由度振動模型，根據力學原理，可以得到系統的振動微分方程的矩陣形式為：

式中，

Fd為液壓減振器阻尼力；

z和zt分別為車身和車輪質量的垂直位移；

q為路面不平度位移函數。

圖1 汽車懸架自由度振動模型

液壓減振器能量輸入功率Pd為：

從能量平衡角度考慮，減振器消耗的能量除了散發到外界外，其余的能量則導致自身溫度升高，由此可以建立液壓減振器的能量平衡式為：

式中，

Pw為散熱量；

Ps為溫升量。

減振器溫升量的具體表達式為：

式中，

Cm為減振器缸體材料比熱容；

Mm為缸體外殼質量；

Cl為減振器油液比熱容；

Ml為減振器油液質量；

T為減振器實時溫度；

T0為減振器初始溫度。

考慮熱輻射時油液散發到外界的綜合熱量表達式為：

式中，

T∞為環境溫度；

rhw為液壓減振器內筒外徑；

rhn為內筒內徑；

rhw1為外筒外徑；

rhn1為外筒內徑；

Ly為缸筒長度；

λ為缸體材料導熱系數；

λk為空氣導熱系數；

λy為油液導熱系數；

hwyi為層流狀態下內筒表面的強迫對流換熱系數；

hwo為豎直狀態缸筒外表面換熱系數；

Ahn為內筒內表面積；

Aw1為外筒外表面積。

如果將減振器外筒壁噴涂成黑色，則還需要考慮熱輻射的換熱量，表達式為：

式中，

ε為熱輻射發射率；

Cb為黑體輻射系數；

Tw為外筒外壁溫度；

2 許用油溫的界定

當液壓減振器工作時，油液的溫度是不能無限制升高的。在上升到許用油溫時，要求減振器能夠達到一個新的熱平衡，做功產生的熱能能夠完全被耗散掉，從而保證減振器油溫不再增加。所以在減振器設計時必須要考慮其工作狀態時的最高許用油溫。

液壓減振器許用油溫Tu的確定主要考慮到以下幾個方面：高溫時的油液泄漏、密封材料的穩定邊界溫度Tm、液壓油閃點溫度Ts和滿足減振器阻尼性能的許用油溫Tt。

油溫上升會引起油液粘度下降，泄漏量增加，使得液壓減振器有效工作流量減少，這對靈敏度較高的小孔阻尼器件來說影響是顯著的。

液壓減振器油液粘溫關系為：

式中，

γ、γo分別為溫度T、T0時油液的運動粘度；

ζ為油液的粘溫系數。

參考可調式線性液壓減振器的泄漏模型，可以得出在拉伸、壓縮狀態下液壓減振器的動態泄漏系數Klx、Klc與工作油溫的函數關系分別為：

式中，

ρ為油液密度；

Dhn、d分別為減振器活塞、活塞桿直徑；

δ1、δ2分別為活塞、活塞桿處的環形間隙量；

δ3為壓力筒一端的端面的間隙量；

C1、C2、C3分別為各縫隙流動處的層流起始段修正系數；

L、l分別為活塞、活塞桿動密封處的密封寬度；

r1、r2分別為壓力缸筒端面處內外密封帶半徑。

研究發現[5]：液壓減振器拉伸狀態下的動態泄漏系數Klx(t)比壓縮狀態下的動態泄漏系數Klc(t)大，因此應以拉伸狀態下的動態泄漏系數Klx(t)為計算許用油溫的標準。

液壓減振器典型工作點阻尼力存在著極限允許值，則此時所對應的油溫即為滿足液壓減振器阻尼性能的許用油溫Tt。

式中：Klxu為液壓減振器拉伸狀態下許用動態泄漏系數。

液壓減振器許用油溫Tu應取為Tm、Ts和Tt的最小值。

3 散熱參數研究

通過數學軟件Matlab對減振器數學模型進行迭代計算，選取熱輻射發射率及減振器散熱面積兩個參數進行重點研究。

圖2 不同熱輻射發射率油溫對比

圖2 為選取不同熱輻射發射率時的油溫對比。發射率為0時表示不考慮熱輻射，最終油液溫度為401 K，高出了液壓油的許用油溫；當發射率為0.5時，油液最終溫度為387 K；減振器外壁噴涂成黑色時，類似于黑體輻射，發射率為0.97，油液最終溫度為366 K。隨著減振器缸體外壁熱輻射發射率越大，油液最終溫度越低。

圖3 不同散熱面積油溫對比

圖3 為液壓減振器缸筒外壁不同散熱面積的最終油溫對比。散熱面積為0.005 m2時，最終油溫可達357 K，高出了許用油溫；散熱面積分別為0.008 m2及0.011 m2時最終油溫為381 K和396 K。液壓減振器散熱面積越大，油液最終溫度越低。

在B級路面，環境溫度為28℃的狀況下進行行車試驗，結果證實了散熱參數的仿真研究。

4 結束語

（1）基于耦合熱動力學，綜合考慮許用油溫的散熱參數設計方法是可行的。

（2）液壓減振器缸筒外壁熱輻射發射率越大，油液最終溫度越低。將減振器外壁噴涂成黑色時，有較好的散熱性能。

（3）液壓減振器散熱面積越大，油液平衡溫度越低。盡量增大減振器散熱面積可以獲得較好的散熱性能。

[1]余卓平，王欲峰，等.汽車液壓減振器熱—機耦合動力學影響因素分析[J].機械設計，2007，24(11):29-31．

[2]張立軍，余卓平，等.汽車懸架液壓減振器熱機耦合動力學模型[J].同 濟大 學 學 報（自然科 學 版），2008，36(12)：1691-1696．

[3]陳軼杰，顧 亮.雙筒式減振器熱力學模型[J].吉林大學學報（工學版），2008，38(5)：1086-1090．

[4]劉韶慶，周孔亢，等.單筒磁流變減振器散熱性能研究[J].拖拉機與農用運輸車，2008，35(2)：14-16．

[5]王文林.油壓減振器的油溫敏度與散熱參數設計研究[J].

[6]V.PRACNY．Full vehicle simulation using thermo mechanically coupled hybrid neural network shock absorber model[J].Vehicle System Dynamics，2008，46(3)：229-238．

[7]STEFAAAN W.R.DUYM．Simulation tools，modeling and identification，for an automotive shock absorber in the context of vehicle dynamics[J].Vehicle System Dynamics，2000(33)：261-285．

[8]代曉會，陳守強.提高傳動實驗測試精度的探討[J].裝備制造技術，2008，(10)：22-23．