車(chē)輛減振器油液微小內(nèi)泄漏分析*

(華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西南昌 330013)

隨著現(xiàn)代車(chē)輛技術(shù)的不斷進(jìn)步，車(chē)輛行駛速度的提高，人們對(duì)車(chē)輛的平穩(wěn)性有了更高的要求[1-2]。因此，對(duì)減振器及其油液泄漏量的要求也相應(yīng)提高，要求在適應(yīng)各種復(fù)雜路況的環(huán)境下減振器油液泄漏量最小，進(jìn)而提高減振器的減振性能。減振器油液內(nèi)泄漏除受路面工況環(huán)境、外界溫度等條件影響外，還受振動(dòng)時(shí)內(nèi)部的流場(chǎng)分布及密封間隙壓力、速度變化等條件的影響。為了對(duì)減振器減振性能進(jìn)行優(yōu)化，有必要對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)分布及密封間隙壓力、速度、溫度等進(jìn)行研究。

盡管?chē)?guó)內(nèi)對(duì)減振器進(jìn)行了大量的研究，但大多數(shù)是從密封圈結(jié)構(gòu)等影響外泄漏方面進(jìn)行研究，而從減振器內(nèi)部流場(chǎng)分布及密封間隙壓力、速度變化等方面的研究卻不多。周長(zhǎng)城和徐偉[1]從減振器油液及其運(yùn)動(dòng)、減振器摩擦力和密封圈結(jié)構(gòu)等方面，對(duì)減振器泄漏進(jìn)行了分析和改進(jìn),但對(duì)減小減振器的內(nèi)泄漏量效果甚微。檀潤(rùn)華等[3]通過(guò)分析與仿真油液的容積彈性模量對(duì)減振器速度特性的直接影響，指出容積彈性模量化對(duì)仿真結(jié)果有一定的影響，但油液的容積彈性模量并未對(duì)減振器的內(nèi)泄漏產(chǎn)生影響。馮占宗和張進(jìn)秋[4]將減振器油液泄漏縫隙簡(jiǎn)化成一個(gè)與常通孔并聯(lián)的等效節(jié)流通道,并通過(guò)伯努利方程對(duì)常通孔流量進(jìn)行計(jì)算，但只是通過(guò)等效節(jié)流通道對(duì)泄漏量進(jìn)行了分析，并未考慮實(shí)際減振器內(nèi)泄漏所受環(huán)境條件的影響。張佳明等[5]通過(guò)模擬得到了葉片式液壓減振器在不同速度激勵(lì)、油液溫度下，相鄰高、低壓腔內(nèi)壓差大小及變化規(guī)律，但未考慮減振器內(nèi)泄漏量的變化情況。丁國(guó)棟[6]分析了油液從缸體與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架之間的接觸面逸出的原因，并提出了一些結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，但改進(jìn)成本高。ZHANG等[7]基于TRIZ創(chuàng)新理論，從偶然分析、功能分析、矛盾和Su-Field建模找到降低汽車(chē)減振器漏油發(fā)生率的解決方案，但這些方案并未改變減振器內(nèi)部環(huán)形間隙油液微小內(nèi)泄漏量。江華軍和林妙順[8]研究和分析了減振器漏油的原因，但并未提出具體的減小減振器油液內(nèi)泄漏方案。劉紹娜等[9]利用減振器特性綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)隨機(jī)購(gòu)買(mǎi)的4種液力減振器進(jìn)行了阻尼特性試驗(yàn),由示功圖分析了減振器在性能上存在的缺陷，但并未分析減振器油液微小內(nèi)泄漏量。范平麗等[10]提供一種減振器總成漏油問(wèn)題系統(tǒng)的分析方法，并未對(duì)減振器內(nèi)部環(huán)形間隙進(jìn)行油液微小泄漏量的分析。

本文作者針對(duì)減振器的油液內(nèi)泄漏問(wèn)題，對(duì)微小內(nèi)泄漏進(jìn)行理論分析，運(yùn)用 Autodesk Inventor三維建模軟件建立幾何模型，采用CFD仿真技術(shù)對(duì)上腔與下腔之間活塞與缸筒間的間隙內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的示功圖檢查油液內(nèi)泄漏情況，以尋求減小油液內(nèi)泄漏量的最佳結(jié)構(gòu)密封間隙。

1 減振器泄漏分析

減振器油液泄漏是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。車(chē)輛減振器的內(nèi)泄漏和外泄漏均對(duì)減振器的減振性能毫無(wú)益處，油液內(nèi)泄漏會(huì)使減振器性能下降。在減振器最初設(shè)計(jì)時(shí)不可避免地存在油液內(nèi)泄漏，在減振器實(shí)際的生產(chǎn)制造過(guò)程中無(wú)法杜絕內(nèi)泄漏，因此要對(duì)影響減振器內(nèi)泄漏量的因素進(jìn)行優(yōu)化，控制減振器設(shè)計(jì)精度，使得油液內(nèi)泄漏對(duì)減振器阻尼影響最小，從而提高減振器的減振性能[11]。

內(nèi)泄漏量的大小影響減振器設(shè)計(jì)時(shí)液壓阻尼力的變化，造成減振器內(nèi)泄漏有流場(chǎng)分布及密封間隙壓力、速度變化等因素[12]。在減振器缸筒內(nèi)活塞沿缸筒內(nèi)壁為軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞和缸筒結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)軸對(duì)稱形式，活塞和缸筒內(nèi)壁之間采用間隙密封形式[13]。在減振器減振過(guò)程中，活塞和缸筒內(nèi)壁之間的液壓油會(huì)形成一種環(huán)形流場(chǎng)，這一流場(chǎng)會(huì)將活塞和缸筒內(nèi)壁分隔開(kāi)，使兩接觸面在減振過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生接觸，也不會(huì)產(chǎn)生摩擦[14]。兩接觸面間環(huán)形間隙的流場(chǎng)分布如圖1所示。圖2所示是環(huán)形間隙剖面圖，其參數(shù)為:環(huán)形間隙內(nèi)徑d=28 mm；環(huán)形間隙h分別取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、3.8 mm；環(huán)形間隙外徑D=d+h。

圖1 環(huán)形間隙結(jié)構(gòu)圖

圖2 環(huán)形間隙剖面圖

2 流體在環(huán)形間隙中的流動(dòng)特性理論分析

減振器缸筒與活塞間的環(huán)形間隙中流體的速度與壓差、間隙、活塞運(yùn)動(dòng)速度等因素有關(guān)[15]。縫隙中流體產(chǎn)生的流動(dòng)有2種： 一種是由于縫隙兩端壓力差造成的流動(dòng)；另一種是構(gòu)成縫隙的兩壁面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)[16]。但是縫隙中產(chǎn)生的流動(dòng)主要是由縫隙兩端壓力差造成的，間隙大小與其他尺寸相比可以忽略，故環(huán)形間隙可簡(jiǎn)化成如圖3所示，通過(guò)該環(huán)形間隙對(duì)流體流動(dòng)狀況進(jìn)行研究。

流體速度：

(1)

式中：u是流體速度；z為距離節(jié)流口上端的距離；x為流體沿節(jié)流口流過(guò)的距離；μ為比熱容；p是節(jié)流口流體壓力；u0為流入環(huán)形節(jié)流口間隙的初始速度；h為環(huán)形間隙寬度；L為環(huán)形間隙總長(zhǎng)度。

油液泄漏量：

(2)

式中：Q是油液泄漏量；D為節(jié)流孔直徑。

當(dāng)u0與液體流過(guò)縫隙的泄漏量方向同向時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。文中u0與液體流過(guò)縫隙的泄漏量方向同向，故在應(yīng)用時(shí)均取正號(hào)。

圖3所示為活塞與缸筒環(huán)形縫隙中單位油液分子受力分析圖，其中p為正壓力，τ為切向力，h為環(huán)形間隙寬度，L為環(huán)形間隙總長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)環(huán)形間隙中油液流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)環(huán)形間隙中單位液體進(jìn)行三維空間受力分析，可以得出單位油液分子正應(yīng)力與切應(yīng)力的變化情況，進(jìn)而得出整個(gè)環(huán)形間隙油液受力情況，從理論上驗(yàn)證油液仿真分析的可行性。

圖3 活塞與缸筒環(huán)形縫隙中流體受力分析

3 間隙流場(chǎng)仿真分析

在進(jìn)行減振器活塞與缸筒之間的間隙流場(chǎng)仿真時(shí)，設(shè)流場(chǎng)入口條件為速度壓力入口，出口條件為速度壓力出口；密封間隙入口的速度設(shè)置為1 m/s，兩者之間的壓差為1 000 Pa；將減振器活塞與缸筒之間的間隙中的流體流動(dòng)簡(jiǎn)化為層流狀態(tài)，并對(duì)邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到理想的密封間隙流場(chǎng)模型，并對(duì)環(huán)形間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

3.1 流場(chǎng)速度、壓力和動(dòng)能分布

3.1.1 活塞靜止時(shí)流體速度和壓力分布

密封間隙中，節(jié)流口的作用是把上游流體的壓力能轉(zhuǎn)變成速度能。假設(shè)密封間隙為1 mm，為研究流體流過(guò)環(huán)形間隙時(shí)，節(jié)流口流體的速度、壓力參數(shù)對(duì)減振器油液微小內(nèi)泄漏的影響，需對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行速度、壓力仿真分析。仿真分析得到的活塞靜止時(shí)密封間隙的速度矢量圖如圖4所示，活塞靜止時(shí)密封間隙的壓力特性圖如圖5所示。

圖4 活塞靜止時(shí)密封間隙流體速度云圖

圖5 活塞靜止時(shí)密封間隙流體壓力云圖

圖4表明，流體經(jīng)過(guò)間隙時(shí)，液壓油的速度逐漸下降，在節(jié)流口上端，密封間隙入口的速度為0.1 m/s，流體剛進(jìn)入間隙，速度瞬間增大，達(dá)到最大值110.9 m/s；隨著間隙中的流體向下運(yùn)動(dòng)，液壓油的速度也逐漸下降，當(dāng)油液沿節(jié)流口從環(huán)形間隙流出時(shí)，油液速度為99.66 m/s。可見(jiàn)，液壓油在節(jié)流孔中的速度基本呈現(xiàn)非線性下降趨勢(shì)。圖5表明，從流場(chǎng)入口到流場(chǎng)出口環(huán)形間隙中液壓油壓力逐漸下降，在密封間隙入口處壓力最大為1 000 Pa，而在密封間隙出口處壓力最小為920 Pa。可見(jiàn)，在環(huán)形間隙中液壓油壓力基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.1.2 活塞靜止時(shí)流體湍流動(dòng)能分布

湍流動(dòng)能是湍流速度漲落方差與流體質(zhì)量乘積的1/2，它是衡量湍流混合能力即流體流動(dòng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。前文是基于層流狀態(tài)下的CFD仿真分析，為研究湍流狀態(tài)下流體流過(guò)環(huán)形間隙時(shí)，節(jié)流口流體湍流動(dòng)能是否對(duì)減振器油液微小內(nèi)泄漏有影響，需要在活塞靜止時(shí)，對(duì)環(huán)形間隙流體湍流動(dòng)能進(jìn)行有限元仿真分析。在采用CFD求解模塊時(shí)將層流改為湍流，其他參數(shù)條件不變，環(huán)形間隙入口速度為1 m/s，活塞靜止時(shí)密封間隙流體動(dòng)能分布云圖如圖6所示。

圖6 活塞靜止時(shí)環(huán)形間隙湍流動(dòng)能分布云圖

由圖6可知，流體剛開(kāi)始流入密封間隙時(shí)，液壓油的湍流動(dòng)能較大，為1 510 m2/s2，流體流動(dòng)穩(wěn)定性較差；隨著流體在間隙中的流動(dòng)，液壓油的湍流動(dòng)能逐漸減小，流體流動(dòng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，即湍流動(dòng)能的最小值為34.94 m2/s2。由于油液湍流動(dòng)能在節(jié)流孔道中前半程變化較快，由此可得減振器油液內(nèi)泄漏也受湍流動(dòng)能的影響。

3.1.3 活塞靜止時(shí)流體溫度變化情況

為了考察活塞靜止時(shí)，流體溫度變化對(duì)密封間隙油液泄漏量的影響，對(duì)活塞靜止時(shí)密封間隙內(nèi)油液溫度進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 活塞靜止時(shí)密封間隙流體溫度分布云圖

由圖7可知，流體從剛開(kāi)始流入密封間隙到流出密封間隙時(shí)，密封間隙入口以及節(jié)流孔前半部分溫度為29 820 K，密封間隙出口以及節(jié)流孔后半部分溫度為29 810 K左右，即液壓油在整個(gè)環(huán)形間隙流動(dòng)過(guò)程中溫度幾乎沒(méi)有變化，因此可以得出減振器油液內(nèi)泄漏受溫度變化的影響不大。

4 環(huán)形間隙流場(chǎng)試驗(yàn)分析

為研究在減振器活塞運(yùn)動(dòng)情況下，節(jié)流口流速以及環(huán)形間隙變化對(duì)減振器油液內(nèi)泄漏的影響，文中采用捷克某公司研制的減振器性能綜合測(cè)試Inova示功機(jī)來(lái)測(cè)試減振器環(huán)形間隙的油液內(nèi)泄漏，得出了影響減振器油液內(nèi)泄漏的影響因素，為減振器密封性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。圖8所示為測(cè)試油液內(nèi)泄漏的減振器綜合性能測(cè)試示功機(jī)。

圖8 減振器綜合性能測(cè)試Inova示功機(jī)

4.1 活塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)節(jié)流口速度的影響

為研究活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)減振器油液內(nèi)泄漏的影響，首先分析不同活塞運(yùn)動(dòng)速度下間隙流體速度分布。圖9所示為活塞速度分別為0.05、0.1、0.5、1 m/s時(shí)，通過(guò)示功機(jī)試驗(yàn)測(cè)試得到的不同活塞速度下節(jié)流口流體速度分布曲線。

圖9 不同活塞速度下節(jié)流口流體速度分布

從圖9可以得出：隨著減振器活塞速度的增大，節(jié)流口處的流體速度也逐漸增大，靠近活塞處的液流速度也越來(lái)越大。這是因?yàn)楫?dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，間隙中的流體受剪切作用，由于流體與缸筒內(nèi)壁接觸時(shí)，缸筒內(nèi)壁上的流體質(zhì)點(diǎn)必然會(huì)貼附在缸筒內(nèi)壁上，不會(huì)與缸筒內(nèi)壁面發(fā)生相對(duì)位移。所以，缸筒內(nèi)壁上的流體質(zhì)點(diǎn)速度必定為0，在其附近的流體質(zhì)點(diǎn)由于黏性的作用，流速也有不同程度的減小，離缸筒內(nèi)壁越遠(yuǎn)流速越大，越接近活塞壁面處的流速。當(dāng)活塞速度大于0.5 m/s時(shí)，即間隙中的液壓油在壓差和剪切力作用下運(yùn)動(dòng)，流體速度曲線為一條遞減曲線即環(huán)形間隙從內(nèi)到外，速度依次遞減，即靠近活塞壁面的流體速度最大，靠近缸筒壁面的流體速度最小。而且在不同活塞速度下，節(jié)流口的流體速度是不一樣的，且活塞速度越大，節(jié)流口的速度也越大。當(dāng)活塞速度為0.05和0.1 m/s時(shí)，環(huán)形間隙中油液流動(dòng)速度先增大再逐漸減少，在距離活塞中心位置63.0 mm節(jié)流口處，流體流速最大，分別為570和630 m/s。而當(dāng)活塞速度為0.5和1 m/s時(shí)，油液在環(huán)形間隙中的流動(dòng)速度逐漸減少，在距離活塞中心位置63.05 mm處(即靠近儲(chǔ)油缸筒內(nèi)壁面位置)流體速度最小，最小值為500 m/s。所以活塞運(yùn)動(dòng)速度影響著油液內(nèi)泄漏量。

4.2 泄漏量分析

4.2.1 速度對(duì)泄漏量的影響

為進(jìn)一步研究環(huán)形間隙為某一特定值時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)減振器油液內(nèi)泄漏的影響，通過(guò)示功機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)環(huán)形間隙為0.1 mm時(shí)，活塞以不同速度運(yùn)行時(shí)環(huán)形密封間隙出口流體流量的變化，結(jié)果如圖10所示。

圖10 間隙為0.1 mm時(shí)活塞速度與內(nèi)泄漏量的關(guān)系

可以看出:隨著活塞速度的增大，環(huán)形間隙的出口質(zhì)量流量值也隨之增大。活塞靜止時(shí)，由于存在環(huán)形間隙，出口質(zhì)量流量較小，為6 g/s；當(dāng)活塞速度為1.2 m/s時(shí)，出口質(zhì)量流量值最大為52 g/s，即在密封間隙一定時(shí)，泄漏量與活塞速度大致成正比關(guān)系，這是因?yàn)殡S著速度的增大，間隙中流體速度也隨之增大，那么單位時(shí)間內(nèi)密封間隙出口的流體質(zhì)量就會(huì)增大，即減振器油液內(nèi)泄漏量增大。

4.2.2 間隙大小對(duì)泄漏量的影響

為了分析間隙大小對(duì)泄漏量的影響程度，調(diào)整環(huán)形間隙，通過(guò)示功機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)分析活塞以0.5 m/s的速度運(yùn)行時(shí)，環(huán)形間隙與出口流體質(zhì)量流量的關(guān)系。結(jié)果如圖11所示。

圖11 活塞速度為0.5 m/s時(shí)間隙與泄漏量的關(guān)系

由圖11可得: 隨著密封間隙的增大，泄漏量呈現(xiàn)拋物線型增長(zhǎng)；當(dāng)環(huán)形間隙為3.8 mm時(shí)，出口質(zhì)量流量達(dá)到最大值36 g/s，環(huán)形間隙為0.5 mm時(shí)，出口質(zhì)量流量達(dá)到最小值3 g/s。而當(dāng)環(huán)形間隙小于0.2 mm時(shí)，沒(méi)有油液流出，此時(shí)由于環(huán)形間隙過(guò)小，示功機(jī)測(cè)試精度有限，不能對(duì)過(guò)小的環(huán)形密封間隙進(jìn)行油液泄漏測(cè)試。同時(shí)活塞環(huán)與儲(chǔ)油缸筒內(nèi)壁接觸面積增大，容易產(chǎn)生較大的切向摩擦力，不僅對(duì)活塞環(huán)造成損傷，也影響了活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)復(fù)原閥對(duì)油液阻尼力的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而影響液壓減振器的正常工作。因此，在保證減振器正常工作和加工精度允許的條件下，得到液壓減振器環(huán)形密封的最佳間隙為0.5 mm左右。

5 結(jié)論

(1)活塞靜止時(shí)，環(huán)形間隙中液流速度、壓力呈拋物線分布，且呈逐漸下降的趨勢(shì)。環(huán)形間隙油液內(nèi)泄漏主要受環(huán)形間隙節(jié)流口速度、壓力、湍流動(dòng)能等因素影響，受溫度影響較小。

(2)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，間隙中液流速度隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度增大而增大，泄漏量隨活塞速度增大而逐漸增加。

(3)隨著密封間隙的增大，泄漏量也隨之增加，可見(jiàn)，在加工精度允許的條件下，可通過(guò)減小間隙來(lái)減小泄漏量。但在實(shí)際情況下必須留有安全間隙，試驗(yàn)得到液壓減振器環(huán)形密封的最佳間隙為0.5 mm左右。