双筒式减振器的热力学模型

　　目前,车辆上广泛应用的双筒式液压减振器工艺简单、成本低廉,但散热困难。因为它主要通过阻尼阀对油液节流产生阻尼力衰减车身振动,所消耗掉的振动能量将转换成为热能,使缸体温度不断升高。当缸体温度达到并超过密封件所能承受的极限温度后很容易导致油液的泄漏。虽然减振装置的散热能力对系统可靠性影响很大,但由于涉及不少跨学科专业知识,所以国内还没有展开相关的研究工作,国外公开出版的文献也甚少。基于这种情况,本文对双筒式减振器的热力学模型进行了系统研究。

　　1　热力学物理模型

　　建立的双筒式液压减振器热力学物理模型如图1所示。将两只缸筒套装在一起,在内筒中形成了减振器的工作室,内外筒之间为储油腔,用来储存和补偿工作室中的油液;储油腔中通常充有一定压力的空气,按照常规设计,可设其中油液占储油腔容积的一半;活塞杆下端装有活塞,在内筒中起支承和导向作用,并将工作室隔离为上下两腔;活塞上安装有压缩和复原阀,通过对油液节流产生阻尼力衰减车身的振动;底阀将下腔与储油腔隔离开,具有泄流及向工作室补充油液的作用,以防止减振器出现空程性畸变。

　　图1中,Dhw为内筒外径;Dhw1为外筒外径;Dhn为内筒内径;Dhn1为外筒内径;Dg为活塞杆直径;Ty为油液温度;Tw1为内筒内壁温度;Tw2为内筒外壁温度;Tw3为外筒内壁温度;Tw4为外筒外壁温度;h为外筒壁厚;h1为内筒壁厚;T∞为外界环境温度;V为活塞杆运动速度;Ly为缸筒长。

　　2　热力学数学模型

　　2.1　生热机理

　　如图1所示,在工作过程中双筒式减振器阻尼力所消耗的振动能量被用来增加油液分子的热力学能,宏观上表现为油液温度的升高,其能量的传递关系为:在初始时刻,缸内温度与环境温度相同。压缩行程时,下腔部分油液通过活塞上的压缩阀进入上腔,以补充其增大的容积;另一部分油液则通过底阀进入储油腔。在油液流过阻尼阀时,由于速度很快,流体与外界的热量交换通常很少,但在阻尼阀附近会产生涡流、扰动(流体的内摩擦)等现象,所以节流是典型的存在内摩擦的绝热流动过程。理论上讲,流过阻尼阀的油液所产生的动能与增加的热力学能之和同压缩阻尼力做的功是守恒的,当下腔油液通过阀组分别进入上腔和储油腔后,将与两腔中的油液混合并发生热力学能的变化;复原行程时,上腔油液通过活塞上的复原阀进入下腔,而储油腔中的部分油液通过底阀也进入下腔以补充其增大的容积。同理,流过阻尼阀的油液所产生的动能与增加的热力学能之和同复原阻尼力做的功是守恒的。当这两部分油液进入下腔后,会导致油液热力学能的再次变化,就这样周而复始,最终油液温度不断升高。