液压减振器散热性能

hwo 为竖直状态缸筒外表面换热系数；
Ahn 为内筒内表面积；
Aw１ 为外筒外表面积。 如果将减振器外筒壁喷涂成黑色，则还需要考
虑热辐射的换热量，表达式为：
rr r r rr ４
４
Pwf ＝ εCb
Tw １００
－
T∞ １００
Aw１
（７）
式中，
ε 为热辐射发射率；
Cb 为黑体辐射系数；
Tw 为外筒外壁温度；
πLy（λｋ＋λy）
＋
１ hywiAhn
＋
１ hwoAw１
（６）
式中，
T∞ 为环境温度；
rhw 为液压减振器内筒外径；
rhn 为内筒内径；
rhw１ 为外筒外径；
rhn１ 为外筒内径；
Ly 为缸筒长度；
λ 为缸体材料导热系数；
λk 为空气导热系数；
λy 为油Leabharlann Baidu导热系数；
hwyi 为层流状态下内筒表面的强迫对流换热系数；
ζ 为油液的粘温系数。
参考可调式线性液压减振器的泄漏模型，可以
得出在拉伸、压缩状态下液压减振器的动态泄漏系
数 Klx、Klc 与工作油温的函数关系分别为：
Equipment Manufacturing Technology No.11，2012
液压减振器散热性能研究
尹志敏
（中南大学机电工程学院，湖南 长沙 ４１００８３）
摘 要：液压减振器是通过消耗机械能实现减振目的的装置，但目前其散热效果并不理想，温度升高导致了减振器整体 性能下降。利用路面不平度激励模型、悬架系统振动模型、热量传递模型，通过能量守恒定律建立了液压减振器的热力 学平衡数学模型。综合考虑油液泄漏特性、密封特性以及液压减振器阻尼性能界定其许用油温。对液压减振器散热参数 进行了分析研究，且试验结果表明分析模型与设计方法正确，为减振器的设计提供参考。 关键词：液压减振器；油温；散热
１ 耦合热动力学模型
路面不平度的统计特性研究表明，路面不平度
的速度功率谱密度函数 G（q f）为
２
２
G（q觶 f）＝ ４π Gq（n０）n０ u
（１）
式中，
G（q n０）为路面不平度系数；
n０ 为参考空间频率；
u 为车速。
图 １ 为汽车悬架二自由度振动模型，根据力学
原理，可以得到系统的振动微分方程的矩阵形式为：
温度 Tm、液压油闪点温度 Ts 和满足减振器阻尼性能
的许用油温 Tt。
油温上升会引起油液粘度下降，泄漏量增加，使
得液压减振器有效工作流量减少，这对灵敏度较高
的小孔阻尼器件来说影响是显著的。
液压减振器油液粘温关系为：
γ
＝
γo
－ζ（T
e
－
T０）
（８）
式中，
γ、γo 分别为温度 T、T０ 时油液的运动粘度；
式中，
Cm 为减振器缸体材料比热容；
Mm 为缸体外壳质量；
Cl 为减振器油液比热容；
Ml 为减振器油液质量；
T 为减振器实时温度；
T０ 为减振器初始温度。
考虑热辐射时油液散发到外界的综合热量表达
式为：
Pw ＝
T－T∞
ｌｎ
rhw rhn
２λπLy
＋
ｌｎ
rhw１ rhn１
２λπLy
＋
ｌｎ
rhn１ rhw
余卓平等［１￣２］建立了耦合动力学效应的理论分析 模型，利用减振器发热特性实验建立了减振器热动 力学模型，研究找到了对减振器发热平衡温度有较 大影响的因素。顾亮等［３］推导了减振器与油液相关传 热系数和热传导方程，得出了综合热量传递表达式。 刘韶庆等［４］提出了基于散热因素的磁流变减振器的 结构参数设计要求，并对某型号商品进行了台架试 验，具有良好的参考价值。王文林等［５］综合考虑油压 减振器油液特性及阻尼特性得出许用油温，进而对 减振器的散热参数进行设计计算。国外一些文献 ［６￣７］也对液压减振器进行了深入地研究，论文采用 了热动力学耦合混合神经网络减振器模型对车辆进 行了动力学仿真。但是，目前国内外学者对液压减振 器热力学和散热性能方面的研究还不够系统完善， 本文在此基础上进行更深入地研究。
中图分类号：Ｖ４６３．３３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１２）１１－０００４－０３
减振器是车辆悬架系统的重要部件，对操作平稳 性和乘坐舒适性有着重要的影响。目前液压减振器应 用较为广泛，其是通过活塞阀体上若干小孔的节流效 应产生阻尼力，将悬架系统机械振动的机械能转化为 热能，从而衰减悬架系统的纵向机械振动。路面不平 度激励引起液压减振器两端相对运动，提供了能量来 源。液压减振器衰减振动能量产生的热量一部分由减 振器元件及内部油液吸收，使得减振器油温升高；另 一部分由于减振器外表面与环境温度的温度差而导 致持续不断的热量流失。减振器油温升高后密封件会 加速老化甚至失效，容易导致油液的泄漏；另一方面 减振器温度升高导致油液粘度变化，从而影响液压减 振器的阻尼性能。这些因素都必须在液压减振器散热 参数和结构参数设计予以考虑。
２ 许用油温的界定
当液压减振器工作时，油液的温度是不能无限
制升高的。在上升到许用油温时，要求减振器能够达
到一个新的热平衡，做功产生的热能能够完全被耗
散掉，从而保证减振器油温不再增加。所以在减振器
设计时必须要考虑其工作状态时的最高许用油温。
液压减振器许用油温 Tu 的确定主要考虑到以下
几个方面：高温时的油液泄漏、密封材料的稳定边界
式中，
Fd 为液压减振器阻尼力；
z 和 zt 分别为车身和车轮质量的垂直位移；
q 为路面不平度位移函数。
m
k
Fd
mt
kt
ct
图 １ 汽车悬架自由度振动模型
液压减振器能量输入功率 Pd 为：
收稿日期：２０１２－０８－１５ 作者简介：尹志敏，男，湖南邵阳人，主要研究方向为车辆工程。
4
《装备制造技术》２０１２ 年第 １１ 期
Pd ＝ F（d z觶 － z觶）t
（３）
从能量平衡角度考虑，减振器消耗的能量除了
散发到外界外，其余的能量则导致自身温度升高，由
此可以建立液压减振器的能量平衡式为：
Pw ＋ Ps ＝ Pd
（４）
式中，
Pw 为散热量；
Ps 为温升量。
减振器温升量的具体表达式为：
Ps ＝（CmMm ＋ Cl M）l （T － T０） （５）
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z咬#
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＝
z ＝ ０ q觶 ＋ ０ q
－k k＋kt zt ct
kt
（２）