Einfluss der Kolbentextur bei Neigungs- und Exzentrizitätsarbeitsbedingungen auf die Dämpfungseigenschaften eines hydraulischen Stoßdämpfers

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9807 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Um die Dämpfungseigenschaften eines hydraulischen Stoßdämpfers unter Kolbenneigungs- und Exzentrizitätsbedingungen genau vorherzusagen, insbesondere unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Kolbenoberflächenkonstruktion. In der vorliegenden Arbeit wurde unter Berücksichtigung der leichten Neigung und Exzentrizität des Kolbens ein detaillierteres mathematisches Modell entwickelt, um die Auswirkungen der Kolbentextur auf die Dämpfungseigenschaften abzuschätzen. Basierend auf den mathematischen Modellen des Reservoirs und des Kompressionshubs in Verbindung mit der Reynolds-Gleichung wurde ein neues Dämpfungskraftmodell entwickelt, das die Auswirkungen der Kolbenstruktur auf die Dämpfungseigenschaften analysiert. Die mathematischen Modelle der Kolbentextur, der leichten Kolbenneigung, der Kolbenexzentrizität und Kombinationen von drei Fällen werden entwickelt, um die Auswirkungen der Kolbentextur bei verschiedenen Arbeitsbedingungen auf die Dämpfungseigenschaften detailliert zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Reibungskraft des Kolbens mit zunehmendem Tiefenverhältnis parabolisch und die des Kolbens mit zunehmendem Flächenverhältnis linear zunimmt. Kolbentexturen haben nur geringe Auswirkungen auf die Dämpfungseigenschaften bei bestimmten Strukturparameterbedingungen bei normalem Kolbenbetrieb, Texturen von leicht geneigten und exzentrischen Kolben haben jedoch große Auswirkungen. Infolgedessen können Kolbentexturen zu einer hohen Dämpfungskraft führen und den Komfort und die Sicherheit beeinträchtigen. Daher ist es notwendig, dass die Auswirkungen der Kolbenoberflächenkonstruktion auf die Dämpfungseigenschaften unter verschiedenen Arbeitsbedingungen genau vorhergesagt werden. Die Ergebnisse könnten neue Erkenntnisse für die Konstruktion hydraulischer Stoßdämpfer und die Untersuchung der Fahrzeugsystemdynamik liefern.

Doppelrohr-Hydraulikstoßdämpfer werden aufgrund der ausgereiften Technologie und moderaten Kosten häufig in Aufhängungssystemen für Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge1,2 eingesetzt. Im heutigen Zeitalter wird bei Automobilen und Schienenfahrzeugen bei der Suche nach höheren Geschwindigkeiten besonderes Augenmerk auf Komfort und Sicherheit gelegt. Die dynamischen Dämpfungseigenschaften des hydraulischen Stoßdämpfers haben großen Einfluss auf die dynamische Leistung von Fahrzeugen3,4. Dynamische Dämpfungseigenschaften hängen von der Struktur des Stoßdämpfers ab. Die Strukturen werden jedoch nach der traditionellen Entwurfsmethode unter Einbeziehung von Erfahrungen entworfen und dann durch wiederholte Experimente überarbeitet und angepasst. Es wird lange dauern und hohe Kosten verursachen. Die Strukturen werden auch durch numerische Simulationsmethoden entworfen. Es ist präzise, schnell und bequem. Allerdings funktioniert der Stoßdämpfer meist unter komplexen Bedingungen. Es ist schwierig, bei verschiedenen komplexen Arbeitsbedingungen eine präzise Dämpfungsleistung zu erzielen. Daher ist es ein wichtiger Forschungsschwerpunkt, die Leistung von Stoßdämpfern durch numerische Simulationsverfahren präzise vorherzusagen, um optimale Strukturen zu entwerfen, die für komplexe Arbeitsbedingungen geeignet sind.

Strukturen des Stoßdämpfers haben großen Einfluss auf die dynamischen Dämpfungseigenschaften. Duym5,6 und Yung7 erstellten eine detaillierte Modellierung einschließlich der internen Struktur und des Betriebsprozesses und analysierten die Stoßdämpfungsleistung der internen Struktur. Besinger8, Berger9 und Lion10 erstellten ein rheologisches Modell einschließlich Puffer, Feder und Reibung und analysierten den Einfluss struktureller Parameter auf die Dämpfungseigenschaften. Czop11 formulierte, leitete und validierte das nichtlineare First-Principle-Modell, untersuchte Strukturschwingungen auf die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Montageelementen, Ventilsystemen und dem hydraulischen Aktuator des Stoßdämpfers und erfasste dynamische Eigenschaften über einen weiten Betriebsbereich. Zhang12 erarbeitete das Funktionsprinzip des membranösen Dual-Cavity-Systems auf Basis eines amplitudenempfindlichen Dämpfers (MASD). Sein dynamisches Modell wurde durch die Kombination der First-Principe-Modellierung hydraulischer Komponenten und der empirischen Modellierung membranöser Ventile abgeleitet. Gleichzeitig wurde der Einfluss der Kolben- und Musterventilkonstruktion auf die dynamische Dämpfung analysiert. Alireza Farjoud13 präsentierte ein nichtlineares Modell von Einrohr-Hydraulikdämpfern und legte den Schwerpunkt auf die detaillierte Struktur des Shim-Stapels und deren Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Dämpfers. Zhou14 etablierte ein mechanisches Modell der flexiblen Ringdrosselscheibe, das auf elastischen mechanischen Prinzipien basiert. Der Einfluss der Dicke der überlagerten Drosselscheiben auf die Größe der Drosselklappenöffnung wurde eingehend untersucht. Wang15 erstellte ein neues Vollparametermodell und enthüllte die nichtlinearen, von der Verschiebung abhängigen Eigenschaften von Stromabnehmerdämpfern für Hochgeschwindigkeitsschienen. Die Dämpfungseigenschaften werden anhand des Vollparametermodells anhand der Innenquerschnitte und Abmessungen der Öffnungen im Stab analysiert. Farfan-Cabrera16 lieferte einen Überblick über den aktuellen Stand und zukünftige Verbesserungstrends zur Optimierung kritischer tribologischer Komponenten, die in Fahrzeugen verwendet werden, und vermittelte einen Einblick in die neuesten Errungenschaften im Hinblick auf tribologische Lösungen, die auf kritische Komponenten angewendet werden. Die Reibung zwischen Kolben und Zylinder des hydraulischen Stoßdämpfers hat einen entscheidenden Einfluss auf die Dämpfungseigenschaften des Stoßdämpfers, was eine wichtige Richtung für die feinere und umfassendere Modellierung des Stoßdämpfers vorgibt. Ji17 und Zhang18 erstellten ein Modell zur Dämpfungskraft, das unter Berücksichtigung der Reibung zwischen Kolben und Zylinder die Dämpfungsleistung des Stoßdämpfers analysierte. Die Reibung wurde jedoch anhand einer konstanten oder empirischen Formel berechnet, die den Einfluss der Kolbenstruktur (einschließlich der Kolbenoberflächenmorphologie) auf die Dämpfungseigenschaften des Stoßdämpfers nicht vollständig widerspiegeln konnte.

Es besteht jedoch ein Schmierkontakt zwischen Kolben und Zylinder des Stoßdämpfers. Die Wirkung von Oberflächenstrukturen ist entscheidend für die Reibungsleistung von Schmierkontakten. Insbesondere wird die Reynolds-Gleichung häufig verwendet, um die Reibungsanalyse des hydrodynamischen Gleitlagers19, des Kolbens und Zylinders des Motors und des Hydraulikzylinders20,21,22 zu lösen, und der Einfluss der Lageroberfläche und der Kolbenstruktur auf die Reibung könnte detailliert analysiert werden. Der Zustand und das Prinzip der dynamischen Schmierung zwischen Kolben und Zylinder des Doppelzylinder-Hydraulikstoßdämpfers sind die gleichen wie beim dynamischen Gleitlager, Kolben und Zylinder des Motors und des Hydraulikzylinders. Mit der rasanten Entwicklung von Fahrzeug und Zug nimmt die Geschwindigkeit zu und wird immer höher. Der Komfort des Fahrzeug- und Zugsystems reagiert empfindlicher auf Parameterschwankungen der Komponenten, insbesondere auf die Auswirkungen der Reibung auf die Kolbenoberfläche. Daher ist es unbedingt erforderlich, genauere Modelle für die Dämpfungseigenschaften zu erstellen, um den Einfluss der Kolbenoberflächenstruktur zu untersuchen.

Die Arbeitsbedingungen von Aufhängungssystemen für Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge sind komplex und vielfältig. Die Neigung und Exzentrizität des Kolbens wird häufig bei Langzeit- und Hochgeschwindigkeitsbetrieb verursacht und hat große Auswirkungen auf die Dämpfungseigenschaften, wodurch eine hohe Dämpfungskraft den Komfort und die Sicherheit beeinträchtigt. Wang23 befasste sich mit einem subtileren und umfassenderen nichtlinearen parametrischen Modell eines hydraulischen Gierdämpfers für Hochgeschwindigkeitsschienen, das die Dämpfungseigenschaften mit einem extrem breiten Geschwindigkeitsbereich genau und robust vorhersagte. Alonso24 befasste sich mit der Modellierung von Gierdämpfern und ermittelte den Einfluss der Modellierung dieser Komponente auf die erzielten Ergebnisse bei der Vorhersage der dynamischen Stabilität eines Fahrzeugs. Es wurde bestätigt, dass die genaue Modellierung des Gierdämpfers für die dynamische Leistung des Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung ist. Huang25 erstellte ein vereinfachtes Modell des Gierdämpfers, analysierte seine dynamische Leistung im Bereich der Betriebsbedingungen und kam zu dem Schluss, dass der große Unterschied zwischen dynamischen und statischen Bedingungen durch die interne Flexibilität des Dämpfers bei kleinen Amplituden verursacht wurde, was zu Ausfällen bei besonderen Betriebsbedingungen führte oder die langfristige Arbeit. Sun26 untersuchte die Verzerrungseigenschaften des Stoßdämpfers anhand der Energiemethode und kam zu dem Ergebnis, dass die Antiverzerrungsfähigkeit des Stoßdämpfers mit zunehmendem Luftdruck zunimmt. Der Keilspalt zwischen Kolben und Zylinder wird durch den geneigten und exzentrischen Kolben im Betrieb erzeugt, der große Reibung verursacht. Insbesondere die Struktur der Kolbenoberfläche hat auch einen großen Einfluss auf die Form des Keilspalts bei Kolbenneigung und Exzentrizität und beeinflusst dadurch die Dämpfungseigenschaften. Allerdings sind die Auswirkungen der Kolbentextur auf die Dämpfungseigenschaften von hydraulischen Stoßdämpfern unter verschiedenen Arbeitsbedingungen sehr entscheidend und wurden nicht im Detail untersucht.

Um die Auswirkungen der Kolbenoberflächenstruktur auf die Dämpfungseigenschaften des Stoßdämpfers zu untersuchen, wenn der Kolben geneigt oder exzentrisch ist, wird in der vorliegenden Arbeit unter Berücksichtigung der leichten Neigung und Exzentrizität des Kolbens ein detaillierteres mathematisches Modell entwickelt, um die Wirkung des Kolbens abzuschätzen Textur zum dynamischen Dämpfungsverhalten von Stoßdämpfern. Die aktuelle Arbeit zeigt die folgenden neuen Beiträge: (1) Basierend auf den mathematischen Modellen des Reservoirs und des Kompressionshubs gekoppelt mit der Reynolds-Gleichung wurde ein neues Dämpfungskraftmodell entwickelt, das die Auswirkungen der Kolbenoberflächenstruktur auf die Dämpfungseigenschaften analysiert. (2) Die Dämpfungskraft wurde detailliert unter verschiedenen Arbeitsbedingungen analysiert, einschließlich Kolbentextur, Kolbenexzentrizität mit Textur, Kolbenneigung mit Textur und Kolbenexzentrizität plus Neigung mit Textur. (3) Mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ und Flächenverhältnis Sp der Kolbentextur wurde die zunehmende Form der Reibungskraft untersucht. Der Einfluss der zylindrischen Textur auf die Reibungskraft bei normalem Kolbenbetrieb oder geneigten und exzentrischen Kolbenbedingungen wurde analysiert. Infolgedessen könnten die Ergebnisse dieser Studie neue Erkenntnisse für die Konstruktion hydraulischer Stoßdämpfer und die Untersuchung der Fahrzeugsystemdynamik liefern.

Abbildung 1 zeigt die Strukturskizze des Doppelzylinder-Hydraulikstoßdämpfers und spiegelt den Arbeitsprozess des Ausfahrhubs und des Kompressionshubs wider. Das Öl strömt während des Ausfahr- und Verdichtungshubs durch das Ventilsystem, wodurch eine Dämpfungskraft erzeugt und die Vibrationsenergie reduziert wird. Der Doppelzylinder-Hydraulikstoßdämpfer absorbiert die Vibrationsenergie.

Hydraulischer Stoßdämpfer.

Das Öl strömt durch die konstante Öffnung und den Kolbenspalt, wenn das Verlängerungsventil nicht geöffnet ist. QT ist die Durchflussrate, wenn das Öl durch die konstante Öffnung der Kolbenbaugruppe fließt. Qxl ist die Durchflussrate, wenn das Öl durch den Kolbenspalt fließt. QT und Qxl werden wie folgt ausgedrückt:

wobei Cq der Durchflusskoeffizient der konstanten Öffnung der Kolbenbaugruppe ist, AT die Gesamtfläche der konstanten Öffnung der Kolbenbaugruppe ist; \(\rho\) ist die Öldichte, dh ist der Kolbendurchmesser; \(\mu\) ist die dynamische Viskosität des Öls; Ly ist die axiale Breite des Kolbens; h ist die tatsächliche Ölfilmdicke zwischen Kolben und Zylinder; P1 ist der Druck der Expansionskammer und P2 ist der Druck der Kompressionskammer.

Der Gesamtöldurchfluss Qfh von der Expansionskammer in die Kompressionskammer wird wie folgt ausgedrückt:

Der Gesamtdurchfluss Qfh umfasst den Durchfluss QT der konstanten Öffnung der Kolbenbaugruppe, den Durchfluss Qxl des Kolbenspalts und den Durchfluss Qf der Verlängerungsöffnung, wenn das Verlängerungsventil geöffnet ist. Wie in Abb. 1c gezeigt, umfasst der Durchfluss Qf der Erweiterungsöffnung den Durchfluss Qfc der Erweiterungsdrosselöffnung und den Durchfluss Qff des kreisförmigen Schlitzes. Qfc und Qff sind in Reihe geschaltet, daher gilt Qfc = Qff.

Dabei ist \(\varepsilon_{fc}\) der Durchflusskoeffizient der Erweiterungsdrosselöffnung, Afc die Gesamtfläche der Erweiterungsventilöffnung, rbf der Außenradius der Erweiterungsventilplatte und rkf der Kerbenradius der Erweiterungsventilplatte. \(\delta_{rf} = f_{rf} - f_{rf0}\),\(f_{rf}\) ist die Verformung des Verlängerungsventils und \(f_{rf0}\) ist die Vorverformung des Verlängerungsventils.

Der Durchfluss Qyc der Konstantblende der Fußventilbaugruppe und der Durchfluss Qyb des Rückschlagventils werden wie folgt ausgedrückt:

Dabei ist \(\varepsilon_{yc}\) der Durchflusskoeffizient der konstanten Öffnung der Fußventilbaugruppe, Ayc die Gesamtfläche der konstanten Öffnung der Fußventilbaugruppe, P3 der Druck in der Reservoirkammer und rbb der Außenradius des Rückschlagventils Platte und rkb ist der Kerbenradius der Rückschlagventilplatte.\(\delta_{yb} { = }f_{ry} - f_{ry0}\), \(f_{ry}\) ist die Verformung des Rückschlagventils und \(f_ {ry0}\) ist eine Vorverformung des Rückschlagventils.

Die Verformung der Ventilplatte wird wie folgt ausgedrückt:

Dabei ist hffp die Dicke der Ventilplatte und Grffp der Verformungskoeffizient der Ventilplatte.

Die Biegeauslenkung einer Kreisscheibe bei beliebigem Radius r14 wird wie folgt ausgedrückt und ist in Abb. 2 dargestellt.

Verformungskurve der Ventilplatte.

Wenn das Verlängerungsventil geöffnet ist, wird die Gesamtdurchflussrate Qfh des Öls von der Verlängerungskammer in die Kompressionskammer wie folgt ausgedrückt:

Der Gesamtdurchfluss Qyd des Öls von der Vorratskammer zur Kompressionskammer wird wie folgt ausgedrückt:

Unter der Annahme, dass das Gas der Reservoirkammer ein ideales Gas ist, kann der Ausdruck wie folgt angegeben werden:

Dabei ist V0 das Anfangsvolumen der Gase in der Vorratskammer, P30 der Anfangsdruck der Gase in der Vorratskammer, V(t) das Volumen der Gase in der Vorratskammer, Y die relative Verschiebung des Kolbens und Ag die Querschnittsfläche der Kolbenstange.

Unter der Annahme, dass der Stoßdämpfer sinusförmig erregt wird, wird die relative Verschiebung des Kolbens wie folgt ausgedrückt:

Der Kompressionshub ähnelt dem Ausfahrhub, daher wird die Arbeit des Kompressionshubs nicht verdoppelt. Der Ausfahrkammerdruck P1, der Kompressionskammerdruck P2 und der Speicherkammerdruck P3 werden durch die Beziehung (13) zwischen der durch die Kolbenbaugruppe und die Fußventilbaugruppe fließenden Ölströmungsrate und der Kolbengeschwindigkeit während des Ausfahr- und Verdichtungshubs ermittelt.

Dabei ist U die Kolbengeschwindigkeit, Ah die Querschnittsfläche des Kolbens und Qyh der Gesamtölfluss von der Kompressionskammer in die Verlängerungskammer.

Für einen Kolben eines Stoßdämpfers unter stabilen Arbeitsbedingungen kann die zweidimensionale Reynolds-Gleichung in der folgenden Form ausgedrückt werden19:

Dabei ist p der Ölfilmdruck an einem bestimmten Punkt der Kolbenoberfläche.

Der Ausdruck für die tatsächliche Ölfilmdicke h zwischen Kolben und Zylinder kann wie folgt ermittelt werden:

Dabei ist h0 die anfängliche Ölfilmdicke zwischen Kolben und Zylinder und hpi die Ölfilmdicke auf der Außenfläche des Kolbens in verschiedenen Fällen.

Aufgrund der Bearbeitungstoleranz und der Bearbeitungspräzision weist die Kolbenoberfläche eine regelmäßige flache Textur auf. Vorausgesetzt, die zylindrischen Texturen sind gleichmäßig über die Kolbenoberfläche verteilt. Abbildung 3a,b zeigt schematisch die Kolbentexturen. Unter Berücksichtigung der Exzentrizität und Neigung des Kolbens zeigt Abb. 4 eine schematische Darstellung der Kolbentexturen sowie eine schematische Darstellung der Exzentrizität und Neigung des Kolbens. Abbildung 5 zeigt die Verteilung der Ölfilmdicke auf der Außenfläche des Kolbens in verschiedenen Fällen: zylindrische Textur (Abb. 5a), Kolbenexzentrizität vs. Kolbenexzentrizität mit Textur (Abb. 5b vs. Abb. 5c), Kolbenneigung vs. Kolbenneigung mit Textur (Abb. 5d vs. Abb. 5e) und Kolbenexzentrizität plus Neigung vs. Kolbenexzentrizität plus Neigung mit Textur (Abb. 5f vs. Abb. 5g). Ihre Ölfilmdicke hpi21,27 wird in verschiedenen Fällen wie folgt ausgedrückt:

Schematische Darstellung der Kolbentextur.

Schematische Darstellung der Exzentrizität und Neigung des Kolbens.

Verteilung der Ölfilmdicke auf der Außenfläche des Kolbens in verschiedenen Fällen.

Dabei ist e die Exzentrizität des Mittelabschnitts des Kolbens, θ die Winkelkoordinate ausgehend von der z-Achse, φ der Winkel zwischen OE2 und der z-Achse, γ der Winkel der Kolbenneigung und β der Winkel zwischen OE2 und E1E3.

Das Strömungsfeld zwischen Kolben und Zylinder ist ein konvergenter Schmierspalt, die Reynolds-Grenze wird bei der Kolbenmodellierung angewendet. Der Effekt der Kavitation wird weder bei der verwendeten Einphasenanalyse noch bei der Anwendung der Randbedingungen, die bei der Analyse des Kolbens berücksichtigt werden, in die Analyse einbezogen20,21. P0 ist der Atmosphärendruck. Die Randbedingungen werden wie folgt ausgedrückt:

Der Arbeitsprozess eines hydraulischen Stoßdämpfers ist ein komplexes nichtlineares Flüssigkeitssystem. Die Dämpfungseigenschaften des Stoßdämpfers werden von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Temperatur, Öleigenschaften und Montagegenauigkeit der einzelnen Komponenten usw. Einige Faktoren werden im detaillierten mathematischen Modell zur Untersuchung der Dämpfungseigenschaften ignoriert, darunter Öltemperatur, Kavitation, Gas, Ölkompressibilität und Öldichteschwankung. Eine Reihe von Annahmen wird wie folgt dargestellt:

Unter der Annahme, dass die Löslichkeit des Gases im Öl außer Acht gelassen wird, löst sich Gas nicht im Öl. Kavitation wird ebenfalls ignoriert.

Es wird davon ausgegangen, dass die Öltemperatur während des Stoßdämpferbetriebs vollständig abgebaut wird. Die Öltemperatur bleibt konstant. Temperaturschwankungen des Öls werden ignoriert. Die Ölviskosität bleibt konstant. Die Umgebungstemperatur beträgt 20 °C. Vorausgesetzt, dass die Öltemperatur und die Umgebungstemperatur gleich sind.

Vorausgesetzt, das Öl ist inkompressibel. Das Öl verdampft aufgrund der Temperatur nicht.

Unter der Annahme, dass es sich bei dem Gas der Speicherkammer um ein ideales Gas handelt, ändern sich Druck und Volumen gemäß den Gesetzen der Thermodynamik.

Es wird davon ausgegangen, dass der Öldruck in jeder Arbeitskammer des Stoßdämpfers gleich ist und sich der Druck kontinuierlich mit der Hin- und Herbewegung des Kolbens in der Kammer ändert.

Alle Teile des Stoßdämpfers sind gut zusammengebaut.

In der xOy-Ebene ist die Kolbenoberfläche in m- und n-Gitter entlang der x- und y-Richtung vernetzt. Zur diskreten Berechnung von Gl. wird die Fünf-Punkte-Differenzenmethode verwendet. (17). Zur Lösung der diskreten algebraischen Gleichung wird die Methode der symmetrischen sukzessiven Überrelaxation (SSOR) verwendet und der Druck p ermittelt.

Tragfähigkeit

Der berechnete Ölfilmdruck p wird numerisch in den gesamten Flüssigkeitsbereich entlang der x- und y-Richtung integriert, und die Belastungskapazitäten WN können wie folgt ermittelt werden:

Reibungskraft

Die Berechnung der Reibungskraft am Kolben erfolgt wie folgt:

Die dynamischen Dämpfungseigenschaften des Stoßdämpfers werden hauptsächlich durch die Dämpfungskraft Ff bestimmt: Die Dämpfungskraft Ff wird wie folgt ausgedrückt:

Dabei ist Ah der Querschnitt des Kolbens, Ag die Querschnittsfläche der Kolbenstange und Ffoil die Filmreibungskraft.

Die Ölfilmdrücke auf der Außenfläche des Kolbens werden in sieben verschiedenen Fällen von Abb. 5 durch Lösen der Reynolds-Gleichung berechnet. (17). Die Druckverteilung auf der Außenfläche des Kolbens kann in Abb. 6 ermittelt werden. Daraus ergibt sich, dass der Änderungstrend des Ölfilmdrucks p und der der tatsächlichen Ölfilmdicke h konsistent sind. Die hohen Ölfilmdrücke zwischen Kolben und Zylinder werden durch die zunehmende oder abnehmende Ölfilmdicke (Bildung eines Keilspalts) aufgrund des Keileffekts und des Extrusionseffekts induziert. Dadurch wird die Reibungskraft Ffoil des Ölfilms erzeugt, wenn sich der Kolben bewegt.

Druckverteilung auf der Außenfläche des Kolbens in verschiedenen Fällen.

Die Parameter der numerischen Simulation sind in Tabelle 1 angegeben und lauten wie folgt:

Wie in Abb. 7 dargestellt, zeigen die Dämpfungskraft-Weg-Schleife und die Dämpfungskraft-Geschwindigkeits-Kennlinie Auswirkungen der Dämpfung. Die maximale Dämpfungskraft Ff beträgt 5559 N.

Simulationsergebnisse der Dämpfungscharakteristik.

Das Tiefenverhältnis δ wird durch das Verhältnis der Texturtiefe hp zur anfänglichen Ölfilmdicke h0 definiert (δ = hp/h0). Die Reibungskräfte Ffoil des zylindrisch strukturierten Kolbens werden durch Simulation mit unterschiedlichem Tiefenverhältnis δ von 0,01 bis 0,14 in Abb. 8a dargestellt. Die Filmreibungskraft Ffoil der zylindrischen Textur nimmt mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ zu. Die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten Kolbens beträgt 38 N bei einem Tiefenverhältnis δ von 0,14. Die Reibungskraft Ffoil und das Tiefenverhältnis δ zeigen eine parabolische Kurvenbeziehung mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ von 0,01 auf 0,14. Wie in Abb. 8b–e gezeigt, kann jedoch der Einfluss der Reibungskraft Ffoil aufgrund der zylindrischen Textur auf die Dämpfungseigenschaften vernachlässigt werden, was mit den Ergebnissen in der Literatur übereinstimmt17. Es ist auch zu erkennen, dass die Dämpfungskraft Ff (5600 N) des Stoßdämpfers mit zylindrisch strukturiertem Kolben um 0,74 % zunimmt, wenn das Tiefenverhältnis δ auf 0,14 steigt.

Einfluss des Tiefenverhältnisses δ der zylindrischen Textur auf die Dämpfungscharakteristik.

Einfluss des Tiefenverhältnisses δ der zylindrischen Textur im Zustand des geneigten Kolbens auf die Dämpfungscharakteristik.

Der Kolben ist exzentrisch, die Exzentrizität e des Mittelabschnitts des Kolbens beträgt 0,6h0. Die Reibungskraft Ffoil des Exzenterkolbens und des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens wird durch Simulation mit einem Tiefenverhältnis δ von 0,01 bis 0,14 in Abb. 10a dargestellt, die Differenz ΔFfoil der Reibungskraft des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens und des Exzenterkolbens ist in Abb. dargestellt . 10b. Die Reibungskraft Ffoil des Exzenterkolbens mit zylindrischer Textur steigt mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ von 0,01 auf 0,14. Die Reibungskraft Ffoil und das Tiefenverhältnis δ zeigen eine parabolische Kurvenbeziehung mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ von 0,01 auf 0,14. Verglichen mit der Reibungskraft Ffoil des Exzenterkolbens (625,8 N) steigt die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens (810,3 N) stark um 29,48 %, wenn das Tiefenverhältnis δ auf 0,14 erhöht wird. In Abb. 10c–f steigt die Dämpfungskraft Ff des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens (6347 N) im Vergleich zur Dämpfungskraft Ff des Exzenterkolbens (6185 N) stark um 0,27 %, wenn das Tiefenverhältnis δ auf 0,14 erhöht wird. Wie in Abb. 10e dargestellt, nimmt die Fläche der Dämpfungskraft-Weg-Schleife mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ leicht zu. Daher kann der Einfluss der zylindrischen Textur im exzentrischen Kolbenzustand auf die Dämpfungskraft vernachlässigt werden. Verglichen mit der Dämpfungskraft Ff des Kolbens (5559 N), wenn das Tiefenverhältnis δ auf 0,14 erhöht wird und die Exzentrizität e 0,6h0 beträgt, erhöht sich die Dämpfungskraft Ff des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens (6185 N) stark um 11,26 %. Infolgedessen hat die Reibungskraft aufgrund der zylindrischen Struktur des exzentrischen Kolbens große Auswirkungen auf die Dämpfungseigenschaften, wie in den Abbildungen dargestellt. 7c und 10c,d.

Einfluss des Tiefenverhältnisses δ der zylindrischen Textur im Zustand des exzentrischen Kolbens auf die Dämpfungscharakteristik.

Kolben ist geneigt und exzentrisch. Die Reibungskraft Ffoil des geneigten und exzentrischen Kolbens und des zylindrisch strukturierten geneigten und exzentrischen Kolbens werden durch Simulation mit dem Tiefenverhältnis δ von 0,01 bis 0,14 in Abb. 11a dargestellt. Der Unterschied ΔFfoil der Reibungskraft des geneigten und exzentrischen Kolbens mit zylindrischer Textur und des geneigten und exzentrischen Kolbens ist in Abb. 11b dargestellt. Die Reibungskraft Ffoil des zylindrischen, geneigten und exzentrischen Kolbens nimmt mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ von 0,01 auf 0,14 zu. Die Reibungskraft Ffoil und das Tiefenverhältnis δ zeigen eine parabolische Kurvenbeziehung mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ von 0,01 auf 0,14. Verglichen mit der Reibungskraft Ffoil des geneigten und exzentrischen Kolbens (930,3 N) steigt die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten geneigten und exzentrischen Kolbens (1682 N) stark um 80,8 %, wenn das Tiefenverhältnis δ auf 0,14 erhöht wird. Infolgedessen hat die zylindrische Textur unter geneigten und exzentrischen Kolbenbedingungen große Auswirkungen auf die Reibungskraft Ffoil. Wie in Abb. 11c,d dargestellt, beträgt die Dämpfungskraft Ff des zylindrisch strukturierten geneigten und exzentrischen Kolbens (7123 N) im Vergleich zur Dämpfungskraft Ff des geneigten und exzentrischen Kolbens (6496 N), wenn das Tiefenverhältnis δ auf 0,14 erhöht wird. steigt deutlich um 9,65 %. Daher ist es erwähnenswert, dass die Exzentrizität des Kolbens plus Neigung bei zylindrischer Textur einen großen Einfluss auf die Dämpfungskraft hat. Wie in Abb. 11e,f dargestellt, nimmt die Fläche der Dämpfungskraft-Weg-Schleife mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ zu. Wie in den Abb. gezeigt. 7 und 11c,d, wobei die Dämpfungskraft Ff des Kolbens (5559 N) als Basiswert genommen wird, wenn das Tiefenverhältnis δ auf 0,14 erhöht wird und die Exzentrizität e 0,6h0 beträgt, die Dämpfungskraft Ff des zylindrisch strukturierten geneigten und exzentrischen Kolbens (7123 N) steigt stark um 28,13 %. Wie in den Abb. gezeigt. Aus den Abbildungen 9c,d, 10c,d und 11c,d lässt sich schließen, dass im Vergleich zu geneigten Kolben mit zylindrischer Textur oder exzentrischem Kolben mit zylindrischer Textur die Dämpfungskraft Ff des geneigten und exzentrischen Kolbens mit zylindrischer Textur nicht nur größer ist, aber es ist auch mehr als die Kombination zweier Situationen.

Einfluss des Tiefenverhältnisses δ der zylindrischen Textur im Zustand des geneigten und exzentrischen Kolbens auf die Dämpfungscharakteristik.

Das Flächenverhältnis ist definiert als \(S_{p} = \frac{{4n\pi R_{p}^{2} }}{{{2}\pi RL_{y} }}\),wobei n ist Anzahl der Texturen (n = 16), Rp ist der Radius der Zylindertextur, R ist der Radius des Kolbens. Die Reibungskräfte Ffoil des zylindrischen Texturkolbens werden durch Simulation mit verschiedenen Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 bis 0,18 in Abb. 12 dargestellt. Die Filmreibungskraft Ffoil der zylindrischen Textur steigt mit zunehmenden Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 bis 0,18 und die Reibung Die Kraft Ffoil des zylindrischen Strukturkolbens beträgt 23,8 N bei Flächenverhältnissen Sp von 0,18. Die Ffoil-Sp-Kurve ist annähernd linear. Allerdings kann der Einfluss der Reibungskraft aufgrund der zylindrischen Textur auf die Dämpfungseigenschaften vernachlässigt werden, was mit den Ergebnissen in der Literatur übereinstimmt17.

Einfluss des Flächenverhältnisses Sp der zylindrischen Textur auf die Reibungskräfte.

Der Kolben ist in einem Winkel von 7,15 × 10–4 rad geneigt, der Winkel β zwischen OE2 und E1 E3 beträgt \(\frac{\pi }{{2}}\) rad, der Winkel φ zwischen OE2 und der Z-Achse beträgt \(\frac{\pi }{{2}}\) rad. Die Reibungskraft Ffoil des geneigten Kolbens und des zylindrisch strukturierten geneigten Kolbens werden durch Simulation mit unterschiedlichen Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 bis 0,18 in Abb. 13a gezeigt. Die Differenz ΔFfoil der Reibungskraft des geneigten Kolbens und des zylindrisch strukturierten geneigten Kolbens ist dargestellt in Abb. 13b. Die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten Schrägkolbens steigt mit zunehmenden Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 auf 0,18, und die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten Schrägkolbens ist höher als die des Schrägkolbens. Ffoil-Sp-Kurven sind annähernd linear. Verglichen mit der Reibungskraft Ffoil des geneigten Kolbens (101,2 N) steigt die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten geneigten Kolbens (154,1 N) stark um 52,27 %, wenn das Flächenverhältnis Sp auf 0,18 erhöht wird. Die zylindrische Textur bei geneigtem Kolbenzustand hat große Auswirkungen auf die Reibungskraft. Bei einem exzentrischen Kolben beträgt die Exzentrizität e des Mittelabschnitts des Kolbens 0,6h0. Die Reibungskraft Ffoil des Exzenterkolbens und des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens werden durch Simulation mit unterschiedlichen Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 bis 0,18 in Abb. 13c dargestellt, die Differenz ΔFfoil der Reibungskraft des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens und des Exzenterkolbens ist in dargestellt Abb. 13d. Die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens steigt mit zunehmenden Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 auf 0,18. Ffoil-Sp-Kurven sind annähernd linear. Verglichen mit der Reibungskraft Ffoil des Exzenterkolbens (625,8 N) steigt die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten Exzenterkolbens (766,4 N) stark um 22,47 %, wenn das Flächenverhältnis Sp auf 0,18 erhöht wird. Somit hat die zylindrische Textur im exzentrischen Kolbenzustand große Auswirkungen auf die Reibungskraft. Wenn der Kolben geneigt und exzentrisch ist, wird die Reibungskraft Ffoil des geneigten und exzentrischen Kolbens und des zylindrisch strukturierten geneigten und exzentrischen Kolbens durch Simulation der Differenz ΔFfoil der Reibungskraft mit unterschiedlichen Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 bis 0,18 in Abb. 13e dargestellt Die zylindrische Textur des geneigten und exzentrischen Kolbens und des geneigten und exzentrischen Kolbens ist in Abb. 13f dargestellt. Die Reibungskraft Ffoil des zylinderförmig geneigten und exzentrischen Kolbens steigt mit zunehmenden Flächenverhältnissen Sp von 0,0003 auf 0,18. Ffoil-Sp-Kurven sind annähernd linear. Verglichen mit der Reibungskraft Ffoil des geneigten und exzentrischen Kolbens (930,3 N) steigt die Reibungskraft Ffoil des zylindrisch strukturierten geneigten und exzentrischen Kolbens (1439 N) stark um 54,68 %, wenn das Flächenverhältnis Sp auf 0,18 erhöht wird. Infolgedessen hat die zylindrische Textur bei geneigtem und exzentrischem Kolbenzustand große Auswirkungen auf die Reibungskraft Ffoil.

Einfluss des Flächenverhältnisses Sp der zylindrischen Textur bei verschiedenen Bedingungen auf die Reibungskräfte.

Infolgedessen könnten die Ergebnisse dieser Studie neue Erkenntnisse für die Konstruktion hydraulischer Stoßdämpfer und die Untersuchung der Fahrzeugsystemdynamik liefern. Da sich der Vor- und Nachlauf des Kolbens aufgrund der Hin- und Herbewegung des Kolbens häufig ändern kann, muss das Strömungserhaltungsgesetz des Schmiermittels einschließlich des Kavitationsbereichs berücksichtigt werden. Kavitation hat große Auswirkungen auf die Dämpfungseigenschaften. Zu den Nachteilen dieser theoretischen Studien zählen auch die fehlenden Änderungen der thermophysikalischen Eigenschaften, vor allem des dynamischen Viskositätskoeffizienten, aus der Temperatur sowie die Bestimmung von Temperaturänderungen in den Arbeitsräumen des Stoßdämpfers. Es ist jedoch bedauerlich, dass ihre Auswirkungen in dieser Forschung ignoriert werden. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Entwicklung eines detaillierten Modells einschließlich Öltemperatur und Kavitation konzentrieren, um detailliertere Dämpfungseigenschaften zu analysieren.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein detaillierteres mathematisches Modell entwickelt, um die Auswirkungen der Kolbentextur auf die Dämpfungseigenschaften von Stoßdämpfern abzuschätzen, das die leichte Neigung und Exzentrizität des Kolbens sowie das Tiefenverhältnis δ der Kolbentextur und das Flächenverhältnis Sp der Kolbentextur berücksichtigt Reibungskraft und Dämpfungseigenschaften bei leichten Kolbenneigungs- und Exzentrizitätsbedingungen wurden detailliert analysiert. Die Schlussfolgerungen der aktuellen Arbeit lassen sich wie folgt ziehen:

Basierend auf den mathematischen Modellen von Reservoir und Kompressionshub gekoppelt mit der Reynolds-Gleichung wird ein neues Dämpfungskraftmodell entwickelt. Die mathematischen Modelle der Kolbentextur, der leichten Kolbenneigung, der Kolbenexzentrizität und Kombinationen von drei Fällen werden nacheinander entwickelt.

Die zylindrische Struktur des Kolbens hat unter drei verschiedenen Bedingungen große Auswirkungen auf die Reibungskraft. Die Reibungskraft des Kolbens nimmt parabolisch mit zunehmendem Tiefenverhältnis δ der Kolbentextur zu, und die des Kolbens nimmt linear mit zunehmendem Flächenverhältnis Sp der Kolbentextur zu.

Die zylindrische Struktur des Kolbens hat nur geringe Auswirkungen auf die Dämpfungseigenschaften bei bestimmten Strukturparametern, wenn der Kolben normal arbeitet. Die zylindrische Struktur des Kolbens hat große Auswirkungen auf die Dämpfungseigenschaften bei Kolbenexzentrizität und -neigung. Die Dämpfungskraft Ff des zylindrisch strukturierten geneigten und exzentrischen Kolbens kann unter bestimmten Parametern stark ansteigen.

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Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung durch das Wissenschaftliche und Technologische Forschungsprogramm der Tianjin Municipal Education Commission (2019KJ152) und das Tianjin Science and Technology Program Project (20YDTPJC02020) bedanken.

Staatliches Schlüssellabor für Motoren, Tianjin-Universität, Tianjin, 300354, China

Yangyang Yu & Junhong Zhang

Tianjin Renai College, Tianjin, 301636, China

Yangyang Yu, Junhong Zhang, Xiangde Meng, Dan Wang und Shasha Ma

Fakultät für Bauingenieurwesen, Tianjin-Universität, Tianjin, 300354, China

Shasha Ma

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YY entwickelte die Stoßdämpfermodelle mit Texturen und führte die Analysen durch; SM hat die Arbeit geschrieben; JZ steuerte Analysetools bei; XM hat das Basis-Stoßdämpfermodell entwickelt; Die DW hat das Papier überarbeitet.

Korrespondenz mit Junhong Zhang oder Shasha Ma.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yu, Y., Zhang, J., Meng, X. et al. Einfluss der Kolbentextur bei Neigungs- und Exzentrizitätsarbeitsbedingungen auf die Dämpfungseigenschaften eines hydraulischen Stoßdämpfers. Sci Rep 12, 9807 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13721-0

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Eingegangen: 01. November 2021

Angenommen: 26. Mai 2022

Veröffentlicht: 13. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13721-0

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