油圧ショックアブソーバの減衰特性に及ぼす傾斜および偏心作業条件におけるピストンの質感の影響

Aug 09, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9807 (2022) この記事を引用

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特にピストン表面構造の影響を考慮して、ピストンの傾きや偏心条件下での油圧ショックアブソーバーの減衰特性を正確に予測します。 現在の研究では、ピストンのわずかな傾きと偏心を考慮して、ピストンの質感が減衰特性に及ぼす影響を推定するためのより詳細な数学モデルを開発しました。 レイノルズ方​​程式と結合したリザーバーと圧縮ストロークの数学的モデルに基づいて、減衰特性に対するピストン構造の影響を分析する新しい減衰力モデルを開発しました。 ピストンの質感、ピストンのわずかな傾き、ピストンの偏心、および3つのケースの組み合わせの数学的モデルを開発し、さまざまな作業条件におけるピストンの質感が減衰特性に及ぼす影響を詳細に分析します。 その結果,ピストンの摩擦力は深さ比の増加とともに放物線状に増加し,ピストンの摩擦力は面積比の増加とともに線形に増加することを示した。 ピストンの正常動作時には、特定の構造パラメータ条件ではピストンの質感は減衰特性にほとんど影響を与えませんが、わずかに傾斜した偏心したピストンの質感は大きな影響を与えます。 その結果、ピストンの質感が高い減衰力を引き起こし、快適性と安全性が損なわれる可能性があります。 したがって、ピストンの表面構造がさまざまな作業条件下で減衰特性に及ぼす影響を正確に予測する必要があります。 この結果は、油圧ショックアブソーバーの設計や車両システムのダイナミクスの研究に新たな洞察をもたらす可能性があります。

複筒式油圧ショックアブソーバは、技術が成熟し、コストも手頃であるため、自動車サスペンションや鉄道車両サスペンションシステムに広く使用されています1、2。 現代の自動車や鉄道車両は、快適性や安全性が重視され、高速性が追求されています。 油圧ショックアブソーバーの動的減衰特性は、車両の動的性能に大きな影響を与えます3,4。 動的減衰特性はショックアブソーバーの構造によって異なります。 しかし、構造物は経験を含めた伝統的な設計手法で設計され、実験を繰り返すことで修正・調整されます。 長い期間と高額な費用がかかります。 構造も数値シミュレーション手法により設計されている。 正確で、速く、便利です。 ただし、ショックアブソーバーは通常、複雑な条件下で機能します。 さまざまな複雑な作業条件で正確な減衰性能を得るのは困難です。 したがって、数値シミュレーション手法によってショックアブソーバの性能を正確に予測し、複雑な使用条件に適した最適な構造を設計することは重要な研究焦点です。

ショックアブソーバーの構造は動減衰特性に大きな影響を与えます。 Duym5,6 および Yung7 は、内部構造と動作プロセスを含む詳細なモデリングを確立し、内部構造の衝撃吸収性能を解析しました。 Besinger8、Berger9、Lion10 は、緩衝材、バネ、摩擦を含むレオロジー モデルを確立し、減衰特性に対する構造パラメーターの影響を分析しました。 Czop11 は、第一原理非線形モデルを定式化、導出し、検証し、取り付け要素、バルブ システム、ショックアブソーバーの油圧アクチュエータ間の動的相互作用に関する構造振動を調査し、広い動作範囲での動的特性を捕捉しました。 Zhang12 は、振幅感応ダンパー (MASD) に基づいた膜状デュアルキャビティの動作原理を詳しく説明し、その動的モデルは、油圧コンポーネントの第一原理モデリングと膜状バルブの経験的モデリングを組み合わせることによって導出されました。 同時に,ピストンとパターンバルブの構造が動的減衰に及ぼす影響を分析した。 Alireza Farjoud13 は、単筒式油圧ダンパーの非線形モデルを紹介し、シム スタックの詳細な構造とそれがダンパー全体の性能に及ぼす影響に重点を置きました。 Zhou14 は、弾性機械原理に基づいて、柔軟なリング スロットル スライスの力学モデルを確立しました。 重ね合わせたスロットル スライスの厚さがスロットル開口部のサイズに及ぼす影響を徹底的に研究しました。 Wang15 は新しいフルパラメータ モデルを確立し、高速鉄道パンタグラフ ダンパーの非線形変位依存特性を明らかにしました。 減衰特性はロッド内部のオリフィスの内部断面と寸法をフルパラメータモデルで解析します。 Farfan-Cabrera16 は、車両に使用される重要なトライボロジー コンポーネントの最適化に関する現状と将来の改善傾向に関するレビューに貢献し、重要なコンポーネントに適用されるトライボロジー ソリューションに関する最新の成果を理解しました。 油圧ショックアブソーバーのピストンとシリンダー間の摩擦は、ショックアブソーバーの減衰特性に重大な影響を及ぼし、これはショックアブソーバーのより詳細でより包括的なモデリングに重要な方向性を与えます。 Ji17 と Zhang18 はピストンとシリンダー間の摩擦を考慮した減衰力モデルを設定し、ショックアブソーバーの減衰性能を解析しました。 しかし、摩擦は定数または経験式によって計算されており、ショックアブソーバーの減衰特性に対するピストン構造（ピストン表面形状を含む）の影響を完全に反映することはできません。

ただし、ショックアブソーバーのピストンとシリンダー間の潤滑接触です。 表面構造の影響は、潤滑接点の摩擦性能にとって非常に重要です。 特に、レイノルズ方​​程式は、動圧滑り軸受19、エンジンのピストンとシリンダ、油圧シリンダ20、21、22の摩擦解析を解くために広く使用されており、軸受表面とピストン構造が摩擦に及ぼす影響を詳細に解析することができます。 複筒式油圧ショックアブソーバのピストンとシリンダ間の動的潤滑の条件と原理は、動圧滑り軸受、エンジンのピストンとシリンダ、油圧シリンダと同様です。 車両や列車の急速な発展に伴い、速度が増加し、ますます高速になり、車両や列車システムの快適性は、コンポーネントのパラメータの変化、特にピストン表面の摩擦の影響にさらに敏感になります。 したがって、ピストン表面構造の影響を調査するには、減衰特性に関するより正確なモデルを確立することが不可欠です。

自動車や鉄道車両のサスペンションシステムの作業条件は複雑かつ多様です。 長期間の高速運転ではピストンの傾きや偏心が多発し、減衰特性に大きな影響を与え、減衰力が高くなり快適性や安全性を損ないます。 Wang23 は、高速鉄道の油圧ヨー ダンパーのより微妙で包括的な非線形パラメトリック モデルに取り組み、非常に広い速度範囲での減衰特性を正確かつ堅牢に予測しました。 Alonso24 はヨー ダンパーのモデリングを扱い、車両の動的安定性を予測するときに得られる結果に対するこのコンポーネントのモデリングの影響を特定しました。 車両の動的パフォーマンスを扱う場合、ヨー ダンパーの正確なモデリングが重要であることが確認されました。 Huang25 はヨー ダンパーの簡略化モデルを作成し、動作条件の範囲でその動的性能を分析し、動的条件と静的条件の間の大きな違いは、小さな振幅での内部ダンパーの柔軟性によって引き起こされ、特殊な動作条件で故障が発生する原因であると結論付けました。または長期の仕事。 Sun26 は、エネルギー法に基づいてショックアブソーバーの歪み特性を研究し、インフレート圧力の増加とともにショックアブソーバーの抗歪み能力が増加することを発見しました。 運転中のピストンの傾きや偏心によりピストンとシリンダーの間にくさび隙間が発生し、大きな摩擦が発生します。 特にピストンの表面構造は、ピストンの傾きや偏心状態におけるウェッジギャップの形状にも大きく影響し、減衰特性に影響を与えます。 しかし、さまざまな作業条件下での油圧ショックアブソーバーの減衰特性に対するピストンの質感の影響は非常に重要ですが、詳細には調査されていません。

ピストンが傾斜または偏心した場合のショックアブソーバの減衰特性に対するピストン表面構造の影響を調査するために、現在の研究では、ピストンのわずかな傾斜と偏心を考慮して、ピストンの影響を推定するためのより詳細な数学モデルを開発しています。ショックアブソーバーの動的減衰特性に関するテクスチャー。 現在の研究は、以下の新たな貢献を実証しています。 (1) レイノルズ方​​程式と結合したリザーバーと圧縮ストロークの数学的モデルに基づいて、減衰特性に対するピストン表面構造の影響を分析する新しい減衰力モデルが開発されました。 (2) ピストンのテクスチャー、テクスチャーを伴うピストンの偏心、テクスチャーを伴うピストンの傾き、テクスチャーを伴うピストンの偏心と傾きを含むさまざまな作業条件での減衰力を詳細に解析しました。 (3) ピストン集合組織の深さ比δと面積比Spを増加させた場合の摩擦力の増加形態を調べた。 ピストンの通常動作または傾斜および偏心ピストン条件における摩擦力に対する円筒状テクスチャの影響を分析しました。 その結果、この研究の結果は、油圧ショックアブソーバーの設計と車両システムダイナミクスの研究に新たな洞察を提供する可能性があります。

図 1 は複筒式油圧緩衝器の構造図を示し、伸長行程と圧縮行程の作業過程を示しています。 オイルは伸び行程と縮み行程中にバルブシステムを通過し、減衰力を発生させ、振動エネルギーを低減します。 複筒式油圧ショックアブソーバーが振動エネルギーを吸収します。

油圧ショックアブソーバー。

エクステンションバルブが開いていないとき、オイルはコンスタントオリフィスとピストンギャップを通過します。 QTはオイルがピストンアセンブリの定オリフィスを通過するときの流量です。 Qxlはオイルがピストンギャップを通過する際の流量です。 QT と Qxl は次のように表現されます。

ここで、Cq はピストン アセンブリの一定オリフィスの流量係数、AT はピストン アセンブリの一定オリフィスの総面積です。 \(\rho\) はオイル密度、dh はピストン直径です。 \(\mu\) はオイルの動粘度です。 Ly はピストンの軸方向の幅です。 h はピストンとシリンダー間の実際の油膜の厚さです。 P1 は拡張チャンバーの圧力、P2 は圧縮チャンバーの圧力です。

伸長室から圧縮室へのオイルの総流量 Qfh は次のように表されます。

総流量Ｑｆｈには、ピストンアッセンブリの定オリフィスの流量ＱＴ、ピストンギャップの流量Ｑｘｌ、エクステンションバルブ開時のエクステンションオリフィスの流量Ｑｆが含まれる。 図１ｃに示すように、延長オリフィスの流量Ｑｆは、延長絞りオリフィスの流量Ｑｆｃと円形スロットの流量Ｑｆｆとを含む。 Qfc と Qff は直列であるため、Qfc = Qff となります。

ここで \(\varepsilon_{fc}\) はエクステンション スロットル オリフィスの流量係数、Afc はエクステンション バルブ オリフィスの総面積、rbf はエクステンション バルブ プレートの外半径、rkf はエクステンション バルブ プレートのノッチ半径です。 \(\delta_{rf} = f_{rf} - f_{rf0}\)、\(f_{rf}\) はエクステンション バルブの変形、\(f_{rf0}\) はエクステンション バルブの事前変形です。

フート弁Ass'yの定オリフィスの流量Qycと逆止弁の流量Qybは次のように表されます。

ここで、\(\varepsilon_{yc}\) はフート バルブ アセンブリの定オリフィスの流量係数、Ayc はフート バルブ アセンブリの定オリフィスの総面積、P3 はリザーバ チャンバー内の圧力、rbb はチェック バルブの外側半径です。 plate、rkb は逆止弁プレートのノッチ半径です。\(\delta_{yb} { = }f_{ry} - f_{ry0}\)、\(f_{ry}\) は逆止弁の変形、\(f_ {ry0}\) は逆止弁の変形促進剤です。

バルブプレートの変形は次のように表されます。

ここで、hffp はバルブ プレートの厚さ、Grffp はバルブ プレートの変形係数です。

任意の半径 r14 における円板の曲げたわみは次のように表され、図 2 に示すようになります。

バルブプレートの変形曲線。

拡張弁を開いたときの拡張室から圧縮室へのオイルの総流量 Qfh は次のように表されます。

リザーバ室から圧縮室までのオイルの総流量Qydは次のように表されます。

貯留室の気体が理想気体であると仮定すると、式は次のように与えられます。

ここで、V0 はリザーバ チャンバ内のガスの初期体積、P30 はリザーバ チャンバ内のガスの初期圧力、V(t) はリザーバ チャンバ内のガスの体積、Y はピストンの相対変位、Ag はピストンロッドの断面積。

ショックアブソーバに正弦波加振が加えられたと仮定すると、ピストンの相対変位は次のように表されます。

圧縮ストロークは伸張ストロークと似ているため、圧縮ストロークの仕事は重複しません。 伸長室圧力Ｐ１、圧縮室圧力Ｐ２、リザーバ室圧力Ｐ３は、ピストン組立体およびフートバルブ組立体を通過するオイル流量と、伸行行程および圧縮行程におけるピストン速度との関係式（１３）により求められる。

ここで、U はピストン速度、Ah はピストンの断面積、Qyh は圧縮室から拡張室へのオイルの総流量です。

安定した動作条件にあるショックアブソーバーのピストンの場合、2 次元レイノルズ方​​程式は次の形式で表すことができます19:

ここで、p はピストン表面の特定の点における油膜圧力です。

ピストンとシリンダー間の実際の油膜厚さ h は次のように求められます。

ここで、h0 はピストンとシリンダー間の初期油膜厚さ、hpi はさまざまな場合のピストン外表面の油膜厚さです。

ピストン表面は加工公差と加工精度から規則的に浅いシボを施しています。 円筒状のテクスチャがピストン表面に均一に分布していると仮定します。 図 3a、b はピストンのテクスチャの概略図を示しています。 ピストンの偏心・傾きを考慮したピストン組織の模式図とピストンの偏心・傾きの模式図を図4に示します。 図 5 は、さまざまな場合のピストン外面の油膜厚さの分布を示しています。円筒状テクスチャー (図 5a)、ピストンの偏心率とテクスチャーを伴うピストンの偏心率 (図 5b と図 5c)、ピストンの傾きと垂直方向の偏心率です。テクスチャを伴うピストンの傾き（図 5d 対図 5e）、およびテクスチャを伴うピストンの偏心と傾き対ピストンの偏心と傾き（図 5f 対図 5g）。 さまざまな場合の油膜厚さ hpi21,27 は次のように表されます。

ピストンのテクスチャの概略図。

ピストンの偏心と傾きの概略図。

各種ケースにおけるピストン外面の油膜厚さの分布。

ここで、e はピストンの中央部の偏心率、θ は z 軸から始まる角度座標、φ は OE2 と z 軸の間の角度、γ はピストンの傾斜角、β は OE2 と E1E3 の間の角度です。

ピストンとシリンダーの間の流れ場は収束潤滑ギャップであり、ピストンのモデリング プロセスではレイノルズ境界が適用されます。 キャビテーションの影響は、使用される単相解析またはピストンの解析で考慮される境界条件の適用のいずれにおいても、解析には含まれていません20、21。 P0 は大気圧です。 境界条件は次のように表されます。

油圧ショックアブソーバーの作業プロセスは複雑な非線形流体システムです。 ショックアブソーバーの減衰特性は、温度、オイルの性質、各部品の組立精度などの要因に影響されます。 減衰特性を調査する詳細な数学的モデルでは、油温、キャビテーション、ガス、油圧縮率、油密度変動などのいくつかの要因が無視されます。 一連の仮定を以下に示します。

油へのガスの溶解度を無視すると仮定すると、ガスは油に溶解しません。 キャビテーションも無視されます。

ショックアブソーバーの動作中に油温が完全に放散されると仮定します。 油温は一定に保たれます。 油の温度変化特性は無視します。 オイルの粘度は一定に保たれます。 環境温度は20℃です。 油温と環境温度が同じと仮定します。

オイルが非圧縮性であると仮定します。 オイルは温度によって蒸発しません。

貯留室の気体が理想気体であると仮定すると、その圧力と体積は熱力学の法則に従って変化します。

ショックアブソーバの各作動室内の油圧が等しく、室内のピストンの往復運動に伴って圧力が連続的に変化すると仮定します。

ショックアブソーバーのすべての部品が適切に組み立てられています。

xOy 平面では、ピストン表面が x 方向と y 方向に沿って m および n 個のグリッドにメッシュ化されます。 5 点差分法は、式 (1) を離散化するために使用されます。 (17)。 対称逐次過緩和 (SSOR) 法を使用して離散代数方程式を解き、圧力 p を取得します。

負荷容量

計算された油膜圧力 p は、流体領域全体で x および y 方向に沿って数値積分され、負荷容量 WN は次のように取得できます。

摩擦力

ピストンにかかる摩擦力の計算は次のようになります。

ショックアブソーバの動的減衰特性は主に減衰力 Ff によって決まります。減衰力 Ff は次のように表されます。

ここで、Ah はピストンの断面積、Ag はピストンロッドの断面積、Ffoil は膜摩擦力です。

ピストンの外面の油膜圧力は、レイノルズ方​​程式 (1) を解くことにより、図 5 の 7 つの異なるケースの下で計算されます。 (17)。 ピストン外面の圧力分布は図6のように得られます。その結果、油膜圧力pと実際の油膜厚さhの変化傾向は一致しています。 ピストンとシリンダー間の高い油膜圧力は、くさび効果と押し出し効果による油膜の厚さの増加または減少（くさびギャップの形成）によって引き起こされます。 このようにピストンが移動すると油膜の摩擦力Ffoilが発生します。

さまざまな場合のピストン外面の圧力分布。

数値シミュレーションのパラメータは表 1 に示されており、次のとおりです。

図7に示すように、減衰力-変位ループおよび減衰力-速度特性曲線は減衰の効果を示します。 最大減衰力Ffは5559N。

減衰特性のシミュレーション結果です。

深さ比δは、初期油膜厚さh0に対する集合組織深さhpの比（δ=hp/h0）で定義されます。 円筒形のテクスチャード加工されたピストンの摩擦力 Ffoil は、図 8a に 0.01 から 0.14 までの異なる深さ比 δ でシミュレーションすることによって示されています。 円筒状組織の膜摩擦力Ｆｆｏｉｌは、深さ比δが増加するにつれて増加する。 円筒形テクスチャード加工ピストンの摩擦力 Ffoil は、深さ比 δ 0.14 で 38 N です。 摩擦力 Ffoil と深さ比 δ は、深さ比 δ が 0.01 から 0.14 まで増加するにつれて放物線の関係を示します。 ただし、図8b〜eに示すように、円筒状テクスチャーによる摩擦力Ffoilの減衰特性への影響は無視でき、これは文献17の結果と一致しています。 また、円筒テクスチャーピストンを備えたショックアブソーバーの減衰力 Ff (5600 N) は、深さ比 δ が 0.14 に増加すると、0.74% 増加することがわかります。

円筒組織の深さ比δが減衰特性に及ぼす影響。

ピストンは 7.15 × 10–4 rad の角度で傾斜しており、OE2 と E1 E3 の間の角度 β は \(\frac{\pi }{{2}}\) rad、OE2 と Z 軸の間の角度 φ は\(\frac{\pi }{{2}}\) ラッド。 深さ比δを0.01から0.14まで変化させてシミュレーションした傾斜ピストンと円筒テクスチャー傾斜ピストンの摩擦力Ffoilを図9aに、円筒テクスチャー傾斜ピストンと傾斜ピストンの摩擦力の差ΔFfoilを図9aに示します。図9b。 円筒組織傾斜ピストンの摩擦力Ｆｆｏｉｌは、深さ比δが０．０１から０．１４まで増加するにつれて増加する。 円筒状のテクスチャード加工を施した傾斜ピストンの摩擦力 Ffoil は、傾斜ピストンの摩擦力 Ffoil よりも高くなります。 摩擦力 Ffoil と深さ比 δ は、深さ比 δ が 0.01 から 0.14 まで増加するにつれて放物線の関係を示します。 傾斜ピストンの摩擦力 Ffoil (101.2 N) と比較すると、深さ比 δ が 0.14 に増加すると、摩擦力の差 ΔFfoil は 74.7 N となり、円筒状テクスチャー加工傾斜ピストン (175.9 N) の摩擦力 Ffoil は 73.81 と大幅に増加します。 %。 ただし、円筒状のテクスチャが傾斜したピストンであるため、減衰特性に及ぼす摩擦力の影響は、図9c〜fでは無視できます。 傾斜ピストンの減衰力Ｆｆ（５６６１Ｎ）と比較して、深さ比δを０．１４まで増加させると、円筒テクスチャー傾斜ピストン（５７２４Ｎ）の減衰力Ｆｆは１．１１％と大幅に増加する。 図９ｅに示すように、減衰力−変位ループの面積は、深さ比δが増加するにつれてわずかに増加する。 したがって、ピストンが傾斜した円筒状のテクスチャー条件が減衰力に及ぼす影響は無視できます。 ピストンの減衰力 Ff (5559 N) と比較すると、深さ比 δ を 0.14 に増加させ、傾斜角度を 7.15 × 10-4 rad にすると、円筒テクスチャー傾斜ピストン (5724 N) の減衰力 Ff は 3.02 と大幅に増加します。 %。

ピストン傾斜時の円筒組織の深さ比δが減衰特性に及ぼす影響。

ピストンは偏心しており、ピストン中央部の偏心量eは0.6h0です。 深さ比δを0.01から0.14までの範囲でシミュレーションした偏心ピストンと円筒テクスチャー偏心ピストンの摩擦力Ffoilを図10aに、円筒テクスチャー偏心ピストンと偏心ピストンの摩擦力の差ΔFfoilを図10aに示す。 １０ｂ． 円筒状組織偏心ピストンの摩擦力Ｆｆｏｉｌは、深さ比δが０．０１から０．１４まで増加するにつれて増加する。 摩擦力 Ffoil と深さ比 δ は、深さ比 δ が 0.01 から 0.14 まで増加するにつれて放物線の関係を示します。 偏心ピストンの摩擦力Ffoil（625.8N）と比較すると、深さ比δが0.14まで増加すると、円筒状テクスチャード偏心ピストン（810.3N）の摩擦力Ffoilは29.48％と大幅に増加する。 図 10c 〜 f では、偏心ピストン（6185 N）の減衰力 Ff と比較して、深さ比 δ を 0.14 まで増加させると、円筒テクスチャード偏心ピストン（6347 N）の減衰力 Ff は 0.27% 大きく増加します。 図１０ｅに示すように、減衰力−変位ループの面積は、深さ比δが増加するにつれてわずかに増加する。 したがって、減衰力に対する円筒状のテクスチャーを施したピストンの偏心状態の影響は無視できます。 ピストンの減衰力Ff（5559N）と比較すると、深さ比δを0.14、偏心量eを0.6h0と大きくすると、円筒形偏心ピストン（6185N）の減衰力Ffは11.26％と大幅に増加する。 その結果、円筒状組織の偏心ピストンによる摩擦力は、図1、図2に示すように減衰特性に大きな影響を与えます。 7c および 10c、d。

偏心ピストン条件における円筒組織の深さ比δが減衰特性に及ぼす影響。

ピストンが傾いて偏心している。 傾斜偏心ピストンと円筒状のテクスチャード加工を施した傾斜偏心ピストンの摩擦力 Ffoil を、深さ比 δ を 0.01 から 0.14 としてシミュレーションした結果を図 11a に示します。 円筒組織の傾斜偏心ピストンと傾斜偏心ピストンの摩擦力の差ΔFfoilを図11bに示す。 円筒組織の傾斜偏心ピストンの摩擦力 Ffoil は、深さ比 δ が 0.01 から 0.14 に増加するにつれて増加します。 摩擦力 Ffoil と深さ比 δ は、深さ比 δ が 0.01 から 0.14 まで増加するにつれて放物線の関係を示します。 傾斜偏心ピストンの摩擦力 Ffoil (930.3 N) と比較すると、深さ比 δ が 0.14 まで増加すると、円筒状テクスチャード加工の傾斜偏心ピストン (1682 N) の摩擦力 Ffoil は 80.8% と大幅に増加します。 その結果、ピストンが偏心して傾斜した状態での円筒組織は摩擦力 Ffoil に大きな影響を与えます。 図 11c,d に示すように、傾斜偏心ピストンの減衰力 Ff (6496 N) と比較すると、深さ比 δ が 0.14 まで増加すると、円筒状テクスチャード加工傾斜偏心ピストンの減衰力 Ff (7123 N) が大きくなります。 9.65%と大幅に増加しました。 したがって、ピストンの偏心と円筒状の組織の傾きが減衰力に大きな影響を与えることに注意してください。 図11e、fに示すように、減衰力と変位のループの面積は、深さ比δが増加するにつれて増加します。 図１、２に示すように。 図 7 および図 11c、d は、ピストンの減衰力 Ff (5559 N) をベースライン値として、深さ比 δ を 0.14 に増加させ、偏心率 e を 0.6h0 にすると、円筒状のテクスチャード加工を施した傾斜偏心ピストンの減衰力 Ff を示します。 （7123N）が28.13％と大幅上昇。 図１、２に示すように。 図9c、d、10c、dおよび11c、dから、円筒状テクスチャーを備えた傾斜ピストンまたは円筒状テクスチャーを備えた偏心ピストンと比較して、円筒状テクスチャーを備えた傾斜偏心ピストンの減衰力Ffが大きいだけでなく、しかし、2 つの状況を組み合わせたものよりも優れています。

ピストンが傾斜偏心した状態における円筒組織の深さ比δが減衰特性に及ぼす影響。

面積比は \(S_{p} = \frac{{4n\pi R_{p}^{2} }}{{{2}\pi RL_{y} }}\) として定義されます。ここで、n はテクスチャの数 (n = 16)、Rp はシリンダー テクスチャの半径、R はピストンの半径です。 円筒状テクスチャード加工ピストンの摩擦力 Ffoil を、面積比 Sp を 0.0003 から 0.18 まで変化させてシミュレーションした結果を図 12 に示します。円筒状テクスチャーの膜摩擦力 Ffoil は、面積比 Sp が 0.0003 から 0.18 まで増加するにつれて増加し、摩擦力は増加します。円筒形テクスチャード加工ピストンの力 Ffoil は、面積比 Sp が 0.18 の場合、23.8 N です。 Ffoil-Sp 曲線はほぼ直線的です。 ただし、円筒状組織であるため減衰特性に及ぼす摩擦力の影響は無視でき、これは文献の結果と一致しています17。

円筒状組織の面積比 Sp が摩擦力に及ぼす影響。

ピストンは 7.15 × 10–4 rad の角度で傾斜しており、OE2 と E1 E3 の間の角度 β は \(\frac{\pi }{{2}}\) rad、OE2 と Z 軸の間の角度 φ は\(\frac{\pi }{{2}}\) ラッド。 傾斜ピストンと円筒状テクスチャ傾斜ピストンの摩擦力 Ffoil を図 13a に 0.0003 から 0.18 までの異なる面積比 Sp でシミュレーションして示し、傾斜ピストンと円筒テクスチャ傾斜ピストンの摩擦力の差 ΔFfoil を示します。図13b。 円筒テクスチャー傾斜ピストンの摩擦力Ｆｆｏｉｌは、面積比Ｓｐが０．０００３から０．１８まで増加するにつれて増加し、円筒テクスチャー傾斜ピストンの摩擦力Ｆｆｏｉｌは、傾斜ピストンの摩擦力Ｆｆｏｉｌよりも高い。 Ffoil-Sp 曲線はほぼ直線的です。 傾斜ピストンの摩擦力Ffoil（101.2N）と比較すると、面積比Spを0.18に増加させると、円筒状テクスチャー傾斜ピストン（154.1N）の摩擦力Ffoilは52.27％と大幅に増加する。 ピストンが傾斜した円筒状のテクスチャーは摩擦力に大きな影響を与えます。 ピストンが偏心している場合、ピストン中央部の偏心量eは0.6h0となります。 面積比 Sp を 0.0003 から 0.18 まで変化させてシミュレーションした偏心ピストンと円筒テクスチャー偏心ピストンの摩擦力 Ffoil を図 13c に示し、円筒テクスチャー偏心ピストンと偏心ピストンの摩擦力の差 ΔFfoil を図 13c に示します。図13d。 円筒組織偏心ピストンの摩擦力 Ffoil は、面積比 Sp が 0.0003 から 0.18 まで増加するにつれて増加します。 Ffoil-Sp 曲線はほぼ直線的です。 偏心ピストンの摩擦力Ffoil（625.8N）と比較すると、面積比Spを0.18に増加させると、円筒状テクスチャード偏心ピストン（766.4N）の摩擦力Ffoilは22.47％と大幅に増加する。 このように、ピストンの偏心状態における円筒状のテクスチャーは摩擦力に大きな影響を与えます。 ピストンが傾斜して偏心しているとき、傾斜して偏心しているピストンと円筒状のテクスチャーを施した傾斜して偏心しているピストンの摩擦力 Ffoil を、図 13e に 0.0003 から 0.18 までの異なる面積比 Sp でシミュレーションすることによって示します。円筒状テクスチャの傾斜偏心ピストンと傾斜偏心ピストンを図 13f に示します。 円筒組織の傾斜偏心ピストンの摩擦力 Ffoil は、面積比 Sp が 0.0003 から 0.18 まで増加するにつれて増加します。 Ffoil-Sp 曲線はほぼ直線的です。 傾斜偏心ピストンの摩擦力 Ffoil (930.3 N) と比較すると、面積比 Sp を 0.18 に増加させると、円筒状テクスチャード加工の傾斜偏心ピストン (1439 N) の摩擦力 Ffoil は 54.68% と大幅に増加します。 その結果、ピストンが傾斜偏心した状態における円筒状組織は摩擦力 Ffoil に大きな影響を与えます。

さまざまな条件における円筒状テクスチャーの面積比 Sp が摩擦力に及ぼす影響。

その結果、この研究の結果は、油圧ショックアブソーバーの設計と車両システムダイナミクスの研究に新たな洞察を提供する可能性があります。 ピストンの往復運動によりピストンの上流と下流は頻繁に変化する可能性があるため、キャビテーション領域を含めた潤滑剤の流動保存則を考慮する必要があります。 キャビテーションは減衰特性に大きな影響を与えます。 これらの理論的研究の欠点には、温度による熱物性特性、主に動粘度係数の変化がないこと、およびショックアブソーバーの作動キャビティ内の温度変化を測定できないことも含まれます。 しかし、この研究ではそれらの影響が無視されているのは残念です。 今後は、より詳細な減衰特性を解析するために、油温やキャビテーションを含む詳細モデルの開発に取り組む必要があります。

本研究では、ショックアブソーバの減衰特性に及ぼすピストンの組織の影響を推定するために、ピストンのわずかな傾きと偏心、ピストンの組織の深さの比δとピストンの組織の面積比Spを考慮した、より詳細な数学モデルを開発しました。ピストンの微傾きや偏心状態における摩擦力や減衰特性を詳細に解析しました。 現在の研究の結論は次のように導き出されます。

レイノルズ方​​程式と結合したリザーバーと圧縮ストロークの数学的モデルに基づいて、新しい減衰力モデルが開発されます。 ピストンの質感、ピストンのわずかな傾き、ピストンの偏心、および3つのケースの組み合わせの数学的モデルを順番に開発します。

ピストンの円筒状の質感は、3 つの異なる条件における摩擦力に大きな影響を与えます。 ピストンの摩擦力は、ピストン組織の深さ比δが増加すると放物線状に増加し、ピストンの摩擦力はピストン組織の面積比Spが増加すると直線的に増加する。

ピストンの円筒状の質感は、ピストンが正常に動作するときの特定の構造パラメータ条件では減衰特性にほとんど影響を与えません。 ピストンの円筒状の質感は、ピストンの偏心や傾斜時の減衰特性に大きな影響を与えます。 円筒状のテクスチャード加工を施した傾斜偏心ピストンの減衰力 Ff は、特定のパラメーターの下で大幅に増加する可能性があります。

Yang, MJ, Yu, JQ & Guo, YB 自動車サスペンションにおけるショックアブソーバーの現状と開発傾向。 工学テスト 59(02)、96–103 (2019)。

Google スカラー

Gao、HX、Chi、MR、Dai、LC、Yang、JG & Zhou、XZ 鉄道車両のオリフィス加工段階における油圧ダンパーの数学的モデリングと計算シミュレーション。 数学。 問題。 工学 1 ～ 23 (2020)。

Lee, CT 流体力を考慮した車両の変位感応ショックアブソーバーのシミュレーション モデルの研究。 Ｊ．オートモブ． 工学 219(8)、965–975 (2005)。

記事 Google Scholar

Lee, CT & Moon, BY 流体流動モデリングを使用した、変位に敏感なショックアブソーバーの車両動的特性のシミュレーションと実験的検証。 メカ。 システム。 信号プロセス。 20、373–388 (2006)。

記事 ADS Google Scholar

Duym, S. & Reybrouck, K. 非線形ショックアブソーバーのダイナミクスの物理的特性評価。 ユーロ。 J. Mech. 環境。 工学 43、18–188 (1998)。

Google スカラー

Duym, S. 車両力学における自動車ショックアブソーバーのシミュレーション ツール、モデリングと同定。 ヴェー。 システム。 ディン。 33、261–285 (2000)。

記事 Google Scholar

Yung、VYB、Cole、DJ 自動車用油圧ダンパーの高周波力挙動をモデル化。 ヴェー。 システム。 ディン。 44、1–31 (2006)。

記事 Google Scholar

Besinger、FH、Cebon、D. & Cole、DJ 大型車両の乗り心地を重視したダンパー モデル。 ヴェー。 システム。 ディン。 24、35–64 (1995)。

記事 Google Scholar

Berger, H. MBS シミュレーションで使用するレオロジー ダンパー モデル。 卒業論文 (ウィーン工科大学、2002 年)。

Lion, A. & Loose, S. 自動車用ショックアブソーバーの熱機械結合モデル: テスト トラックでの理論、実験、および車両シミュレーション。 ヴェー。 システム。 ディン。 37、241–261 (2002)。

記事 Google Scholar

Czop, P. & Slawik, D. ショックアブソーバーおよびサーボ油圧テスターの高周波第一原理モデル。 メカ。 システム。 信号プロセス。 25、1937 ～ 1955 年 (2011)。

記事 ADS Google Scholar

Zhang, Y.、Guo, K.、Li, SE、Xiong, S.、Zheng, M. 膜状デュアルキャビティベースの振幅選択ダンパーのプロトタイピング設計と実験的検証。 メカ。 システム。 信号プロセス。 76–77、810–822 (2016)。

記事 ADS Google Scholar

Farjoud, A.、Ahmadian, M.、Craft, M. & Burke, W. 油圧ダンパーの非線形モデリングと実験的特性評価: ダンパーの性能に対するシム スタックとオリフィスのパラメーターの影響。 非線形Dyn. 67、1437–1456 (2012)。

記事 Google Scholar

Zhou, C. & Gu, L. スロットルスライス開口部のサイズと望遠鏡ダンパーの特性テストを重ね合わせます。 顎。 J. Mech. 工学 43(6)、210–215 (2007)。

記事 Google Scholar

Wang, W.、Zhou, Z.、Zhang, W. & Iwnicki, SD 高速鉄道パンタグラフ油圧ダンパーの新しい非線形変位依存パラメトリック モデル。 ヴェー。 システム。 ディン。 58(2)、272–289 (2020)。

記事 Google Scholar

ルイジアナ州ファルファン・カブレラ 電気自動車のトライボロジー: 重要なコンポーネント、現状、および将来の改善傾向のレビュー。 トリボル。 内部。 138、473–486 (2019)。

記事 Google Scholar

Ji、Y. 油圧自動車用複筒式ショックアブソーバーの物理モデリングと設計に関する研究、Vol. 6、11–21 (吉林大学、2015)。

Zhang, K. 単筒式空気圧ショックアブソーバーの減衰特性に関するシミュレーションと実験的研究、Vol. 6、18–33 (鎮江江蘇大学、2016)。

Wang、J.ら。 複数の集合組織分布を有するジャーナル軸受の潤滑性能に関する研究。 応用科学。 8、244 (2018)。

記事 Google Scholar

He, Z. ピストンスカートの摩擦損失と FEM 法に基づく動的解析。 Ind. Lubr. トリボル。 70(4)、656–672 (2018)。

記事 Google Scholar

Mao, Y.、Zeng, L.、Lu, Y. ウェッジ効果と組み合わせた、テクスチャード加工されたシリンダー表面上のキャビテーションのモデリングと最適化。 トリボル。 内部。 104、212–224 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Yu, G.、Zeng, L.、Mao, Y. 油圧シリンダのピストン表面のマイクロテクスチャーの流体潤滑性能に関する分析。 メカ。 科学。 テクノロジー。 航空宇宙工学 36(12)、1823–1829 (2017)。

Google スカラー

Wang, WL、Huang, Y.、Yang, XJ & Xu, GX 直列クリアランスと剛性を備えた高速鉄道油圧ヨー ダンパーの非線形パラメトリック モデリング。 非線形Dyn. 65、13–34 (2011)。

記事 Google Scholar

Alonso, A.、Giménez, JG & Gomez, E. ヨー ダンパー モデリングと鉄道の動的安定性に対するその影響。 ヴェー。 システム。 ディン。 49(9)、1367–1387 (2011)。

記事 ADS Google Scholar

Huang, C. & Zeng, J. 高速列車の油圧ヨー ダンパーの動的挙動。 ヴェー。 システム。 ディン。 56(12)、1922–1944 (2018)。

記事 ADS Google Scholar

Sun, X.、Tian, X.、Bao, L.、Chen, S. エネルギー法に基づくインフレータブル ダンパーの開弁と歪み特性。 顎。 油圧。 空気圧学 09、33–37 (2017)。

Google スカラー

彼、Z.ら。 質量保存的アルゴリズムに基づくミスアライメントジャーナル潤滑問題に対するアスペリティ間キャビテーション。 浙江大学-科学アプリケーション。 物理学。 Eng 14(9)、642–656 (2013)。

記事 Google Scholar

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著者らは、天津市教育委員会の科学技術研究プログラム (2019KJ152) および天津科学技術プログラム プロジェクト (20YDTPJC02020) からの財政的支援に感謝したいと思います。

天津大学エンジン国家重点研究所、天津、300354、中国

ヤンヤン・ユー & ジュンホン・チャン

天津恋愛学院、天津市、301636、中国

Yangyang Yu、Junhong Zhang、Xiangde Meng、Dan Wang、Shasha Ma

天津大学土木工学部、天津、300354、中国

シャシャ・マ

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YYはテクスチャーを備えたショックアブソーバーモデルを開発し、解析を実施しました。 SMは論文を書きました。 JZ は分析ツールを提供しました。 XM はベースラインのショックアブソーバー モデルを開発しました。 DWは論文を改訂した。

Junhong Zhang または Shasha Ma への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Yu、Y.、Zhang、J.、Meng、X. 他。 傾斜および偏心作業条件におけるピストンの質感が油圧ショックアブソーバーの減衰特性に及ぼす影響。 Sci Rep 12、9807 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13721-0

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受信日: 2021 年 11 月 1 日

受理日: 2022 年 5 月 26 日

公開日: 2022 年 6 月 13 日

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

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