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應用CFD於比例式液壓懸吊阻尼避震器之設計研究

摘要"

本文旨在針對比例式懸吊阻尼避震器進行CFD模擬來分析其電控比例閥內部之流體壓力、流速、流線以及避震器阻尼力等各種流體力學現象。首先,本研究因為無法得知電控比例閥內部主提動頭(Main-stage poppet)與先導提動頭(Pilot-stage poppet)之間的正確開度對應值,所以藉由CFD分析結果之壓力分佈圖來計算平均壓力,再利用所推導出的主提動頭力量平衡公式,即可以求得主提動頭與先導提動頭之間的正確開度對應值。另外,本文也將針對電控比例閥內部之一項關鍵結構尺寸,探討其尺寸改變對於避震器阻尼力之影響以及對於避震器軟硬設定之性能評估。最後,本文驗證了CFD模擬分析確實可以成功應用於比例式液壓懸吊阻尼避震器之設計。

關鍵詞:CFD、流場分析、阻尼器、避震器阻尼力、比例閥

CFD模擬分析為本研究採用之分析工具,所謂CFD即是計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)的簡稱,是建構在流體力學、數值計算方式及計算機程式等基礎上的數值解法,非常適合用來解析流體壓力、流速(量)、流線及動態阻尼特性等各種流體力學現象。
本文所研究之避震器為先進的複筒比例式阻尼避震器,而複筒比例式阻尼避震器的結構又可分為阻尼筒與電控比例閥二部分,其示意圖如圖1所示。其中電控比例閥具備二級式比例洩壓閥(Two-stage proportional relief valve)之架構,其控制方式為透過輸入電流來線性且無段控制比例電磁線圈的輸出力量值,並在先導級與系統壓力進行比較,若系統壓力作用在先導提動頭上的向右力量大於比例電磁線圈頂住先導提動頭的向左輸出力量,則先導提動頭將被向右推開並進而產生洩壓,最後將導致系統壓力值降低至預設值為止。因此,可以藉由電流控制比例線圈來無段調控系統壓力值並進而達到避震器阻尼筒內阻尼力之操控。另外值得一提的是,本研究主要將應用CFD模擬分析技術來解析複筒比例式避震器中電控比例閥內部流場之流體壓力、流速、流線以及動態阻尼力特性等各種流體力學現象,以作為液壓懸吊阻尼避震器設計工程師在確定相關關鍵尺寸設計時的有利參考。最後,由於複筒比例式阻尼避震器中電控比例閥內部流場為軸對稱之結構,故本研究將僅建立2D平面流場模型(2-D Flow Field Model)來進行CFD分析,其示意圖亦見於圖1之中。

CFD模擬邊界條件設定

電控比例閥2D模型繪製完成後,利用CFD軟體之生成網格介面即可建立電控比例閥內部結構網格,接著設定流體參數與邊界條件進行模擬,相關流體參數與邊界條件設定說明
如下。

流體參數與邊界條件設定

本研究將CFD分析之邊界條件設定為:流體參數、入口流速、壓力出口以及主提動頭及先導提動頭之開度等,分別簡述如下: 
(1)流體參數分主要為以下二項:
     流體密度:859.7 kg/m3
     流體黏度:8.16×10-3 kg/ms
(2)速度入口:
由阻尼筒受外力所產生的活塞運動速度(V1)可以進行換算,計算過程將在下一小節說明。
(3)壓力出口:
壓力出口邊界均設為101,325 Pa (1大氣壓力)。
(4)由於尚無法得知主提動頭與先導提動頭之正確開度對應值,所以本文將先行利用主提動頭力量平衡公式來求得主提動頭開度(X1)與先導提動頭開度(X2)之間的正確對應值。圖2所示為主提動頭與先導提動頭開度以及液壓油流線示意圖。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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