Efecto de la textura del pistón en condiciones de trabajo de inclinación y excentricidad sobre las características de amortiguación de un amortiguador hidráulico.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 9807 (2022) Citar este artículo

Para predecir con precisión las características de amortiguación de un amortiguador hidráulico en condiciones de inclinación y excentricidad del pistón, especialmente, considerando los efectos de la construcción de la superficie del pistón. En el presente trabajo, teniendo en cuenta la ligera inclinación y excentricidad del pistón, se desarrolló un modelo matemático más detallado para estimar los efectos de la textura del pistón en las características de amortiguación. Basado en los modelos matemáticos de depósito y carrera de compresión junto con la ecuación de Reynolds, se desarrolló un nuevo modelo de fuerza de amortiguación que analizó los efectos de la estructura del pistón en las características de amortiguación. Los modelos matemáticos de textura del pistón, ligera inclinación del pistón, excentricidad del pistón y combinaciones de tres casos se desarrollan para analizar en detalle los efectos de la textura del pistón en diferentes condiciones de trabajo sobre las características de amortiguación. Los resultados mostraron que la fuerza de fricción del pistón aumenta de forma parabólica al aumentar la relación de profundidad, y la del pistón aumenta linealmente al aumentar la relación de área. Las texturas del pistón tienen pocos efectos sobre las características de amortiguación en condiciones de parámetros estructurales específicos cuando el pistón funciona normalmente; sin embargo, las texturas del pistón ligeramente inclinado y excéntrico tienen grandes efectos. Como resultado, las texturas de los pistones pueden causar una alta fuerza de amortiguación, destruyendo la comodidad y la seguridad. Por lo tanto, es necesario que los efectos de la construcción de la superficie del pistón se predigan con precisión sobre las características de amortiguación en diferentes condiciones de trabajo. Los resultados podrían proporcionar nuevos conocimientos para el diseño de amortiguadores hidráulicos y la investigación de la dinámica de sistemas de vehículos.

El amortiguador hidráulico de doble tubo se ha utilizado ampliamente en la suspensión de automóviles y en el sistema de suspensión de vehículos ferroviarios1,2 desde su tecnología madura y su costo moderado. En la época contemporánea, al igual que en el caso de los automóviles y los vehículos ferroviarios, se presta especial atención al confort y la seguridad, al mismo tiempo que se persigue una mayor velocidad. Las características de amortiguación dinámica del amortiguador hidráulico tienen un gran impacto en el rendimiento dinámico de los vehículos3,4. Las características de amortiguación dinámica dependen de la estructura del amortiguador. Sin embargo, las estructuras se diseñan mediante el método de diseño tradicional que incluye la experiencia, luego se revisan y ajustan mediante experimentos repetidos. Requerirá un largo período y un alto costo. Las estructuras también se diseñan mediante el método de simulación numérica. Es preciso, rápido y conveniente. Sin embargo, el amortiguador suele funcionar en condiciones complejas. Es difícil obtener un rendimiento de amortiguación preciso en diferentes condiciones de trabajo complejas. Por lo tanto, es un importante foco de investigación predecir con precisión el rendimiento del amortiguador mediante el método de simulación numérica para diseñar estructuras óptimas adecuadas para condiciones de trabajo complejas.

Las estructuras del amortiguador tienen un gran impacto en las características de amortiguación dinámica. Duym5,6 y Yung7 establecieron modelos detallados que incluyen la estructura interna y el proceso de operación, analizaron el desempeño de la absorción de impactos en la estructura interna. Besinger8, Berger9 y Lion10 establecieron un modelo reológico que incluye amortiguación, resorte y fricción, y analizaron el efecto de los parámetros estructurales sobre las características de amortiguación. Czop11 formuló, derivó y validó el modelo no lineal de primer principio, investigó las vibraciones estructurales en las interacciones dinámicas entre los elementos de montaje, los sistemas de válvulas y el actuador hidráulico del amortiguador, y capturó las características dinámicas en un amplio rango operativo. Zhang12 elaboró el principio de funcionamiento de la membrana de doble cavidad basado en un amortiguador sensible a la amplitud (MASD); su modelo dinámico se derivó combinando el modelado del primer principio de componentes hidráulicos y el modelado empírico de válvulas membranosas. Al mismo tiempo, se analizó la influencia de la construcción del pistón y de la válvula en la amortiguación dinámica. Alireza Farjoud13 presentó un modelo no lineal de amortiguadores hidráulicos monotubo y puso énfasis en la estructura detallada de la pila de cuñas y sus efectos en el rendimiento general del amortiguador. Zhou14 estableció un modelo mecánico de corte de acelerador de anillo flexible basado en principios mecánicos elásticos. Se investigó en profundidad el efecto de la superposición del espesor de las rebanadas del acelerador sobre el tamaño de la apertura del acelerador. Wang15 estableció un nuevo modelo de parámetros completos y reveló las características dependientes del desplazamiento no lineal de los amortiguadores de pantógrafo de un ferrocarril de alta velocidad. Las características de amortiguación se analizan en las secciones internas y dimensiones de los orificios de la varilla mediante el modelo de parámetros completos. Farfán-Cabrera16 aportó una revisión sobre el estado actual y las tendencias futuras de mejora para la optimización de los componentes tribológicos críticos utilizados en los vehículos, permitió comprender los logros más recientes en términos de soluciones tribológicas aplicadas a los componentes críticos. La fricción entre el pistón y el cilindro del amortiguador hidráulico tiene un efecto crítico en las características de amortiguación del amortiguador, lo que proporciona una dirección importante para el modelado más fino y completo del amortiguador. Ji17 y Zhang18 establecieron un modelo sobre la fuerza de amortiguación que, considerando la fricción entre el pistón y el cilindro, analizó el rendimiento de amortiguación del amortiguador. Pero la fricción se calculó mediante una fórmula constante o empírica, que no podía reflejar completamente el efecto de la estructura del pistón (incluida la morfología de la superficie del pistón) sobre las características de amortiguación del amortiguador.

Sin embargo, es un contacto de lubricación entre el pistón y el cilindro del amortiguador. El efecto de las estructuras de la superficie es crucial para el rendimiento de fricción de los contactos de lubricación. Especialmente, la ecuación de Reynolds se usa ampliamente para resolver el análisis de fricción del cojinete deslizante hidrodinámico19, el pistón y el cilindro del motor y el cilindro hidráulico20,21,22, y el efecto de la superficie del cojinete y la estructura del pistón se puede analizar en detalle sobre la fricción. La condición y el principio de lubricación dinámica entre el pistón y el cilindro del amortiguador hidráulico de doble cilindro son los mismos que los del cojinete deslizante dinámico, el pistón y el cilindro del motor y el cilindro hidráulico. Con el rápido desarrollo de los vehículos y trenes, la velocidad aumenta y se vuelve cada vez más alta, la comodidad del vehículo y del sistema de tren se vuelve más sensible a las variaciones de parámetros de los componentes, especialmente al efecto de la fricción en la superficie del pistón. Por lo tanto, es imperativo establecer modelos más precisos sobre las características de amortiguación para investigar el efecto de la estructura de la superficie del pistón.

Las condiciones de trabajo del sistema de suspensión de automóviles y vehículos ferroviarios son complejas y variadas. La inclinación y excentricidad del pistón se deben frecuentemente a operaciones prolongadas y a alta velocidad, y tienen grandes efectos en las características de amortiguación, provocando que una fuerza de amortiguación elevada destruya la comodidad y la seguridad. Wang23 abordó un modelo paramétrico no lineal más sutil y completo de un amortiguador de guiñada hidráulico de un ferrocarril de alta velocidad, que predijo de manera precisa y robusta las características de amortiguación con un rango de velocidad extremadamente amplio. Alonso24 se ocupó de la modelización de amortiguadores de guiñada y determinó la influencia de la modelización de este componente en los resultados obtenidos a la hora de predecir la estabilidad dinámica de un vehículo. Se verificó que el modelado preciso del amortiguador de guiñada es fundamental cuando se trata del desempeño dinámico del vehículo. Huang25 instaló un modelo simplificado del amortiguador de guiñada, analizó su desempeño dinámico en el rango de condiciones de operación y concluyó que la gran diferencia entre las condiciones dinámicas y estáticas fue causada por la flexibilidad interna del amortiguador bajo pequeñas amplitudes, lo que provocó la aparición de averías en condiciones de trabajo especiales. o el trabajo a largo plazo. Sun26 estudió las características de distorsión del amortiguador basándose en el método de la energía y obtuvo que la capacidad antidistorsión del amortiguador aumenta al aumentar la presión de inflado. El espacio de cuña entre el pistón y el cilindro se genera por el funcionamiento del pistón excéntrico e inclinado, lo que provoca una gran fricción. Especialmente, la estructura de la superficie del pistón también tiene un gran efecto en la forma del espacio de la cuña bajo condiciones de inclinación y excentricidad del pistón, afectando así las características de amortiguación. Sin embargo, los efectos de la textura del pistón sobre las características de amortiguación del amortiguador hidráulico en diferentes condiciones de trabajo son muy cruciales y no se han investigado en detalle.

Para investigar los efectos de la estructura de la superficie del pistón sobre las características de amortiguación del amortiguador cuando el pistón está inclinado o excéntrico, en el presente trabajo, teniendo en cuenta la ligera inclinación y la excentricidad del pistón, se desarrolla un modelo matemático más detallado para estimar el efecto del pistón. textura sobre las características de amortiguación dinámica de los amortiguadores. El trabajo actual demuestra las siguientes nuevas contribuciones: (1) Basado en los modelos matemáticos de depósito y carrera de compresión junto con la ecuación de Reynolds, se desarrolló un nuevo modelo de fuerza de amortiguación que analizó los efectos de la estructura de la superficie del pistón sobre las características de amortiguación. (2) La fuerza de amortiguación se analizó detalladamente en diferentes condiciones de trabajo, incluida la textura del pistón, la excentricidad del pistón con textura, la inclinación del pistón con textura y la excentricidad del pistón más la inclinación con textura. (3) Con el aumento de la relación de profundidad δ y la relación de área Sp de la textura del pistón, se investigó la forma creciente de la fuerza de fricción. Se analizó el efecto de la textura cilíndrica sobre la fuerza de fricción en el funcionamiento normal del pistón o en condiciones de pistón inclinado y excéntrico. Como resultado, los resultados de este estudio podrían proporcionar una nueva visión para el diseño de amortiguadores hidráulicos y la investigación de la dinámica del sistema del vehículo.

La Figura 1 muestra el croquis estructural del amortiguador hidráulico de doble cilindro, refleja el proceso de trabajo de carrera de extensión y carrera de compresión. El aceite pasa a través del sistema de válvulas durante la carrera de extensión y la carrera de compresión, lo que produce fuerza de amortiguación y reduce la energía de vibración. El amortiguador hidráulico de doble cilindro absorbe la energía de vibración.

Amortiguador hidráulico.

El aceite pasa a través del orificio constante y la separación del pistón cuando la válvula de extensión no está abierta. QT es el caudal cuando el aceite pasa a través del orificio constante del conjunto del pistón. Qxl es el caudal cuando el aceite pasa a través del espacio del pistón. QT y Qxl se expresan de la siguiente manera:

donde Cq es el coeficiente de flujo del orificio constante del conjunto de pistón, AT es el área total del orificio constante del conjunto de pistón; \(\rho\) es la densidad del aceite, dh es el diámetro del pistón; \(\mu\) es la viscosidad dinámica del aceite; Ly es la anchura axial del pistón; h es el espesor real de la película de aceite entre el pistón y el cilindro; P1 es la presión de la cámara de extensión y P2 es la presión de la cámara de compresión.

El flujo total Qfh de aceite desde la cámara de extensión a la cámara de compresión se expresa como sigue:

El caudal total Qfh incluye el caudal QT del orificio constante del conjunto de pistón, el caudal Qxl de la separación del pistón y el caudal Qf del orificio de extensión cuando se abre la válvula de extensión. Como se muestra en la Fig. 1c, el caudal Qf del orificio de extensión incluye el caudal Qfc del orificio del acelerador de extensión y el caudal Qff de la ranura circular. Qfc y Qff están en serie, por tanto, Qfc = Qff.

donde \(\varepsilon_{fc}\) es el coeficiente de flujo del orificio del acelerador de extensión, Afc es el área total del orificio de la válvula de extensión, rbf es el radio exterior de la placa de la válvula de extensión y rkf es el radio de la muesca de la placa de la válvula de extensión. \(\delta_{rf} = f_{rf} - f_{rf0}\),\(f_{rf}\) es la deformación de la válvula de extensión y \(f_{rf0}\) es la predeformación de la válvula de extensión.

El caudal Qyc del orificio constante del conjunto de la válvula de pie y el caudal Qyb de la válvula de retención se expresan de la siguiente manera:

donde \(\varepsilon_{yc}\) es el coeficiente de flujo del orificio constante del conjunto de la válvula de pie, Ayc es el área total del orificio constante del conjunto de la válvula de pie, P3 es la presión en la cámara del depósito, rbb es el radio exterior de la válvula de retención placa y rkb es el radio de la muesca de la placa de la válvula de retención.\(\delta_{yb} { = }f_{ry} - f_{ry0}\), \(f_{ry}\) es la deformación de la válvula de retención y \(f_ {ry0}\) es una causa de deformación de la válvula de retención.

La deformación del plato de válvula se expresa de la siguiente manera:

donde hffp es el espesor del plato de la válvula y Grffp es el coeficiente de deformación del plato de la válvula.

La deflexión por flexión de un disco circular con un radio arbitrario r14 se expresa de la siguiente manera y como se muestra en la Fig. 2.

Curva de deformación del plato de válvula.

Cuando se abre la válvula de extensión, el caudal total Qfh de aceite desde la cámara de extensión hacia la cámara de compresión se expresa de la siguiente manera:

El caudal total Qyd de petróleo desde la cámara del depósito a la cámara de compresión se expresa de la siguiente manera:

Suponiendo que el gas de la cámara del depósito es un gas ideal, la expresión se puede dar como:

donde V0 es el volumen inicial de los gases en la cámara del depósito, P30 es la presión inicial de los gases en la cámara del depósito, V(t) es el volumen de los gases en la cámara del depósito, Y es el desplazamiento relativo del pistón y Ag es el área de la sección del vástago del pistón.

Suponiendo que se aplica excitación sinusoidal al amortiguador, el desplazamiento relativo del pistón se expresa de la siguiente manera:

La carrera de compresión es similar a la carrera de extensión, por lo que el trabajo de la carrera de compresión no se duplica. La presión de la cámara de extensión P1, la presión de la cámara de compresión P2 y la presión de la cámara del depósito P3 se obtienen mediante la relación (13) entre el caudal de aceite que pasa a través del conjunto de pistón y el conjunto de válvula de pie y la velocidad del pistón durante la carrera de extensión y la carrera de compresión.

donde U es la velocidad del pistón, Ah es el área de la sección transversal del pistón y Qyh es el flujo total de aceite desde la cámara de compresión hacia la cámara de extensión.

Para un pistón de amortiguador en condiciones de trabajo estables, la ecuación de Reynolds bidimensional se puede expresar de la siguiente forma19:

donde p es la presión de la película de aceite en un punto específico de la superficie del pistón.

La expresión del espesor real de la película de aceite h entre el pistón y el cilindro se puede obtener de la siguiente manera:

donde h0 es el espesor de la película de aceite inicial entre el pistón y el cilindro y hpi es el espesor de la película de aceite en la superficie exterior del pistón en diferentes casos.

La superficie del pistón tiene una textura superficial regular debido a la tolerancia y la precisión del mecanizado. Suponiendo que las texturas cilíndricas estén distribuidas uniformemente sobre la superficie del pistón. La Figura 3a,b muestra un esquema de las texturas del pistón. Teniendo en cuenta la excentricidad y la inclinación del pistón, la figura 4 muestra el esquema de las texturas del pistón y el esquema de la excentricidad y la inclinación del pistón. La Figura 5 muestra la distribución del espesor de la película de aceite en la superficie exterior del pistón en diferentes casos: textura cilíndrica (Fig. 5a), excentricidad del pistón versus excentricidad del pistón con textura (Fig. 5b versus Fig. 5c), inclinación del pistón versus. inclinación del pistón con textura (Fig. 5d vs. Fig. 5e), y excentricidad del pistón más inclinación vs. excentricidad del pistón más inclinación con textura (Fig. 5f vs. Fig. 5g). El espesor de su película de aceite hpi21,27 en diferentes casos se expresa de la siguiente manera:

Esquema de la textura del pistón.

Esquema de excentricidad e inclinación del pistón.

Distribución del espesor de la película de aceite en la superficie exterior del pistón en diferentes casos.

donde e es la excentricidad de la sección central del pistón, θ es la coordenada angular que comienza desde el eje z, φ es el ángulo entre OE2 y el eje z, γ es el ángulo de inclinación del pistón y β es el ángulo entre OE2 y E1E3.

El campo de flujo entre el pistón y el cilindro es un espacio de lubricación convergente; el límite de Reynolds se aplica en el proceso de modelado del pistón. El efecto de la cavitación no está incluido en el análisis, ni en términos del análisis monofásico utilizado ni en la aplicación de las condiciones de contorno, que se consideran en el análisis del pistón20,21. P0 es la presión atmosférica. Las condiciones de contorno se expresan de la siguiente manera:

El proceso de trabajo del amortiguador hidráulico es un complejo sistema de fluido no lineal. Las características de amortiguación del amortiguador se ven afectadas por muchos factores, incluida la temperatura, las propiedades del aceite y la precisión del ensamblaje de cada componente, etc. Algunos factores se ignoran en el modelo matemático detallado para investigar las características de amortiguación, incluida la temperatura del aceite, la cavitación, el gas, la compresibilidad del aceite y la variación de la densidad del aceite. A continuación se muestra un conjunto de supuestos:

Suponiendo que se ignora la solubilidad del gas en el petróleo, el gas no se disuelve en el petróleo. También se ignora la cavitación.

Suponiendo que la temperatura del aceite se disipe por completo durante el funcionamiento del amortiguador. La temperatura del aceite permanece constante. Se ignoran las características de variación de temperatura del aceite. La viscosidad del aceite permanece constante. La temperatura ambiente es de 20°C. Suponiendo que la temperatura del aceite y la temperatura ambiente sean las mismas.

Suponiendo que el aceite sea incompresible. El aceite no se vaporizará debido a la temperatura.

Suponiendo que el gas de la cámara del depósito es un gas ideal, su presión y volumen cambian de acuerdo con las leyes de la termodinámica.

Suponiendo que la presión del aceite en cada cámara de trabajo del amortiguador es igual y que la presión varía continuamente con el movimiento alternativo del pistón en la cámara.

Todas las partes del amortiguador están bien ensambladas.

En el plano xOy, la superficie del pistón está engranada en rejillas myn a lo largo de las direcciones xey. El método de diferencia de cinco puntos se utiliza para la ecuación discreta. (17). Se utiliza el método de relajación sucesiva simétrica (SSOR) para resolver la ecuación algebraica discreta y se obtiene la presión p.

Capacidad de carga

La presión calculada de la película de aceite p se integra numéricamente en todo el dominio del fluido a lo largo de las direcciones x e y, y las capacidades de carga WN se pueden obtener de la siguiente manera:

Fuerza de fricción

El cálculo de la fuerza de fricción sobre el pistón es el siguiente:

Las características de amortiguación dinámica del amortiguador están determinadas principalmente por la fuerza de amortiguación Ff: La fuerza de amortiguación Ff se expresa de la siguiente manera:

donde Ah es la sección transversal del pistón, Ag es el área de la sección del vástago del pistón, Ffoil es la fuerza de fricción de la película.

Las presiones de la película de aceite en la superficie exterior del pistón se calculan en siete casos diferentes de la Fig. 5 resolviendo la ecuación de Reynolds. (17). La distribución de presiones en la superficie exterior del pistón se puede obtener en la Fig. 6. Como resultado, la tendencia de cambio de la presión de la película de aceite p y la del espesor real de la película de aceite h son consistentes. Las altas presiones de la película de aceite entre el pistón y el cilindro se inducen aumentando o disminuyendo el espesor de la película de aceite (formando un espacio en cuña) debido al efecto de cuña y al efecto de extrusión. Por lo tanto, la fuerza de fricción Flámina de la película de aceite se genera cuando el pistón se mueve.

Distribución de presión sobre la superficie exterior del pistón en diferentes casos.

Los parámetros de simulación numérica se proporcionaron en la Tabla 1 y son los siguientes:

Como se muestra en la Fig. 7, el bucle de fuerza-desplazamiento de amortiguación y la curva característica de fuerza-velocidad de amortiguación muestran los efectos de la amortiguación. La fuerza máxima de amortiguación Ff es 5559 N.

Resultados de simulación de características de amortiguación.

La relación de profundidad δ se define por la relación entre la profundidad de la textura hp y el espesor inicial de la película de aceite h0 (δ = hp/h0). Las fuerzas de fricción Ffoil del pistón cilíndrico texturizado se muestran simulando con diferente relación de profundidad δ de 0,01 a 0,14 en la Fig. 8a. La fuerza de fricción de la película Ffoil de la textura cilíndrica aumenta al aumentar la relación de profundidad δ. La fuerza de fricción Ffoil del pistón cilíndrico texturizado es de 38 N con una relación de profundidad δ de 0,14. La fuerza de fricción Ffoil y la relación de profundidad δ muestran una relación de curva parabólica con una relación de profundidad creciente δ de 0,01 a 0,14. Sin embargo, como se muestra en la Fig. 8b-e, se puede despreciar el efecto de la fuerza de fricción Ffoil desde la textura cilíndrica sobre las características de amortiguación, lo cual es consistente con los resultados de la literatura17. También se puede observar que la fuerza de amortiguación Ff (5600 N) del amortiguador con pistón cilíndrico texturizado aumenta en un 0,74% cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14.

Efecto de la relación de profundidad δ de la textura cilíndrica sobre la característica de amortiguación.

El pistón está inclinado en un ángulo de 7,15 × 10–4 rad, el ángulo β entre OE2 y E1 E3 es \(\frac{\pi }{{2}}\) rad, el ángulo φ entre OE2 y el eje Z es \(\frac{\pi }{{2}}\) rad. La fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado y el pistón inclinado con textura cilíndrica se muestran simulando con diferente relación de profundidad δ de 0,01 a 0,14 en la Fig. 9a, la diferencia ΔFfoil de la fuerza de fricción del pistón inclinado de textura cilíndrica y el pistón inclinado se muestran en Figura 9b. La fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado de textura cilíndrica aumenta al aumentar la relación de profundidad δ de 0,01 a 0,14. La fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado texturizado cilíndrico es mayor que la del pistón inclinado. La fuerza de fricción Ffoil y la relación de profundidad δ muestran una relación de curva parabólica con una relación de profundidad creciente δ de 0,01 a 0,14. En comparación con la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado (101,2 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14, la diferencia ΔFfoil de la fuerza de fricción es 74,7 N, la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado con textura cilíndrica (175,9 N) aumenta considerablemente en 73,81 %. Sin embargo, el efecto de la fuerza de fricción debido al pistón inclinado de textura cilíndrica sobre las características de amortiguación se puede despreciar en las figuras 9c-f. En comparación con la fuerza de amortiguación Ff del pistón inclinado (5661 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14, la fuerza de amortiguación Ff del pistón inclinado con textura cilíndrica (5724 N) aumenta considerablemente en un 1,11%. Como se muestra en la Fig. 9e, el área del bucle de fuerza-desplazamiento de amortiguación aumenta ligeramente al aumentar la relación de profundidad δ. Por lo tanto, se puede despreciar el efecto de la textura cilíndrica en la condición del pistón inclinado sobre la fuerza de amortiguación. En comparación con la fuerza de amortiguación Ff del pistón (5559 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14 y el ángulo de inclinación es 7,15 × 10–4 rad, la fuerza de amortiguación Ff del pistón inclinado con textura cilíndrica (5724 N) aumenta considerablemente en 3,02 %.

Efecto de la relación de profundidad δ de la textura cilíndrica en la condición del pistón inclinado sobre las características de amortiguación.

El pistón es excéntrico, la excentricidad e de la sección central del pistón es 0,6h0. La fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico y el pistón excéntrico texturizado cilíndrico se muestran simulando con una relación de profundidad δ de 0,01 a 0,14 en la Fig. 10a, la diferencia ΔFfoil de la fuerza de fricción del pistón excéntrico de textura cilíndrica y el pistón excéntrico se muestra en la Fig. 10b. La fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico de textura cilíndrica aumenta al aumentar la relación de profundidad δ de 0,01 a 0,14. La fuerza de fricción Ffoil y la relación de profundidad δ muestran una relación de curva parabólica con una relación de profundidad creciente δ de 0,01 a 0,14. En comparación con la fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico (625,8 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14, la fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico con textura cilíndrica (810,3 N) aumenta considerablemente en un 29,48%. En la figura 10c-f, en comparación con la fuerza de amortiguación Ff del pistón excéntrico (6185 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14, la fuerza de amortiguación Ff del pistón excéntrico con textura cilíndrica (6347 N) aumenta considerablemente en un 0,27%. Como se muestra en la Fig. 10e, el área del bucle de fuerza-desplazamiento de amortiguación aumenta ligeramente al aumentar la relación de profundidad δ. Por lo tanto, se puede despreciar el efecto de la textura cilíndrica en la condición del pistón excéntrico sobre la fuerza de amortiguación. En comparación con la fuerza de amortiguación Ff del pistón (5559 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14 y la excentricidad e es 0,6h0, la fuerza de amortiguación Ff del pistón excéntrico texturizado cilíndrico (6185 N) aumenta considerablemente en un 11,26%. Como resultado, la fuerza de fricción desde el pistón excéntrico de textura cilíndrica tiene grandes efectos sobre las características de amortiguación, como se muestra en las Figs. 7c y 10c,d.

Efecto de la relación de profundidad δ de la textura cilíndrica en la condición del pistón excéntrico sobre la característica de amortiguación.

El pistón es inclinado y excéntrico. La fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado y excéntrico y del pistón cilíndrico texturizado inclinado y excéntrico se muestran simulando con la relación de profundidad δ de 0,01 a 0,14 en la Fig. 11a. La diferencia ΔFfoil de la fuerza de fricción del pistón inclinado y excéntrico de textura cilíndrica y del pistón inclinado y excéntrico se muestra en la Fig. 11b. La fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico e inclinado de textura cilíndrica aumenta al aumentar la relación de profundidad δ de 0,01 a 0,14. La fuerza de fricción Ffoil y la relación de profundidad δ muestran una relación de curva parabólica con una relación de profundidad creciente δ de 0,01 a 0,14. En comparación con la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado y excéntrico (930,3 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14, la fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico e inclinado con textura cilíndrica (1682 N) aumenta considerablemente en un 80,8%. Como resultado, la textura cilíndrica bajo condiciones de pistón inclinado y excéntrico tiene grandes efectos sobre la fuerza de fricción Ffoil. Como se muestra en la Fig. 11c, d, en comparación con la fuerza de amortiguación Ff del pistón inclinado y excéntrico (6496 N), cuando la relación de profundidad δ aumenta a 0,14, la fuerza de amortiguación Ff del pistón excéntrico e inclinado con textura cilíndrica (7123 N) aumenta considerablemente en un 9,65%. Por lo tanto, vale la pena señalar que la excentricidad del pistón más la inclinación con textura cilíndrica tiene un gran efecto sobre la fuerza de amortiguación. Como se muestra en la Fig. 11e, f, el área del bucle de fuerza-desplazamiento de amortiguación aumenta al aumentar la relación de profundidad δ. Como se muestra en las Figs. 7 y 11c,d, tomando la fuerza de amortiguación Ff del pistón (5559 N) como valor de referencia, cuando la relación de profundidad δ se incrementa a 0,14 y la excentricidad e es 0,6h0, la fuerza de amortiguación Ff del pistón excéntrico e inclinado con textura cilíndrica (7123 N) aumenta considerablemente en un 28,13%. Como se muestra en las Figs. 9c,d, 10c,d y 11c,d, se puede concluir que, en comparación con el pistón inclinado con textura cilíndrica o el pistón excéntrico con textura cilíndrica, la fuerza de amortiguación Ff del pistón inclinado y excéntrico con textura cilíndrica no sólo es mayor, pero también es mayor que la combinación de dos situaciones.

Efecto de la relación de profundidad δ de la textura cilíndrica en la condición del pistón inclinado y excéntrico sobre la característica de amortiguación.

La relación de áreas se define como \(S_{p} = \frac{{4n\pi R_{p}^{2} }}{{{2}\pi RL_{y} }}\), donde n es el número de texturas (n = 16), Rp es el radio de la textura del cilindro, R es el radio del pistón. Las fuerzas de fricción Ffoil del pistón cilíndrico texturizado se muestran simulando con diferentes relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18 en la Fig. 12. La fuerza de fricción de la película Ffoil del pistón de textura cilíndrica aumenta al aumentar las relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18, y la fricción La fuerza Ffoil del pistón cilíndrico texturizado es de 23,8 N con relaciones de área Sp de 0,18. La curva Ffoil-Sp es aproximadamente lineal. Sin embargo, el efecto de la fuerza de fricción debido a la textura cilíndrica sobre las características de amortiguación puede despreciarse, lo cual es consistente con los resultados de la literatura17.

Efecto de la relación de áreas Sp de textura cilíndrica sobre las fuerzas de fricción.

El pistón está inclinado en un ángulo de 7,15 × 10–4 rad, el ángulo β entre OE2 y E1 E3 es \(\frac{\pi }{{2}}\) rad, el ángulo φ entre OE2 y el eje Z es \(\frac{\pi }{{2}}\) rad. La fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado y el pistón inclinado con textura cilíndrica se muestran simulando con diferentes relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18 en la Fig. 13a, se muestra la diferencia ΔFfoil de la fuerza de fricción del pistón inclinado y el pistón inclinado de textura cilíndrica en la figura 13b. La fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado con textura cilíndrica aumenta al aumentar las relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18, y la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado con textura cilíndrica es mayor que la del pistón inclinado. Las curvas Ffoil-Sp son aproximadamente lineales. En comparación con la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado (101,2 N), cuando las relaciones de área Sp aumentan a 0,18, la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado con textura cilíndrica (154,1 N) aumenta considerablemente en un 52,27%. La textura cilíndrica en la condición del pistón inclinado tiene grandes efectos sobre la fuerza de fricción. Cuando el pistón es excéntrico, la excentricidad e de la sección central del pistón es 0,6h0. La fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico y el pistón excéntrico texturizado cilíndrico se muestran simulando con diferentes relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18 en la Fig. 13c, la diferencia ΔFfoil de la fuerza de fricción del pistón excéntrico de textura cilíndrica y el pistón excéntrico se muestra en Figura 13d. La fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico de textura cilíndrica aumenta al aumentar las relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18. Las curvas Ffoil-Sp son aproximadamente lineales. En comparación con la fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico (625,8 N), cuando las relaciones de área Sp aumentan a 0,18, la fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico con textura cilíndrica (766,4 N) aumenta considerablemente en un 22,47%. Por lo tanto, la textura cilíndrica en condición de pistón excéntrico tiene grandes efectos sobre la fuerza de fricción. Cuando el pistón es inclinado y excéntrico, la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado y excéntrico y del pistón inclinado y excéntrico con textura cilíndrica se muestran simulando con diferentes relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18 en la Fig. 13e, la diferencia ΔFfoil de la fuerza de fricción de el pistón inclinado y excéntrico de textura cilíndrica y el pistón inclinado y excéntrico se muestran en la Fig. 13f. La fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico e inclinado de textura cilíndrica aumenta al aumentar las relaciones de área Sp de 0,0003 a 0,18. Las curvas Ffoil-Sp son aproximadamente lineales. En comparación con la fuerza de fricción Ffoil del pistón inclinado y excéntrico (930,3 N), cuando las relaciones de área Sp aumentan a 0,18, la fuerza de fricción Ffoil del pistón excéntrico e inclinado con textura cilíndrica (1439 N) aumenta considerablemente en un 54,68%. Como resultado, la textura cilíndrica en condiciones de pistón inclinado y excéntrico tiene grandes efectos sobre la fuerza de fricción Ffoil.

Efecto de la relación de áreas Sp de textura cilíndrica en diferentes condiciones sobre las fuerzas de fricción.

Como resultado, los resultados de este estudio podrían proporcionar una nueva visión para el diseño de amortiguadores hidráulicos y la investigación de la dinámica del sistema del vehículo. Dado que las corrientes arriba y abajo del pistón pueden cambiar con frecuencia debido al movimiento alternativo del pistón, es necesario considerar la ley de conservación del flujo del lubricante, incluida la región de cavitación. La cavitación tiene grandes efectos sobre las características de amortiguación. Las desventajas de estos estudios teóricos también incluyen la falta de cambios en las propiedades termofísicas, principalmente el coeficiente de viscosidad dinámica, a partir de la temperatura, así como la determinación de los cambios de temperatura en las cavidades de trabajo del amortiguador. Sin embargo, es lamentable que sus efectos sean ignorados en esta investigación. Los trabajos futuros deberían comprometerse a desarrollar un modelo detallado que incluya la temperatura del aceite y la cavitación para analizar características de amortiguación más detalladas.

En el presente trabajo, se desarrolló un modelo matemático más detallado para estimar los efectos de la textura del pistón en las características de amortiguación de los amortiguadores, teniendo en cuenta la ligera inclinación y excentricidad del pistón, y la relación de profundidad δ de la textura del pistón y la relación de área Sp de la textura del pistón en Se analizaron en detalle la fuerza de fricción y las características de amortiguación en condiciones de ligera inclinación y excentricidad del pistón. Las conclusiones del trabajo actual se pueden extraer de la siguiente manera:

Basado en los modelos matemáticos de yacimiento y carrera de compresión junto con la ecuación de Reynolds, se desarrolla un nuevo modelo de fuerza de amortiguación. Se desarrollan los modelos matemáticos de textura del pistón, ligera inclinación del pistón, excentricidad del pistón y combinaciones de tres casos por turno.

La textura cilíndrica del pistón tiene grandes efectos sobre la fuerza de fricción en tres condiciones diferentes. La fuerza de fricción del pistón aumenta parabólicamente al aumentar la relación de profundidad δ de la textura del pistón, y la del pistón aumenta linealmente al aumentar la relación de área Sp de la textura del pistón.

La textura cilíndrica del pistón tiene pocos efectos sobre las características de amortiguación en condiciones de parámetros estructurales específicos cuando el pistón funciona normalmente. La textura cilíndrica del pistón tiene grandes efectos sobre las características de amortiguación en condiciones de excentricidad e inclinación del pistón. La fuerza de amortiguación Ff del pistón texturizado cilíndrico inclinado y excéntrico podría aumentar considerablemente bajo ciertos parámetros.

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Los autores desean agradecer el apoyo financiero del Programa de Investigación Científica y Tecnológica de la Comisión de Educación Municipal de Tianjin (2019KJ152) y el Proyecto del Programa de Ciencia y Tecnología de Tianjin (20YDTPJC02020).

Laboratorio estatal clave de motores, Universidad de Tianjin, Tianjin, 300354, China

Yangyang Yu y Junhong Zhang

Tianjin Renai College, Tianjin, 301636, China

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

Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Tianjin, Tianjin, 300354, China

shasha ma

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YY desarrolló los modelos de amortiguadores con texturas y realizó los análisis; SM escribió el artículo; JZ contribuyó con herramientas de análisis; XM desarrolló el modelo básico de amortiguador; DW revisó el artículo.

Correspondencia a Junhong Zhang o Shasha Ma.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Yu, Y., Zhang, J., Meng, X. et al. Efecto de la textura del pistón en condiciones de trabajo de inclinación y excentricidad sobre las características de amortiguación de un amortiguador hidráulico. Informe científico 12, 9807 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13721-0

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Recibido: 01 de noviembre de 2021

Aceptado: 26 de mayo de 2022

Publicado: 13 de junio de 2022

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

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