輪式裝甲車用雙氣室油氣彈簧阻尼特性分析

郝金玉,高志遠(yuǎn),邢永海,侯占威,許 婷,李松梅*

(1.駐大連地區(qū)第一軍事代表室,遼寧 大連 116113;2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

油氣彈簧作為車輛懸架關(guān)鍵的減振裝置,其阻尼特性直接影響到車輛的緩沖和吸振性能,為了提高油氣彈簧的緩沖和吸振性能,阻尼特性的影響因素成為了重點(diǎn)研究對(duì)象。

近年來(lái),各國(guó)學(xué)者對(duì)油氣彈簧做了許多研究。樊冰村等[1]建立了閥系節(jié)流通道的串并聯(lián)模型,研究了閥芯常通孔等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)阻尼力值的影響規(guī)律;王靖岳等[2]結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程建立了油氣彈簧的非線性數(shù)學(xué)模型,考察了活塞運(yùn)動(dòng)摩擦力等因素對(duì)二級(jí)壓力式油氣彈簧的阻尼特性影響;SUN等[3]根據(jù)油氣彈簧的物理結(jié)構(gòu),在建模過(guò)程中應(yīng)用Blasius公式,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了阻尼系數(shù)變化對(duì)車架加速度、懸架撓度的影響;ELS等[4]對(duì)半主動(dòng)油氣彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)并通過(guò)AMESim軟件進(jìn)行仿真,通過(guò)改變阻尼孔和過(guò)流面積等因素發(fā)現(xiàn)阻尼特性發(fā)生了顯著變化;FELEZ等[5]對(duì)連通式油氣懸架建立了非線性數(shù)學(xué)模型,驗(yàn)證了功率鍵合圖法建立數(shù)學(xué)模型的正確性;段福斌等[6]根據(jù)阻尼力的產(chǎn)生機(jī)理建立減振器阻尼力模型,利用蒙特卡洛抽樣法得到阻尼力的分布;幸蘆笙等[7]用Matlab建立整車動(dòng)態(tài)模型以及路面譜數(shù)學(xué)模型,研究油氣式減振器的阻尼參數(shù)對(duì)整車平順性的關(guān)系;莊德軍[8]建立了工程車用油氣彈簧的非線性數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。目前對(duì)于阻尼特性分析還停留在單氣式油氣彈簧,本研究針對(duì)新型雙氣室油氣彈簧的阻尼特性進(jìn)行更深入的研究,考察阻尼孔直徑、激勵(lì)幅值及頻率等因素對(duì)新型雙氣室油氣彈簧的影響,研究提高油氣彈簧承載能力和減振能力的方法。

1 新型雙氣室油氣彈簧數(shù)學(xué)模型的建立

圖1 雙氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of dual-chamber hydro-pneumatic spring

圖2 雙氣室油氣彈簧簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of double-chamber hydro-pneumatic spring

根據(jù)油氣彈簧的工作原理,可知油氣彈簧的阻尼力主要分為3部分:第1部分為阻尼閥系引起的阻尼力[9];第2部分為管道局部壓力損失引起的阻尼力,為油液流速的函數(shù)[10];第3部分為活塞與油氣彈簧缸筒內(nèi)壁的摩擦力,由于潤(rùn)滑良好,通?？珊雎訹11]。

由第1部分引起的阻尼力為

式(1)中:A1為阻尼孔的等效面積,m2;A2為單向閥的等效面積,m2;Cd為流量系數(shù),取Cd＝0.7;p2為B腔室的壓力,Pa;p3為C腔室的壓力,Pa;S3為C腔室環(huán)形面積,m2,活塞上下運(yùn)動(dòng)的速度為,m·s－1;sign()為符號(hào)函數(shù);ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的液密度。

由第2部分引起的阻尼力可表示為

式(2)中:p1為A腔室壓力,Pa;pR為管路壓力,Pa;S1為A腔室液壓面積,m2;A4為右管路截面積,m2;ξ1、ξ2、ξ3、ξ4為壓力損失系數(shù),ξ1＝0.5,ξ2＝1,ξ3＝1,ξ4＝0.5。

總阻尼力為FC＝FC1＋FC2,復(fù)原行程時(shí),＞,壓 縮 行 程 時(shí),代入總阻尼力中表達(dá)式為

對(duì)阻尼力式中的求導(dǎo),可得油氣彈簧的阻尼系數(shù)為

從式(3)中可知,新型油氣彈簧復(fù)原行程和壓縮行程中得到的阻尼力均與活塞運(yùn)動(dòng)速度的平方有關(guān),可知阻尼力和速度之間是非線性關(guān)系。

（2）以家庭為圓心拓展服務(wù)功能，培養(yǎng)了一支專業(yè)素養(yǎng)高、業(yè)務(wù)能力強(qiáng)的婚姻家庭社會(huì)工作人才隊(duì)伍。社工深入社區(qū)家庭，了解婚姻家庭基本情況、服務(wù)需求，并根據(jù)實(shí)際情況開展服務(wù)工作。如針對(duì)困境家庭開展持續(xù)跟蹤指導(dǎo)服務(wù)；針對(duì)家暴受害婦女鏈接?jì)D聯(lián)、司法救助等服務(wù)；針對(duì)自閉癥兒童、精神障礙患者進(jìn)行心理輔導(dǎo)、危機(jī)干預(yù)等措施；為單親媽媽申請(qǐng)低保、救助金，提供志愿服務(wù)等。通過(guò)多項(xiàng)服務(wù)內(nèi)容及措施，為有需求的困境家庭提供便利、解決難題。

2 新型雙氣室油氣彈簧阻尼特性分析

通過(guò)使用MATLAB/Simulink模塊對(duì)前文所述數(shù)學(xué)模型分析并進(jìn)行數(shù)值求解,用8×8輪式裝甲車輛的參數(shù)進(jìn)行綜合分析。

油氣彈簧的阻尼特性是用傳遞到車身的不同激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)能量消耗速度來(lái)表示的[12],對(duì)油氣彈簧施加不同的激勵(lì),分析參數(shù)對(duì)油氣懸架阻尼特性的影響[13]。

取正弦激勵(lì)信號(hào)[14]:

不考慮相應(yīng)速度相位差時(shí)的激勵(lì)信號(hào)表達(dá)式為[15]

本研究所模擬的輪式裝甲車的具體參數(shù)如表1所示,模擬時(shí)選取裝甲車總質(zhì)量的1/8進(jìn)行設(shè)置。雙氣室油氣彈簧阻尼特性曲線如圖3所示,圖3(a)中所包圍的面積表示能量的損耗,上曲線為復(fù)原行程,下曲線為壓縮行程,當(dāng)油氣彈簧處于平衡位置時(shí),復(fù)原阻尼力約為960 N,壓縮阻尼力約為300 N,復(fù)原阻尼力是壓縮阻尼力的3～4倍。從圖3(b)中得到阻尼力與速度為非線性關(guān)系,當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)速度為0.08 m·s－1時(shí),壓縮行程和復(fù)原行程阻尼力分別為200、700 N,兩個(gè)行程的阻尼力都隨著速度的增加而增長(zhǎng),并且復(fù)原行程增長(zhǎng)速率約為壓縮行程的2.5倍。由圖3(c)可知,阻尼系數(shù)與速度呈線性關(guān)系,兩個(gè)行程的阻尼系數(shù)都有隨速度增長(zhǎng)的趨勢(shì),并且復(fù)原行程增長(zhǎng)速率約為壓縮行程的1.5倍,整體呈現(xiàn)對(duì)號(hào)的形狀。

表1 8×8輪式裝甲車具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of 8×8 wheeled armored vehicles

圖3 雙氣室油氣彈簧阻尼特性曲線Fig.3 Damping characteristic curve of double-chamber hydro-pneumatic spring

在電液伺服振動(dòng)臺(tái)設(shè)備上搭建了試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)本研究所設(shè)計(jì)的新型雙氣室油氣彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。油氣彈簧兩個(gè)氣室的初始充氣壓力值設(shè)定為實(shí)際工況下的1/3,輸入信號(hào)的幅值A(chǔ)＝0.028 m,頻率為1.2 Hz。得到的復(fù)原和壓縮行程的阻尼力分別為3 105和860 N,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 阻尼特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析曲線Fig.4 Analysis curve of experimental results of damping characteristics

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,伸張阻尼力大約是壓縮阻尼力的3～4倍,與仿真數(shù)據(jù)基本吻合,驗(yàn)證了理論建模及仿真分析的正確性。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)阻尼特性的影響分析

通過(guò)MATLAB/Simulink模塊對(duì)雙氣室油氣彈簧數(shù)學(xué)模型在不同影響因素下的阻尼特性進(jìn)行求解,得到各個(gè)影響因素對(duì)阻尼特性的影響趨勢(shì)。

3.1 阻尼孔直徑

圖5為改變阻尼孔直徑對(duì)阻尼力的影響趨勢(shì),阻尼孔直徑由9 mm增至13 mm,其有效過(guò)流面積由63.6 mm2增至132.7 mm2,伸張行程的最大值從1 158 N降低到842 N,壓縮行程變化很小。由圖5(b)和圖5(c)得到增大阻尼孔直徑均使曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩,對(duì)復(fù)原行程的影響更加顯著,并且減緩程度逐漸降低。

圖5 改變阻尼孔直徑對(duì)阻尼特性的影響Fig.5 Effect of changing the diameter of the orifice on the damping characteristics

3.2 缸筒內(nèi)徑

如圖6(a)所示,改變缸筒內(nèi)徑使得復(fù)原行程阻尼力的最大值從582 N增加到1 448 N,壓縮行程阻尼力的最大值從205 N增加到486 N,缸筒內(nèi)徑的增大導(dǎo)致示功圖面積增加。由圖6的(b)、(c)可知,阻尼力特性曲線和阻尼系數(shù)特性曲線的增長(zhǎng)速率都有不同程度的增加。在活塞運(yùn)動(dòng)0.08 m·s－1速度下的復(fù)原阻尼力和壓縮阻尼力分別從450.2 N增加到1 100 N,從150.8 N增加到372.6 N,復(fù)原行程增長(zhǎng)幅度約為壓縮行程的6倍。阻尼系數(shù)在0.08 m·s－1速度下分別增長(zhǎng)了1.5和0.45,從結(jié)果可以看出,缸筒內(nèi)徑對(duì)阻尼特性曲線影響最大,對(duì)復(fù)原行程影響顯著。

圖6 改變缸筒內(nèi)徑對(duì)阻尼特性的影響Fig.6 Effect of changing the inner diameter of the cylinder on the damping characteristics

3.3 單向閥有效過(guò)流面積

從圖7(a)中可以看出,改變單向閥的有效過(guò)流面積使得壓縮行程阻尼力的最大值從380.5 N減小到289.3 N,由于復(fù)原行程單向閥關(guān)閉,復(fù)原行程沒有變化。從圖7(b)、(c)可以看出,壓縮行程的阻尼力和阻尼系數(shù)的增長(zhǎng)速率也有減小的趨勢(shì),在壓縮行程0.08 m·s－1的速度下,阻尼力從285.1 N減小到202.1 N,阻尼系數(shù)從0.65減小到0.5,阻尼系數(shù)特性曲線開口逐漸變大,但是單向閥有效過(guò)流面 積的影響也在逐漸減小。

圖7 改變單向閥有效過(guò)流面積對(duì)阻尼特性的影響Fig.7 Effect of changing the effective flow area of the one-way valve on the damping characteristics

3.4 環(huán)形腔面積

圖8為改變環(huán)形腔面積對(duì)阻尼特性曲線的影響趨勢(shì)。

如圖8(a)所示,改變環(huán)形腔面積使得阻尼力復(fù)原行程最大值從908.3 N增大到1 203.1 N,增長(zhǎng)幅度較大,壓縮行程增長(zhǎng)不明顯,約為復(fù)原行程增幅的1/5。從圖8(b)、(c)中可以看出,阻尼力和阻尼系數(shù)均有增大的趨勢(shì),并且增大速率不斷變大。從整體來(lái)看,環(huán)形腔面積對(duì)油氣彈簧的復(fù)原行程影響顯著,對(duì)壓縮行程影響較小。

圖8 改變環(huán)形腔面積對(duì)阻尼特性的影響Fig.8 Effect of changing the area of the annular cavity on the damping characteristics

3.5 阻尼孔個(gè)數(shù)

增加的阻尼孔個(gè)數(shù)對(duì)油氣彈簧阻尼特性的影響較小,如圖9(a)所示,阻尼孔從1個(gè)增加到3個(gè),復(fù)原行程的阻尼力從969.2 N減小到873.6 N,壓縮行程變化不大。從圖9(b)、(c)可以看出,油氣彈簧兩個(gè)行程的阻尼力均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),在復(fù)原行程0.08 m·s－1速 度 下,阻 尼 力 從700.3 N減 小 到612.4 N,阻尼系數(shù)從1.75降低至1.6,相同速度下阻尼力的降低幅度不大,壓縮行程減小幅度約為復(fù)原行程的1/3。

圖9 改變阻尼孔個(gè)數(shù)對(duì)阻尼特性的影響Fig.9 Effect of changing the number of orifices on the damping characteristics

4 結(jié) 論

1)運(yùn)用矢量學(xué)方法對(duì)設(shè)計(jì)的輪式裝甲車用雙氣室油氣彈簧阻尼特性建立數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用達(dá)朗伯原理建立阻尼特性的非線性理論方程并進(jìn)行數(shù)值求解,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)阻尼力均隨著速度的增大而增大,并且速率逐漸增加;阻尼系數(shù)與速度之間存在線性關(guān)系,整體呈現(xiàn)對(duì)號(hào)的形狀。

2)通過(guò)控制變量法考察結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該油氣彈簧阻尼特性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著阻尼孔直徑、阻尼孔個(gè)數(shù)的增多均會(huì)使油氣彈簧系統(tǒng)阻尼力減小;而缸筒內(nèi)徑、環(huán)形腔面積的增大均能使油氣彈簧系統(tǒng)阻尼力增大;增大單向閥的有效流量只會(huì)使壓縮行程的阻尼力減小,伸張行程不會(huì)受到影響。