單作用油氣懸架缸壓力特性的仿真研究

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院， 山西 太原　030006)

引言

車輛的懸架是傳遞車輪與車架之間的力和力矩，緩沖行駛過程中由路面不平引起并傳遞給車身的沖擊力，衰減由此引起的振動(dòng)，保證車輛行駛平順性、乘坐舒適性、橫向穩(wěn)定性并減少動(dòng)載荷引起零部件損壞。

油氣懸架是以惰性氣體(通常為氮?dú)?為懸架的彈性元件，利用油液的流動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)減振，同時(shí)利用油液的不可壓縮性實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。因此，油氣懸架的剛度特性接近理想的懸架剛度特性曲線，而且能方便地實(shí)現(xiàn)車身姿態(tài)等的控制。而懸架缸作為油氣懸架最重要的部件，決定著整個(gè)油氣懸架的主要性能。特別是在比較惡劣的道路上，路面起伏不平，作用于車輪上的垂直反力具有較強(qiáng)的沖擊性，造成懸架缸內(nèi)的壓力劇烈變化，對(duì)于懸架缸和懸架液壓系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力沖擊。因此研究懸架缸內(nèi)的壓力特性有著重要的意義。

1　單作用油缸油氣懸架的結(jié)構(gòu)

單作用油缸油氣懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，應(yīng)用也比較廣泛。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，懸掛油缸5的缸筒固定在車架1上，活塞桿固定在車輪6處。懸掛缸活塞腔通過阻尼孔4和單向閥2與蓄能器3相通，活塞桿腔直接通大氣。車輪受到路面隨機(jī)激勵(lì)，使得懸架油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。壓縮時(shí)， 活塞腔內(nèi)油液通過阻尼孔和單向閥進(jìn)入蓄能器，蓄能器內(nèi)氣體產(chǎn)生彈性變形；復(fù)原時(shí)，蓄能器內(nèi)的油液通過阻尼孔向活塞腔流動(dòng)，活塞受到阻尼力的作用，抑制活塞的伸出。

圖1　油氣懸架結(jié)構(gòu)

2　懸掛油缸壓力的數(shù)學(xué)模型

建立懸掛油缸壓力的數(shù)學(xué)模型時(shí)做以下假設(shè)：

(1) 油液的體積彈性模量為常數(shù)；

(2) 忽略系統(tǒng)內(nèi)的油液泄漏；

(3) 不考慮油液的慣性；

(4) 不計(jì)活塞和缸筒之間的摩擦；

(5) 油液不可壓縮。

當(dāng)壓力和溫度的變化范圍比較大時(shí)，應(yīng)該考慮應(yīng)用實(shí)際氣體狀態(tài)方程來建立蓄能器的數(shù)學(xué)模型。表示實(shí)際氣體的狀態(tài)方程有很多，如范德瓦爾斯的二常數(shù)半經(jīng)驗(yàn)方程、BWR多常數(shù)半經(jīng)驗(yàn)方程、貝蒂-布里奇曼方程和馬丁-侯方程等。上述方程在實(shí)際應(yīng)用過程中差距不大，所以選用參數(shù)較少的貝蒂-布里奇曼方程建模。

蓄能器內(nèi)的氣體狀態(tài)方程：

(1)

式中：A0、B0、a、b、c是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；TE為蓄能器E腔中氣體絕對(duì)溫度。

蓄能器E腔中氣體的體積由下式確定：

VE=VE0-ΔVE

(2)

式中：VE0為蓄能器E腔初始充氣體積；ΔVE為蓄能器E腔中氣體的變化量。

活塞相對(duì)于缸筒運(yùn)動(dòng)，使A腔體積變化，A腔與蓄能器E相通，使E腔中氣體體積變化，根據(jù)流體的連續(xù)性可以確定E腔中氣體體積與活塞位移x之間的關(guān)系，即：

ΔVE=A1x

(3)

式中：A1為活塞面積；x為活塞相對(duì)于缸筒的位移。

設(shè)蓄能器和活塞腔之間的壓差為Δp，根據(jù)小孔節(jié)流理論，流經(jīng)阻尼孔和單向閥的流量為：

活塞腔的壓力為：

(5)

式(1)～(5)即為單氣室懸掛油缸壓力的數(shù)學(xué)模型。

3　油氣懸架模型的建立及仿真

根據(jù)圖1所示油氣懸掛結(jié)構(gòu)圖，建立如圖2的仿真模型。模型中主要包括懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量、懸掛油缸、蓄能器、阻尼孔、單向閥、輪胎剛度和阻尼及輸入信號(hào)。

圖2　油氣懸架模型

模型建立的主要參數(shù)如表1所示。路面輸入使懸掛油缸先進(jìn)入壓縮行程，再進(jìn)入復(fù)原行程。

表1　油氣懸架主要參數(shù)

仿真時(shí)，通過改變其中一個(gè)參數(shù)，保持其他參數(shù)不變，就可以得到各參數(shù)對(duì)單作用懸掛缸壓力的影響。

改變蓄能器的初始充氣體積，單作用懸掛缸內(nèi)的壓力情況如圖3所示。

圖3　蓄能器不同充氣體積時(shí)懸掛缸壓力

由圖3可知，蓄能器不同初始充氣體積，懸掛缸內(nèi)的最大沖擊壓力基本一樣。沖擊結(jié)束后，懸掛缸內(nèi)壓力波動(dòng)減小，隨著蓄能器充氣體積增大，缸內(nèi)壓力波動(dòng)的幅值減小。

圖4是蓄能器初始充氣壓力分別為1 MPa、3 MPa、 5 MPa時(shí)懸掛缸內(nèi)的壓力。

圖4　蓄能器不同充氣壓力時(shí)懸掛缸壓力

由圖4比較分析可知，蓄能器充氣壓力增大，懸掛缸內(nèi)的最大沖擊壓力基本一樣。在沖擊結(jié)束后，充氣壓力低，懸掛缸內(nèi)的壓力波動(dòng)大，隨著充氣壓力升高，缸內(nèi)壓力的波動(dòng)幅度減小，基本上在相同的時(shí)間內(nèi)缸內(nèi)壓力達(dá)到穩(wěn)定。

圖5是改變阻尼孔的孔徑，懸掛缸內(nèi)的壓力特性。

圖5　不同阻尼孔孔徑時(shí)懸掛缸內(nèi)的壓力

從圖5中比較分析可知，阻尼孔孔徑小，懸掛缸內(nèi)的壓力沖擊大，而且沖擊結(jié)束后，缸內(nèi)的壓力波動(dòng)幅度大，需要穩(wěn)定的時(shí)間也長(zhǎng)；隨著阻尼孔增大，懸掛缸內(nèi)的壓力沖擊減小，而且缸內(nèi)的壓力波動(dòng)幅度減小，而且很快趨于平穩(wěn)。

改變路面輸入的頻率，懸掛缸內(nèi)的壓力如圖6所示。

由圖6可知，頻率低時(shí)，懸掛缸內(nèi)的的壓力沖擊小，而且沖擊結(jié)束后，缸內(nèi)的壓力波動(dòng)幅度小，壓力很快趨于平穩(wěn)。頻率增大，懸架缸內(nèi)的壓力沖擊變大，而且壓力波動(dòng)幅度增大，壓力平穩(wěn)時(shí)間增加。頻率超過一定值時(shí)，在復(fù)原過程中，懸掛缸內(nèi)壓力急劇下降，甚至出現(xiàn)負(fù)壓。

圖6　不同輸入頻率時(shí)懸掛缸內(nèi)壓力

圖7是改變輸入的幅值，懸掛缸內(nèi)的壓力變化情況。

圖7　不同輸入幅值時(shí)懸掛缸內(nèi)壓力

從圖7中分析比較可知，路面輸入的幅值較小時(shí)，懸掛缸內(nèi)的壓力沖擊較小，而且缸內(nèi)壓力很快平穩(wěn)，輸入幅值增大，懸掛缸內(nèi)的壓力沖擊增大，而且壓力波動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)。路面的輸入大于一定的幅度時(shí)，在復(fù)原過程中，懸掛缸內(nèi)壓力急劇下降，甚至出現(xiàn)負(fù)壓。

由圖6和圖7可知，輸入的速度和幅值超過一定的值時(shí)，懸掛缸在復(fù)原行程中速度變快，缸內(nèi)的體積迅速增大，而蓄能器內(nèi)的油液只能通過阻尼孔向缸內(nèi)流動(dòng)，由于阻尼作用，油液不能快速補(bǔ)充進(jìn)油缸內(nèi)，造成油缸產(chǎn)生負(fù)壓。如果產(chǎn)生負(fù)壓，容易使外部空氣越過油缸的密封圈進(jìn)入到懸掛缸的活塞腔中，進(jìn)而進(jìn)入封閉的懸掛液壓系統(tǒng)中，使懸掛的工作特性不穩(wěn)定，導(dǎo)致懸架缸的損壞以及整車的故障。所以，應(yīng)用單作用油缸的油氣懸掛車輛，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該合理地匹配其阻尼孔的尺寸，而且在實(shí)際行駛過程中，應(yīng)該避免車輪處較大的沖擊，以減少懸架的損壞。

4　結(jié)論

以單作用懸掛油缸為研究對(duì)象，對(duì)其缸內(nèi)的壓力變化過程進(jìn)行了理論分析，并利用仿真軟件進(jìn)行了建模分析。結(jié)果表明，阻尼孔孔徑、路面的激勵(lì)速度和幅值對(duì)懸掛缸內(nèi)的壓力變化有重要的影響，特別是需要避免缸內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓情況。通過仿真研究， 對(duì)于單作用

懸掛油缸的壓力瞬變過程提供了可靠的理論依據(jù)，并且對(duì)于單作用油缸的油氣懸掛的實(shí)際應(yīng)用提供了很好的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)維,魯?shù)掳l(fā).新型油氣懸掛總成的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2011,(9):57-58.

[2]田文朋,王鑫濤,吳明英,等.登高平臺(tái)消防車油氣懸架系統(tǒng)匹配及建模[J].液壓與氣動(dòng),2013,(7):36-39.

[3]趙登峰，王國(guó)強(qiáng)，周德成，等.自卸車油氣懸掛數(shù)學(xué)模型仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34(6)：40-43.

[4]關(guān)晉凱，郭劍鋒，翟海濤.基于AMESim的油氣懸掛缸仿真分析[J].流體傳動(dòng)與控制，2013，(2)：26-29.

[5]甄龍信，張文明.單氣室油氣懸架的仿真與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(5)：290-294.