單氣室油氣懸架氣穴現(xiàn)象研究

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引言

油氣懸架集彈性元件和阻尼元件于一體，具有車輛所需的理想非線性特性，特別是單氣室油氣彈簧，具有體積小、重量低、便于安裝布置等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)應(yīng)用到多種型號(hào)的特種車和工程車輛上。

單氣室油氣彈簧使用過程中經(jīng)常會(huì)遇見油液氣泡化的問題，這是由于工作油液中都會(huì)溶解一定量的空氣。當(dāng)活塞相對(duì)于缸筒的運(yùn)動(dòng)速度的不斷增大時(shí)，由于阻尼孔的作用，油液流入油缸腔的壓力會(huì)逐漸減小，當(dāng)壓力降到油液飽和蒸汽壓以下時(shí)，油液會(huì)迅速氣化形成氣穴。油液產(chǎn)生氣穴的危害非常大，如果氣泡或氣穴破裂，會(huì)產(chǎn)生較大的壓力沖擊，使懸架缸內(nèi)產(chǎn)生噪聲，影響阻尼力，降低整車的平順性，還會(huì)破壞缸內(nèi)元件，縮短油氣懸架的使用壽命。因此對(duì)油氣懸架氣穴產(chǎn)生的原因及其影響因素進(jìn)行分析有著重要的意義。以阻尼孔為薄壁孔的單氣室油氣懸架為研究對(duì)象，對(duì)其產(chǎn)生氣穴的機(jī)理進(jìn)行了研究。

1　單氣室油氣懸架氣穴分析

液壓阻尼是由流阻上產(chǎn)生壓力損失引起的，這個(gè)壓力降作用在油缸的活塞上，就會(huì)產(chǎn)生一定的阻尼力。阻尼力主要取決于懸掛油缸在壓縮和伸張時(shí)的速度，同樣，流阻上的壓力降主要取決于流經(jīng)阻尼孔時(shí)油液的速度。

圖1a所示，油缸處于壓縮行程，油液從液壓缸通過阻尼孔流向蓄能器， 此時(shí)阻尼孔的壓差為：

Δp=p1-p2

(1)

式中：p1為油缸內(nèi)壓力；p2為蓄能器充氣壓力。

所以p1>p2，而p2>>pKav，pKav為油液飽和蒸汽壓，所以油缸內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生氣穴。

圖1b所示，油缸處于伸張行程， 油液從蓄能器通過阻尼孔流向液壓缸， 此時(shí)阻尼孔的壓差為：

圖1　懸架油缸工作過程

Δp=p2-p1

(2)

為了避免氣穴產(chǎn)生， 懸掛油缸內(nèi)壓力應(yīng)該大于油液飽蒸汽壓：p1>pKav，因此，Δp

(3)

式中：ρ為油液密度；Cd為流量系數(shù)；Ad為阻尼孔過流面積，用下式計(jì)算：

(4)

式中：dB為阻尼孔直徑。

伸張時(shí)懸掛油缸內(nèi)流量為：

Q=Av

(5)

式中：v為活塞運(yùn)動(dòng)速度；A為懸掛缸活塞面積，用下式計(jì)算：

(6)

式中：D為活塞直徑。

綜合上述可得，油缸內(nèi)不產(chǎn)生氣穴，則活塞的極限速度為：

(7)

對(duì)公式(7)進(jìn)行分析可知，極限速度與阻尼孔直徑的平方和蓄能器充氣壓力的開平方成正比，與活塞直徑的平方成反比。如果懸掛油缸伸張時(shí)的速度超過了極限速度，那么油缸內(nèi)的壓力就會(huì)低于油液飽和蒸汽壓，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，影響氣穴產(chǎn)生的因素如表1所示。

2　單氣室油氣懸架仿真模型建立

根據(jù)圖1所示油氣懸掛結(jié)構(gòu)圖，利用仿真軟件建立如圖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、輪胎剛度和阻尼及輸入信號(hào)。

表1　不同參數(shù)對(duì)氣穴產(chǎn)生幾率的影響

圖2　油氣懸架仿真模型

模型建立的主要參數(shù)如表2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。通過上述分析可知，懸掛油缸中氣穴產(chǎn)生與懸架缸內(nèi)的壓力有直接的關(guān)系，所以分析懸架缸內(nèi)的壓力變化過程，就能得知不同參數(shù)對(duì)產(chǎn)生氣穴的影響。

表2　油氣懸架主要參數(shù)

3　懸掛參數(shù)對(duì)氣穴產(chǎn)生的影響

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，得到懸掛缸內(nèi)壓力特性。改變阻尼孔直徑，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，阻尼孔1 mm時(shí)，懸掛油缸在伸張過程中產(chǎn)生了負(fù)壓，此時(shí)就產(chǎn)生了氣穴現(xiàn)象，而且壓力振蕩的厲害，持續(xù)時(shí)間也長(zhǎng)，隨著阻尼孔增大，懸掛缸內(nèi)的壓力都大于油液的空氣分離壓，而且油缸內(nèi)的壓力振動(dòng)幅度減小，振動(dòng)很快趨于平穩(wěn)。

圖3　不同阻尼孔直徑時(shí)油缸內(nèi)壓力

改變蓄能器充氣壓力，懸架油缸內(nèi)的壓力如圖4所示。從圖4分析比較可知，蓄能器的充氣壓力1 MPa 時(shí)，懸架油缸在伸張過程中產(chǎn)生了負(fù)壓，此時(shí)懸架油缸內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，而且壓力振蕩的厲害，持續(xù)時(shí)間也長(zhǎng)，隨著充氣壓力增大，懸掛缸內(nèi)的壓力都大于油液的飽和蒸汽壓，油缸內(nèi)的壓力振動(dòng)幅度減小，振蕩次數(shù)也減少。

圖4　蓄能器不同充氣壓力時(shí)油缸內(nèi)壓力

改變懸掛油缸活塞直徑，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同活塞直徑時(shí)油缸內(nèi)壓力

由圖5可知，活塞直徑80 mm時(shí)， 懸架油缸在伸張過程中產(chǎn)生了負(fù)壓，此時(shí)懸架油缸內(nèi)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，而且壓力振蕩的厲害，持續(xù)時(shí)間也長(zhǎng)，隨著活塞直徑減小，懸掛缸內(nèi)的壓力都大于油液的空氣分離壓，而且油缸內(nèi)的壓力振動(dòng)幅度減小，很快能趨于平緩，隨著活塞直徑的減小，油缸內(nèi)的穩(wěn)定壓力會(huì)增大。

4　結(jié)論

以單作用懸架油缸為研究對(duì)象，對(duì)其氣穴產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了如下研究：

(1) 單氣室單作用懸架油缸在伸張行程產(chǎn)生氣穴，壓縮行程不會(huì)產(chǎn)生；

(2) 對(duì)單作用懸架油缸氣穴產(chǎn)生進(jìn)行了理論分析，建立了其數(shù)學(xué)模型，通過分析得出阻尼孔的大小，蓄能器的初始充氣壓力和活塞直徑對(duì)氣穴的產(chǎn)生有重要的影響；

(3) 建立了單作用懸架缸的仿真模型，通過改變阻尼孔直徑，蓄能器充氣壓力大小和活塞直徑，分析了改變各參數(shù)對(duì)氣穴產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，仿真與理論分析一致。因此，通過改變油氣懸掛系統(tǒng)的參數(shù)，就可以預(yù)測(cè)懸架油缸內(nèi)氣穴產(chǎn)生的幾率，為優(yōu)化單氣室油氣懸掛系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

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