李閣強(qiáng)， 崔國(guó)慶， 毛 波， 馮 勇

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.山東萬(wàn)通液壓股份有限公司，山東日照 262313)

引言

近年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)發(fā)展較快，特種工程車(chē)輛發(fā)展迅猛。隨著人們對(duì)車(chē)輛駕駛時(shí)的舒適性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，車(chē)輛懸架種類(lèi)也越來(lái)越多，其中油氣懸架在工程車(chē)輛中應(yīng)用廣泛。目前一些高端的家用汽車(chē)也開(kāi)始采用油氣懸架來(lái)保證車(chē)輛操作穩(wěn)定性、 行駛平順性[1-2]。最早應(yīng)用油氣懸架的車(chē)輛出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，隨后針對(duì)油氣懸架進(jìn)行了大量的工程分析。國(guó)內(nèi)的企業(yè)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始引進(jìn)使用油氣懸架的車(chē)輛，隨后出現(xiàn)了油氣懸架研究的熱潮[3]。

因油氣懸架的阻尼特性和剛度特性是決定其減振效果和緩沖性能的主要因素，國(guó)內(nèi)研究集中在阻尼和剛度的非線性特性建模及仿真上。油氣懸架的建模主要考慮油氣懸架機(jī)械結(jié)構(gòu)、活塞和缸筒的摩擦力、充氣壓力等，對(duì)工作環(huán)境的考慮較少[4-6]。油氣懸架的傳力介質(zhì)和彈性介質(zhì)分別為液壓油液和壓縮氣體。正常工作時(shí)，油氣懸架消耗掉的能量主要轉(zhuǎn)化為熱能，使自身工作溫度升高，而油液和氣體的物理性質(zhì)對(duì)溫度變化相對(duì)敏感，所以影響油氣懸架剛度的因素還應(yīng)包括工作環(huán)境溫度的變化[7-8]。

為了研究溫度升高對(duì)油氣懸架剛度特性的影響，完善油氣懸架的數(shù)學(xué)模型，以某公司生產(chǎn)的單氣室油氣懸架為對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，考慮各影響因素，建立油氣懸架的數(shù)學(xué)模型，在Simulink中進(jìn)行仿真分析，然后進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性，并分析溫升對(duì)油氣懸架剛度的影響，為油氣懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。

1.蓄能器 2.阻尼孔 3.A腔 4.B腔5.單向閥 6.活塞桿 7.缸筒圖1 單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)

1 單氣室油氣懸架工作原理

單氣室油氣懸架是由蓄能器、活塞桿、缸筒、阻尼孔、單向閥以及液壓油液構(gòu)成的復(fù)雜裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由活塞桿和缸筒組合形成A腔和B腔。A腔通過(guò)管路和蓄能器連接，通過(guò)單向閥和阻尼孔與B腔相通。車(chē)輛正常行駛時(shí)，由于受到起伏路面的激勵(lì)，活塞桿相對(duì)于缸筒反復(fù)做拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞桿相對(duì)缸筒伸出時(shí)，B腔體積減小，壓力升高，A腔體積增大，壓力減小，B腔中液壓油受壓通過(guò)阻尼孔進(jìn)入A腔，蓄能器中的油液也進(jìn)入A腔；當(dāng)活塞桿相對(duì)缸筒壓縮時(shí)，A腔體積減小，壓力升高，B腔體積增大，壓力減小，此時(shí)A腔內(nèi)的液壓油一方面通過(guò)阻尼孔和單向閥進(jìn)入B腔，另一方面壓入蓄能器[9-10]。在活塞桿相對(duì)缸筒壓縮和拉伸的過(guò)程中，蓄能器中氣室壓力也隨之變化，從而緩沖來(lái)自不平整路面的激勵(lì)，另外油液流經(jīng)單向閥和阻尼孔時(shí)產(chǎn)生節(jié)流阻尼，從而衰減因路面激勵(lì)使車(chē)輛產(chǎn)生的振動(dòng)。

2 單氣室油氣懸架數(shù)學(xué)模型

根據(jù)油氣懸架工作原理，將其簡(jiǎn)化為等效物理系統(tǒng)，如圖2所示，液壓缸無(wú)桿腔即為油氣懸架的A腔，有桿腔為油氣懸架的B腔。

圖2 油氣懸架物理模型圖

活塞桿受到激勵(lì)為F，因激勵(lì)產(chǎn)生相對(duì)缸筒的位移為x，A腔的有效作用面積和壓力分別為A1，pA；B腔的有效作用面積和壓力分別為A2，pB?？紤]影響油氣懸架剛度特性的因素較多，為方便數(shù)學(xué)模型的建立，在實(shí)際情況允許的情況下忽略油液的可壓縮性[11-12]。

因缸筒支撐著車(chē)身，故假設(shè)缸筒不動(dòng)，活塞桿在外界激勵(lì)力F、A腔的壓力pAA1、B腔的壓力pBA2、摩擦阻力Ff共同作用下，相對(duì)于缸筒做伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可得力平衡方程：

F+pBA2=pAA1+sgn(v)Ff+ma

(1)

式中，v—— 活塞桿的相對(duì)速度

m—— 活塞桿的質(zhì)量

a—— 活塞桿的加速度

活塞桿受到的摩擦阻力大小為：

Ff=μπΔp(dhbh+dgbg)

(2)

式中，dh—— 活塞桿密封圈的直徑

bh—— 活塞桿密封圈的寬度

bg—— 缸筒密封圈的寬度

dg—— 缸筒密封圈的直徑

μ—— 摩擦系數(shù)

Δp—— A腔和B腔的壓力差，Δp=pA-pB

令S=dhbh+dgbg，則S為摩擦副接觸的總面積，將式(2)寫(xiě)為：

Ff=μπΔpS

(3)

考慮單向閥和阻尼孔都是薄壁小孔，對(duì)溫度變化不敏感，所以根據(jù)節(jié)流原理，Δp又可以用流量特性來(lái)描述為：

(4)

式中，Q—— 通過(guò)單向閥和阻尼孔的節(jié)流流量

AZ—— 阻尼孔的過(guò)流面積

CZ—— 阻尼孔的流量系數(shù)

AD—— 單向閥的過(guò)流面積

CD—— 單向閥的流量系數(shù)

ρ—— 液壓油液的密度

(5)

根據(jù)B腔體積變化規(guī)律，節(jié)流流量Q還可以表示為:

Q=A2v

(6)

忽略A腔與蓄能器氣室之間壓力傳遞的延遲，則A腔和氣室內(nèi)的壓力相同[13]?？紤]油氣懸架正常工作時(shí)振動(dòng)能量主要消耗轉(zhuǎn)化為熱能，使油氣懸架自身的溫度升高，根據(jù)熱力學(xué)中氣體狀態(tài)方程可以得到，蓄能器氣室中氣體的變化規(guī)律為：

(7)

式中，p0—— 蓄能器氣室的初始?jí)簭?qiáng)

V0—— 蓄能器氣室的初始體積

T0—— 蓄能器氣室的初始溫度

V1—— 氣室瞬時(shí)體積

T1—— 氣室瞬時(shí)溫度

考慮液壓油液不可壓縮，則A腔、B腔和氣室內(nèi)的體積變化描述為：

V1=V0-(A1-A2)x

(8)

聯(lián)立式(1)～式(8)求得路面激勵(lì)F和活塞桿相對(duì)位移x的關(guān)系：

(9)

3 油氣懸架仿真和試驗(yàn)

3.1 油氣懸架仿真

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，在Simulink中建立仿真模型，如圖3所示。在仿真時(shí)主要考慮溫度變化，采用正弦輸入信號(hào)，油氣懸架的具體參數(shù),如表1所示。

3.2 試驗(yàn)

參照減震器性能試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以正弦激勵(lì)為油氣懸架的輸入。油氣懸架初始平衡狀態(tài)中心位置為710 mm?；钊麠U相對(duì)位移由試驗(yàn)臺(tái)架伺服作動(dòng)器的位移傳感器檢測(cè)，油氣懸架受到的輸入力由安裝在伺服作動(dòng)器和活塞桿之間的拉壓力傳感器檢測(cè)，從而得到位移特性曲線，研究溫度升高對(duì)油氣懸架剛度特性的影響。

圖3 Simulink仿真模型

表1 油氣懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3.3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在15，37，60 ℃時(shí)輸入振幅為28 mm，頻率為1.5 Hz的正弦信號(hào)，基于建立的Simulink模型進(jìn)行仿真，并對(duì)油氣懸架進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，得到如圖4～圖6所示的位移特性仿真和試驗(yàn)曲線。

圖4 15 ℃時(shí)試驗(yàn)和仿真位移特性曲線對(duì)比

圖5 37 ℃時(shí)試驗(yàn)和仿真位移特性曲線對(duì)比

由圖4～圖6可以看出，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差較小。此外，隨著活塞桿相對(duì)位移x增加，油氣懸架需要的外界激勵(lì)力F越來(lái)越大,呈現(xiàn)出非線性特性。當(dāng)油氣懸架工作溫度增加后，仿真結(jié)果的誤差增加，說(shuō)明還應(yīng)該考慮隨油氣懸架溫度升高，液壓油液黏度降低等因素。

圖6 60 ℃時(shí)試驗(yàn)和仿真位移特性曲線對(duì)比

處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到油氣彈簧不同工作溫度下隨位移改變的剛度變化趨勢(shì)，如圖7所示。隨著溫度增加，油氣彈簧的剛度也在增加，當(dāng)溫度在60 ℃時(shí)，其剛度隨相對(duì)位移增加變化較快。從數(shù)學(xué)模型看，溫度變化主要是影響蓄能器中氮?dú)?，隨溫度升高，氣體分子間距增加，氣室內(nèi)壓強(qiáng)增加，剛度也更大。

圖7 不同溫度下油氣懸架的剛度特性曲線

3 結(jié)論

(1) 考慮油氣懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)、密封摩擦、溫升等因素，所建立的油氣懸架非線性數(shù)學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確的描述該型號(hào)油氣懸架剛度特性；

(2) 隨著活塞桿和缸筒之間的位移變化，油氣懸架的剛度呈現(xiàn)出高度的非線性特性，試件油氣懸架的最大剛度可達(dá)3.89×109N/m；

(3) 通過(guò)試驗(yàn)研究，油氣懸架的剛度特性受到溫度變化的影響較大，隨著工作溫度升高，油氣懸架的剛度明顯升高，當(dāng)溫度由15 ℃升高到60 ℃后，最大剛度提升了約30%；

(4) 隨溫度升高，油氣懸架剛度增加的主要原因是蓄能器氣室中氣體狀態(tài)發(fā)生改變。