張俊停，張 昊

（1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南鄭州 450000；2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210000）

1 引言

油氣式懸架既作為彈性和阻尼元件，又與車架下方的U 型梁結(jié)構(gòu)共同起到導(dǎo)向的作用。油氣懸架利用內(nèi)部油液通過(guò)阻尼孔和單向閥時(shí)產(chǎn)生阻尼力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沖擊振動(dòng)的衰減，并實(shí)現(xiàn)緩沖作用，保護(hù)車輛安全，并延長(zhǎng)使用壽命［1］。對(duì)油氣懸掛進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的是，系統(tǒng)具有良好的剛度和阻尼特性，而這是直接影響機(jī)構(gòu)輸出特性的重要參數(shù)。因此，通過(guò)輸出特性的分析，進(jìn)而研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)懸掛剛度和阻尼特性的影響規(guī)律，為實(shí)際車輛懸掛設(shè)計(jì)具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)［2］分析阻尼孔直徑變化對(duì)油氣懸掛運(yùn)動(dòng)特性的影響，獲取阻尼孔直徑與運(yùn)動(dòng)速度之間的非線性關(guān)系應(yīng)用于設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［3］針對(duì)油液和惰性氣體之間的溶解性關(guān)系進(jìn)行分析，獲取溶解特性對(duì)輸出力特性的影響規(guī)律；文獻(xiàn)［4］針對(duì)不同的充液體積對(duì)油氣懸掛的輸出特性影響進(jìn)行分析，獲取最佳的充液體積；文獻(xiàn)［5］采用三維動(dòng)力模型，分析活塞桿不同朝向時(shí)，對(duì)油氣懸掛輸出特性的影響；文獻(xiàn)［6］采用數(shù)學(xué)分析方法，分析非線性因素對(duì)輸出特性的影響，以獲取更優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)油氣懸掛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，獲取不同工況的輸出力；在此基礎(chǔ)上對(duì)非線性剛度和阻尼特性進(jìn)行分析，并分別獲取理論模型；根據(jù)理論模型和實(shí)際1/4 車輛油氣懸掛特點(diǎn)，基于Simulink建立數(shù)學(xué)仿真模型，分析懸掛缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)變化對(duì)其輸出特性，尤其是剛度特性和阻尼特性所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。利用油氣懸掛液壓試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)仿真分析的輸出特性進(jìn)行驗(yàn)證分析，獲取關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和結(jié)果的可靠性。

2 油氣懸掛輸出特性分析

2.1 輸出力特性

單氣室油氣懸掛結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural Diagram of Hydro Pneumatic Suspension

單氣室油氣懸掛主要由缸筒、活塞桿和活塞組件組成，整個(gè)懸架缸內(nèi)形成兩個(gè)腔，即Ⅰ腔和Ⅱ腔，活塞桿壁上設(shè)有阻尼孔和單向閥，當(dāng)把懸架缸安裝到車輛上后，向Ⅰ腔和Ⅱ腔充滿油液，向Ⅰ腔的上部充入惰性氣體［7］。通過(guò)油液在兩腔內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生阻尼，進(jìn)而衰減震動(dòng)。

當(dāng)懸掛缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，單氣室油氣懸掛缸內(nèi)氣體的壓力只與簧載質(zhì)量有關(guān)，并且在懸架的伸張行程，主要靠阻尼孔的阻尼作用來(lái)衰減振動(dòng)，當(dāng)伸張行程中阻尼孔產(chǎn)生的阻尼力不夠且行程又較大時(shí)，會(huì)造成活塞和懸掛缸筒端部相互撞擊［8］。

懸掛缸輸出的彈性力是關(guān)于活塞桿和缸筒相對(duì)位移的函數(shù)［9］，可以寫作：

Fl—拉伸狀態(tài)輸出力；

Fk—彈性力；

FZy—壓縮狀態(tài)阻尼力；

FZl—拉伸狀態(tài)阻尼力。

2.2 剛度特性

處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，懸架也處于平衡狀態(tài)［10］，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，相關(guān)參數(shù)確定，而影響剛度特性的因素則主要在簧載質(zhì)量和系統(tǒng)的充氣量，而者呈現(xiàn)正相關(guān)，二者比值即為A1，則：

式中：A1—I 腔面積；

A2—II腔面積；

h—?dú)怏w初始高度；

天脊集團(tuán)是中國(guó)硝酸磷型復(fù)合肥的締造者。正因?yàn)槿绱?，“天脊化肥就要打造中?guó)硝基肥第一品牌”這是天脊集團(tuán)確定的天脊產(chǎn)品定位、實(shí)施的品牌戰(zhàn)略目標(biāo)。

Fg—簧載質(zhì)量重力；

r—?dú)怏w多變系數(shù)。

對(duì)式（2）進(jìn)行求導(dǎo)得到懸架的剛度為：

3 參數(shù)對(duì)剛度和阻尼特性影響分析

3.1 1/4車輛油氣懸掛模型

為研究油氣懸掛的特性，需要參考實(shí)際車輛油氣懸掛的布置情況，需要對(duì)1/4車輛動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)前文建立的油氣懸架輸出力、阻尼和剛度特性模型，建立分析模型。懸掛在車體中處于二自由度狀態(tài)，二自由度模型，如圖2所示。

圖2 二自由度動(dòng)力學(xué)模型示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Two Degree of Freedom Dynamic Model

式中：q—路面不平度；

Kt—輪胎的垂向彈性剛度；

Fs1—懸掛缸輸出力；

mu1、ms1—質(zhì)量；

xu1、xs1—位移，m；

x?u1、x?s1—垂向加速度。

建立模型時(shí)，需要準(zhǔn)確描述懸掛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即拉伸和壓縮狀態(tài)。這里選用相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行描述，簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量的速度差大于0時(shí)，二者處于拉伸狀態(tài)，小于0時(shí)，處于壓縮狀態(tài)，二自由度Matlab/Simulink 動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

圖3 二自由度油氣懸掛動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.3 Dynamic Simulation Model of Two Degree of Freedom Hydro Pneumatic Suspension

經(jīng)過(guò)阻尼力方向判斷模塊之后，進(jìn)行阻尼力計(jì)算，可得懸架輸出力，這樣得到ms和mu加速度值，在進(jìn)行二次積分后即為位移值。

3.2 對(duì)剛度特性的影響

影響油氣懸掛輸出特性的參數(shù)，既包括結(jié)構(gòu)尺寸方面，如缸筒、活塞桿等的直徑，也包括可調(diào)參數(shù)，如充氣體積、簧上質(zhì)量等，這里選取以上主要參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)，獲取剛度特性的變化曲線，如圖4所示。

圖4 對(duì)剛度特性的影響Fig.4 Influence on Stiffness Characteristics

由圖中結(jié)果曲線可知，對(duì)油氣懸掛剛度特性影響最大的因素為缸筒、活塞桿等的直徑，參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，剛度特性曲線的變化趨勢(shì)不變，僅位置高低發(fā)生了改變，同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，二者的影響趨勢(shì)相反，前者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而后者則呈現(xiàn)正相關(guān)，與前述數(shù)學(xué)模型保持一致，二者的比值是影響剛度特性最重要的因素；懸掛中氣體的高度與剛度特性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即初始?xì)怏w越多，剛度的變化曲線越陡，剛度的值也就越大；簧上質(zhì)量的影響與前述直徑尺寸的影響趨勢(shì)基本一致，發(fā)生改變時(shí)，也是曲線的位置高低產(chǎn)生重要影響，但是影響略低于直徑變化的影響，其值不斷增加時(shí)，剛度特性的變化則逐漸減小。

4 油氣懸掛試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證前述模型的準(zhǔn)確性，在液壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行油氣懸掛臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，獲取結(jié)果說(shuō)明懸掛缸輸出力的情況，實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)，油氣懸掛的初始?jí)毫τ杉虞d缸的初始載荷產(chǎn)生。試驗(yàn)中，最大行程為0.26m，缸內(nèi)充入液壓油9kg，平衡時(shí)為基準(zhǔn)位置，即位移x=0。根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)，獲取活塞桿與缸筒之間相對(duì)位移曲線變化，如圖6所示。

圖5 油氣懸掛試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic Diagram of Hydro Pneumatic Suspension Test Device

圖6 相對(duì)位移變化曲線Fig.6 Relative Displacement Curve

由圖中曲線可知，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)和規(guī)律保持一致，初始階段由于模型簡(jiǎn)化的誤差，使得系統(tǒng)達(dá)到平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，之后兩種方式獲得的振動(dòng)周期和頻率基本保持一致，且誤差也較小。獲取關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)比結(jié)果，如表1所示。

表1 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of Key Parameters

由表中結(jié)果可知，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果比較吻合，誤差較小，控制在5%以內(nèi)；誤差的主要原因是，系統(tǒng)中存在的摩擦力，液壓油流經(jīng)單向閥時(shí)產(chǎn)生的壓力損失及溫度變化對(duì)油液粘度的影響等，在建模過(guò)程中忽略了此部分的影響，同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)自身也存在一定的誤差。因此，所建立的模型是準(zhǔn)確的，獲得的分析結(jié)果是可靠的，能夠準(zhǔn)確描述油氣懸掛的特性，為此類研究提供參考。

5 結(jié)論

（1）對(duì)油氣懸掛剛度特性影響最大的因素為缸筒、活塞桿等的直徑，參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，剛度特性曲線的變化趨勢(shì)不變，僅位置高低發(fā)生了改變，同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，二者的影響趨勢(shì)相反；（2）阻尼特性的變化在拉伸壓縮階段并非對(duì)稱的，而是純?cè)谳^大的不對(duì)稱性；相對(duì)速度值相同，而方向相反時(shí)，拉伸行程的阻尼力是壓縮行程的3倍左右，這與設(shè)計(jì)目標(biāo)是一致的；（3）試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果比較吻合，誤差較小，控制在5%以內(nèi)；因此，所建立的模型是準(zhǔn)確的，獲得的分析結(jié)果是可靠的，能夠準(zhǔn)確描述油氣懸掛的特性，為此類研究提供參考。