摘 要：隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)車輛的要求不僅僅局限于一種簡(jiǎn)單的交通運(yùn)輸工具，對(duì)乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性有了更高的要求，這也意味著對(duì)懸架剛度特性、車身高度調(diào)節(jié)以及阻尼控制有更嚴(yán)格的要求。液壓懸架具備車高可調(diào)、剛度非線性、阻尼可控等有優(yōu)越特性極大滿足高端汽車對(duì)懸架性能的特殊要求。而油氣彈簧是液壓懸架最為重要組成部分，油氣彈簧剛度則是懸架系統(tǒng)最為重要的參數(shù)指標(biāo)之一。因此，研究油氣彈簧剛度的特性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：液壓懸架 油氣彈簧 油氣彈簧剛度

1 緒論

近年來，隨著人們對(duì)車輛的懸架性能越來越高的性能需求，液壓懸架以其大承載、非線性剛度、多級(jí)剛度、大剛度、可調(diào)阻尼等特性被越來越多車型所應(yīng)用，代表車型有雷克薩斯LX570、雷克薩斯LX600、雪鐵龍C6、仰望U8、方程豹豹5等[1]。液壓懸架是懸架技術(shù)發(fā)展重要方向，而油氣彈簧剛度是液壓懸架設(shè)計(jì)極其重要指標(biāo)，本文通過理論推導(dǎo)，Amesim仿真驗(yàn)證，明確了油氣彈簧理論計(jì)算公式，探究了敏感因素的影響規(guī)律，可為液壓懸架設(shè)計(jì)中懸架剛度匹配計(jì)算時(shí)提供理論依據(jù)。

2 油氣彈簧原理

油氣彈簧主要由減振器、阻尼控制模塊、蓄能器、液壓管路等部分組成，如圖所示。當(dāng)汽車行駛過程中，懸架受到路面激勵(lì)負(fù)載增大，減振器壓力上升減振器油液通過管路流經(jīng)阻尼控制模塊進(jìn)入蓄能器，蓄能器氣室被壓縮，減振器壓縮運(yùn)動(dòng)；當(dāng)懸架負(fù)載減小時(shí)，減振器壓力下降，蓄能器氣室膨脹，蓄能器油液通過管路流經(jīng)阻尼控制模塊進(jìn)入減振器，減振器復(fù)原運(yùn)動(dòng)。

由于油氣彈簧的彈性力由蓄能器內(nèi)的氣體狀態(tài)變化所提供，是一個(gè)非線性的變化過程，導(dǎo)致油氣彈簧剛度也呈非線性變化。這一特性相較于螺簧固定剛度更利于車輛穩(wěn)定，提升車輛操控性能。

3 油氣剛度理論計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)需求，油氣彈簧會(huì)配備單個(gè)蓄能器或多個(gè)蓄能器。通過設(shè)置不同的蓄能器氣室預(yù)充壓力，可以實(shí)現(xiàn)不同蓄能器介入系統(tǒng)作用條件區(qū)分；通過蓄能器與開關(guān)閥配合使用，可以實(shí)現(xiàn)油氣彈簧多級(jí)剛度功能，當(dāng)開關(guān)閥將蓄能器與減振器隔離后，油氣彈簧剛度將會(huì)增大。因此，在油氣彈簧剛度理論分析計(jì)算時(shí)需要有單蓄能器計(jì)算方法與多蓄能器計(jì)算方法，以滿足實(shí)際需求。阻尼模塊會(huì)對(duì)油氣剛度有一定的影響，當(dāng)減振器運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，阻尼模塊對(duì)油氣剛度的影響較弱，本文進(jìn)行油氣剛度理論分析時(shí)是基于忽略阻尼因素影響條件下進(jìn)行[2-3]。

3.1 單蓄能器油氣彈簧剛度推導(dǎo)

單蓄能器油氣彈簧原理如圖1所示，減振器輸出力為：

公式1：

式中：——減振器現(xiàn)工作壓力；

——減振器有效工作面積。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程有：

公式2：

則有：

公式3：

式中：——1#蓄能器預(yù)充壓力；

——1#蓄能器氣室容積；

——工作壓力下1#蓄能器氣室容積；

——?dú)怏w多變指數(shù)，取值范圍1.0～1.4。

將公式 3代入公式 1可得：

公式 4：

根據(jù)剛度定義，可得剛度計(jì)算公式如下：

公式 5：

式中：——減振器位移。

將分子分母同時(shí)乘于減振器作用面積，則有：

公式 6：

式中：——減振器油液變化體積。

同時(shí)有：

公式 7：

將23d7Z3Iy9CI/k4KorgvR9g==公式 4、公式 7代入公式 6得：

公式 8：

化簡(jiǎn)得：

公式 9：

3.2 雙蓄能器油氣彈簧剛度推導(dǎo)

雙蓄能器油氣彈簧原理如下圖所示：

由于雙蓄能器的油液變化是由兩個(gè)蓄能器共同作用的，則有：

公式 10：

式中：——1#蓄能器氣室容積變化；

——2#蓄能器氣室容積變化；

——1#蓄能器氣室容積；

——工作壓力下1#蓄能器氣室容積；

——2#蓄能器氣室容積；

——工作壓力下2#蓄能器氣室容積。

根據(jù)波義耳定律有：

公式 11：

式中：——1#蓄能器氣室預(yù)充壓力；

——2#蓄能器氣室預(yù)充壓力。

將公式 10代入公式 6得：

公式 12：

將公式 11代入公式 12得公式 13：

進(jìn)一步化簡(jiǎn)得公式 14：

將公式 11代入上式得公式 15：

同理可推導(dǎo)i個(gè)蓄能器的油氣剛度理論計(jì)算公式為公式 16：

式中：——工作壓力下第i#蓄能器氣室容積。

3.3 油氣彈簧剛度敏感因素

根據(jù)公式16可知油氣彈簧剛度是非線性剛度，與傳統(tǒng)螺旋彈簧固定剛度有著巨大區(qū)別。同時(shí)，油氣彈簧剛度與工作壓力、執(zhí)行器工作面積以及蓄能器當(dāng)前狀態(tài)的氣室容積相關(guān)。并且，可以確定油氣彈簧剛度與執(zhí)行器工作面積成正比、與蓄能器當(dāng)前氣室容積成反比、與油氣懸架當(dāng)前工作壓力成正比。

4 油氣彈簧剛度仿真計(jì)算

上述已推導(dǎo)油氣彈簧剛度理論計(jì)算公式，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，搭建基于AMESim仿真平臺(tái)的油氣懸架模型，仿真計(jì)算油氣剛度，對(duì)比分析仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果[4]。

4.1 單蓄能器油氣彈簧仿真

單蓄能器彈簧仿真模型如下圖所示：

如上圖所示，仿真模型設(shè)置相應(yīng)減振器初始工作壓力，然后減振器在外力作用下緩慢壓縮，克仿真得到減振器的力位移曲線，進(jìn)而得到減振器剛度曲線。

仿真參數(shù)如下表所示：

減振器輸出力與位移的仿真曲線如下圖所示：

將上訴仿真曲線進(jìn)行求導(dǎo)獲得減振器剛度曲線，如下圖所示：

由剛度曲線可知減振器70bar工作壓力的剛度為121.20N/mm，將表 1參數(shù)代入公式 9可計(jì)算出理論剛度為126.94N/mm，兩者誤差為4.5%，理論值與仿真值接近，上述推導(dǎo)單蓄能器油氣彈簧剛度理論計(jì)算方法可靠度高。

4.2 雙蓄能器油氣彈簧仿真

雙蓄能器彈簧仿真模型如下圖所示：

仿真參數(shù)如下表所示：

減振器輸出力與位移的仿真曲線如下圖所示：

將上訴仿真曲線進(jìn)行求導(dǎo)獲得減振器剛度曲線，如下圖所示：

由剛度曲線可知減振器70bar工作壓力的剛度為65.50N/mm，將表2參數(shù)代入公式15可計(jì)算出理論剛度為67.94N/mm，兩者誤差為3.6%，理論值與仿真值接近，上述推導(dǎo)雙蓄能器油氣彈簧剛度理論計(jì)算方法可靠度高。

5 總結(jié)

上述仿真已驗(yàn)證油氣彈簧剛度的理論計(jì)算公式準(zhǔn)確可靠，通過理論計(jì)算公式分析出油氣剛度與減振器有效工作面積的平方成正比，與蓄能器當(dāng)前氣室容積成反比、與減振器當(dāng)前工作壓力成正比。在油氣彈簧剛度設(shè)計(jì)時(shí)可以使用上述剛度理論計(jì)算模型進(jìn)行匹配校驗(yàn)，具有實(shí)際工程應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王洪藝.車用油氣彈簧的設(shè)計(jì)、仿真與分析[D].長春：長春理工大學(xué)，2014.

[2]李占芳，仝軍令，李威.單氣室油氣彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2011，30（4）：166-172.

[3]任俠，邢永海，侯占威，等.裝甲車用雙氣室油氣彈簧剛度特性分析與研究[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，44（3）：97-101.

[4]郭孔輝，徐文立，徐達(dá)偉.基于AMESim的新型油氣彈簧建模與仿真[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（5）：497-501.