某型傷員運輸車新型懸架減振器原理研究

彭超 賈楠 李紅勛

1.軍事交通學院研究生管理大隊 天津300161 2.國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心 天津300161

某型傷員運輸車新型懸架減振器原理研究

彭超1賈楠2李紅勛2

1.軍事交通學院研究生管理大隊 天津300161 2.國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心 天津300161

針對某型傷員運輸車設計一種新型懸架——硅油懸架，研究了懸架減振器的結構及原理，通過建立懸架力學模型，反映了硅油懸架的力學特性，提出并驗證了通過改變懸架減振器外部阻尼孔節流面積控制油液流動能起到變阻尼，通過懸架減振器與副油缸聯通控制減振器儲油容積來實現變剛度的方案。

懸架 硅油 模型

1 前言

汽車懸架是車架與車橋之間所有傳力裝置的總成，是現代車輛的重要總成之一。懸架的主要作用是傳遞車架與車輪之間一切力和力矩，同時緩和因不平路面帶給車身的沖擊，衰減由此引起的振動，從而保證車輛正常行駛。隨著科技的發展以及人民生活水平的提高，人們對車輛安全性和舒適性提出了更高的要求，半主動懸架相比于傳統的被動懸架，其阻尼剛度可調。而半主動懸架相比于主動懸架，其結構簡單，成本更低。因此，近年來半主動懸架成為汽車廠商研究的重點課題。

我國的某型傷員運輸車輛對車輛平順性要求較高，為改善傷員乘坐的舒適性，簡化結構，參考國外懸架設計思想，依據車輛需求，設計了一款新型可控剛度阻尼的半主動懸架——硅油懸架，以替代原有的油氣彈簧懸架。硅油懸架三維模型如圖1所示。

圖1 硅油懸架三維模型圖

2 硅油懸架減振器結構設計原理

2.1 硅油懸架減振器設計

減振器是硅油懸架的關鍵部件，硅油懸架剛度阻尼的控制最終是通過減振器實現的。硅油利用其可壓縮性能夠起到液體彈簧的作用，而硅油由于其本身的粘度，通過阻尼孔結構能夠在運動中產生阻尼，因而利用硅油可以設計得到一種可變剛度阻尼的減振器。

該硅油懸架減振器主缸體設計參考國外液體懸架減振器的設計思想[1]，采用單出桿結構形式，缸內充滿硅油，通過活塞桿的相對運動，使油缸內硅油的有效體積發生變化，使得缸內硅油發生壓縮變形，從而產生彈性力。減振器的活塞上開有阻尼孔，由于硅油的粘滯阻尼原理，硅油在阻尼孔流動過程中產生阻尼力。

依據某型傷員運輸車參數及設計要求，以及減振器設計的機械設計標準、硅油油液性質等，設計懸架減振器如表1所示。

表1 某型傷員運輸車主要參數及設計要求

如圖2所示，是最終設計的硅油懸架減振器剖視圖，硅油懸架減振器主要參數如表2所示。

2.2 硅油懸架減振器安全校核

硅油懸架減振器設計過程需要進行安全校核，主要是主缸體壁厚校核。

硅油彈簧屬于高壓系統，其壁厚δc一般按照厚壁筒公式進行計算：

式中，D0為缸筒內徑；[σ]為缸體選用材料的許用強度；Pmax為系統最大壓力。

本文設計的缸體材料為合金鋼40 Gr，[σ]=211.1MPa。而油缸自靜平衡位置，活塞桿允許最大壓縮量Δxmax= 70 mm，此時達到最大壓力。利用上文的推導公式可求得，壁厚至少為16.3 mm，小于設計的壁厚20 mm，因此壁厚設計符合安全要求。

3 硅油懸架力學特性

通過建立硅油懸架力學模型能夠有效反應硅油懸架的力學特性。根據硅油懸架減振器結構原理，硅油特性以及流體力學相關理論，建立硅油懸架減振器阻尼模型、剛度模型以及輸出力模型。

3.1 彈性力模型

國外LichteHW 比較了常溫下不同粘度硅油的壓縮性[3]，得到的壓力壓縮率關系，如圖3所示。設計的硅油懸架采用的是運動粘度為50 cst 的硅油，研究硅油懸架彈性力，可以借鑒圖4的試驗數據，利用matlab擬合工具對50 cst 硅油壓縮性曲線進行擬合。得到下壓強與壓縮率的關系：

式中，p為壓強，c為壓縮率。

圖3 LichteHW 硅油壓縮性試驗

活塞桿運動到某位置的壓縮率c 可以用壓縮的硅油體積ΔV和油缸體積V0比值來表示，令靜平衡時硅油懸架減振器撓度為f0，活塞桿截面積Ad。 則靜平衡時，壓縮率c0可以表示為：

活塞桿運動Δx 后，此時硅油懸架減振器的壓縮率c為：

將(4)代入(2)，可求得此時系統壓力p，于是有彈簧力F彈與剛度k之間的關系式：

3.2 阻尼力理論模型

根據流體力學相關知識，硅油懸架中流體介質為粘度較大的硅油時，其本構方程遵循剪切稀化流體的規律[2]：

式中，μ為稠度系數，m為流動指數。

流體介質為小粘度硅油時，m近似等于1，硅油可近似看做牛頓流體，此時μ即為流體動力粘度。

硅油懸架減振器阻尼孔屬于細長孔，對于細長孔阻尼力的分析，可借鑒兩平行平板之間的流體流動的分析方法[3]。阻尼孔中取出一個微元體如圖4所示。

圖4 微元體受力分析

根據流體力學相關知識[4]，減振器阻尼力可表示為：

式中, r為活塞桿半徑；R為油缸內徑；r孔為阻尼孔半徑；n為阻尼孔個數；v為活塞桿相對油缸的速度；L為阻尼孔寬度。

其中，μ為流體動力粘度，Crook等學者通過大量實驗[5]，提出硅油的動力粘度與溫度和壓力有關，它們的關系可以近似表達為：

式中，p0為標準大氣壓，即0.1 MPa；μ0是硅油在標準大氣壓和溫度T0為25℃時的動力粘度，單位為MPa·s；λ是粘溫系數，單位是1/℃；α是粘壓系數，單位是1/MPa。

假設硅油懸架散熱良好，硅油懸架減振器運行過程近似溫度不變，則硅油動力粘度與壓力關系式為：

因為硅油懸架減振器活塞桿運動過程中，硅油被壓縮，系統壓力變化，由前面分析可知，系統壓力與活塞桿相對位移有一定函數關系。因此，硅油動力粘度與活塞桿相對運動Δx具有一定函數關系，即：

3.3 輸出力模型

硅油懸架減振器的阻尼力是與速度有關的量，即與時間有關的瞬態量，硅油懸架減振器的剛度是與位移有關的量，活塞桿往復運動過程中，硅油懸架減振器瞬態的輸出力F總，有：

式中，F阻尼為阻尼力；F彈為彈性力；Ft為活塞桿慣性力；md為活塞桿質量；a為活塞桿相對運動加速度。

除此之外，硅油懸架減振器在運動過程還受到與缸體間產生的摩擦力，為了分析方便，忽略摩擦力的影響，而活塞桿慣性力相對活塞輸出力極小，也可忽略。于是活塞往復運動過程中的輸出力：

4 硅油懸架變剛度阻尼方案

4.1 Matlab仿真分析

依據硅油懸架減振器的理論模型，利用Matlab軟件進行仿真研究。研究過程采用單一變量法，即研究其中一個參數的同時保持其他參數為初始值的方法。表3為硅油懸架減振器仿真參數，圖5是硅油懸架減振器阻尼孔大小對硅油懸架減振器輸出力的影響，圖6是硅油懸架減振器缸體體積對硅油懸架減振器輸出力影響。

表3 硅油懸架減振器仿真參數

圖5的仿真結果表明，硅油懸架減振器的輸出力受阻尼孔孔徑影響較大，隨著阻尼孔面積的減小，力位移曲線傾斜的趨勢不變，但包圍的面積顯著變大，這表明硅油懸架的阻尼受到油液流通面積影響較大。通過改變硅油懸架減振器的硅油流通面積，可以較顯著地改變硅油懸架的阻尼。

圖5 阻尼孔大小對硅油懸架減振器輸出力的影響

圖6 油缸缸體體積對硅油懸架減振器輸出力影響

圖6 的仿真結果表明，硅油懸架減振器缸體體積，對曲線包圍的面積基本沒有影響，但對曲線整體的傾斜角度有較大影響，即對系統的剛度有較大影響。分析表明，增大硅油減振器初始容積，能較為顯著地降低系統剛度。

仿真分析表明，通過對硅油懸架減振器主缸體的進一步設計，可以實現硅油懸架剛度阻尼的調節：外加阻尼調節閥，通過控制阻尼調節閥開度來實現阻尼調節；增加副油缸，通過剛度調節閥實現副油缸與主缸體的聯通，通過控制剛度調節閥的開關，可以實現硅油懸架系統剛度的調節。硅油懸架阻尼剛度調節原理如圖7所示。

圖7 硅油懸架阻尼剛度調節原理圖

4.2 臺架試驗驗證

依據4.1節提出的硅油懸架變阻尼剛度調節方案，對硅油懸架減振裝置進一步設計。依據國家標準對設計裝置進行臺架試驗，如圖8所示。

圖8 硅油懸架減振器臺架試驗

圖8 (a)為硅油懸架減振器臺架整體，圖8(b)為外加副油缸，圖8(c)為外部阻尼調節閥。

試驗中，硅油懸架減振器固定在試驗臺上，通過驅動電機帶動凸輪，推動活塞桿往復運動，利用傳感器及上位機，對硅油懸架減振器輸出力進行數據采集，試驗臺工作原理如圖9所示。

圖9 試驗臺工作原理圖

試驗目的是為了驗證硅油懸架減振裝置剛度阻尼控制的有效性，設計的試驗工況如表4所示。利用傳感器和上位機對數據進行采集處理，得到如圖10所示，各工況懸架減振器輸出力與活塞桿相對位移的關系。

圖10 硅油懸架減振器試驗工況對比

從工況1到工況3的試驗對比分析表明，改變油缸容積過程中，硅油懸架減振器輸出力和活塞桿位移曲線的斜率變化明顯，可見通過改變硅油油缸容積能夠有效地調節剛度。從工況4到工況6的試驗分析表明，在控制外部阻尼調節閥開度過程中，輸出力與活塞桿位移曲線包圍面積變化較為明顯，可見通過外部阻尼調節閥可有效調節阻尼。

表4 硅油懸架減振器試驗工況

5 結語

本文闡述了一種安裝于某型傷員運輸車輛上新型懸架——硅油懸架的結構原理、設計依據，通過懸架油液性質，懸架減振器結構以及流體力學相關知識，建立了硅油懸架力學模型，得出了硅油懸架的力學特性。通過在Matlab軟件中進行仿真與分析，提出了硅油懸架變剛度阻尼的方案，而硅油懸架減振器的進一步設計及試驗也驗證了方案的有效性。

[1]Damon Delorenzis．Seamless control of spring stiffness in a liquid spring system:U.S.Patent US2010/0044978[P],2010-2-25.

[2]黃文潤．硅油及二次加工品[M].北京：化學工業出版社,2004.

[3]H.W.Lichte,SILICONE FLUIDS FOR AQUARIUM TEST[R].U.S.:H.W.Lichte，1971.

[4]張同忠.粘滯阻尼器和鉛阻尼器的理論與試驗研究[D].北京工業大學,2004.

[5]Crook A W.The Lubrication of Roller III：A theoretical discussion of friction and the temperatures in the oil film[J].Phil.Trans.Roy.Soc.Lond,196,254(1040):237.

Simulation Study on Performance of New Vehicle Shock Absorber

PENG Chao et al

A new type of suspension named Silicone oil suspension was designed in article for a certain type of wounded transport vehicle. The structure and principle of the suspension shock absorber was researched in this article. By establishing mechanical model of suspension, this article reflects the mechanical properties of the suspension of silicone oil, and the method to change stiffness and damping of silicone oil suspension was put forward.

suspension; silicone oil; model

U463.33

A

1004-0226(2017)11-0102-05

彭超，男，1993年生，碩士研究生，現從事特種車輛仿真研究。

2017-09-18