溫升對油氣懸架剛度的影響

李閣強， 崔國慶， 毛 波， 馮 勇

(1.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003；2.山東萬通液壓股份有限公司，山東日照 262313)

引言

近年來，汽車行業發展較快，特種工程車輛發展迅猛。隨著人們對車輛駕駛時的舒適性和穩定性提出了更高的要求，車輛懸架種類也越來越多，其中油氣懸架在工程車輛中應用廣泛。目前一些高端的家用汽車也開始采用油氣懸架來保證車輛操作穩定性、 行駛平順性[1-2]。最早應用油氣懸架的車輛出現于20世紀60年代，隨后針對油氣懸架進行了大量的工程分析。國內的企業在20世紀90年代開始引進使用油氣懸架的車輛，隨后出現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，國內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械結構、活塞和缸筒的摩擦力、充氣壓力等，對工作環境的考慮較少[4-6]。油氣懸架的傳力介質和彈性介質分別為液壓油液和壓縮氣體。正常工作時，油氣懸架消耗掉的能量主要轉化為熱能，使自身工作溫度升高，而油液和氣體的物理性質對溫度變化相對敏感，所以影響油氣懸架剛度的因素還應包括工作環境溫度的變化[7-8]。

為了研究溫度升高對油氣懸架剛度特性的影響，完善油氣懸架的數學模型，以某公司生產的單氣室油氣懸架為對象，對其進行結構分析，考慮各影響因素，建立油氣懸架的數學模型，在Simulink中進行仿真分析，然后進行臺架試驗，通過試驗結果和仿真結果對比，驗證模型的正確性，并分析溫升對油氣懸架剛度的影響，為油氣懸架的優化設計提供一定參考。

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 單氣室油氣懸架結構

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成的復雜裝置，其結構如圖1 所示。由活塞桿和缸筒組合形成A腔和B腔。A腔通過管路和蓄能器連接，通過單向閥和阻尼孔與B腔相通。車輛正常行駛時，由于受到起伏路面的激勵，活塞桿相對于缸筒反復做拉伸和壓縮運動。當活塞桿相對缸筒伸出時，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阻尼孔進入A腔，蓄能器中的油液也進入A腔；當活塞桿相對缸筒壓縮時，A腔體積減小，壓力升高，B腔體積增大，壓力減小，此時A腔內的液壓油一方面通過阻尼孔和單向閥進入B腔，另一方面壓入蓄能器[9-10]。在活塞桿相對缸筒壓縮和拉伸的過程中，蓄能器中氣室壓力也隨之變化，從而緩沖來自不平整路面的激勵，另外油液流經單向閥和阻尼孔時產生節流阻尼，從而衰減因路面激勵使車輛產生的振動。

2 單氣室油氣懸架數學模型

根據油氣懸架工作原理，將其簡化為等效物理系統，如圖2所示，液壓缸無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

活塞桿受到激勵為F，因激勵產生相對缸筒的位移為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。考慮影響油氣懸架剛度特性的因素較多，為方便數學模型的建立，在實際情況允許的情況下忽略油液的可壓縮性[11-12]。

因缸筒支撐著車身，故假設缸筒不動，活塞桿在外界激勵力F、A腔的壓力pAA1、B腔的壓力pBA2、摩擦阻力Ff共同作用下，相對于缸筒做伸縮往復運動，可得力平衡方程：

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

(1)

式中，v—— 活塞桿的相對速度

m—— 活塞桿的質量

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

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)寫為：

Ff=μπΔpS

(3)

考慮單向閥和阻尼孔都是薄壁小孔，對溫度變化不敏感，所以根據節流原理，Δp又可以用流量特性來描述為：

(4)

式中，Q—— 通過單向閥和阻尼孔的節流流量

AZ—— 阻尼孔的過流面積

CZ—— 阻尼孔的流量系數

AD—— 單向閥的過流面積

CD—— 單向閥的流量系數

ρ—— 液壓油液的密度

(5)

根據B腔體積變化規律，節流流量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腔和氣室內的壓力相同[13]。考慮油氣懸架正常工作時振動能量主要消耗轉化為熱能，使油氣懸架自身的溫度升高，根據熱力學中氣體狀態方程可以得到，蓄能器氣室中氣體的變化規律為：

(7)

式中，p0—— 蓄能器氣室的初始壓強

V0—— 蓄能器氣室的初始體積

T0—— 蓄能器氣室的初始溫度

V1—— 氣室瞬時體積

T1—— 氣室瞬時溫度

考慮液壓油液不可壓縮，則A腔、B腔和氣室內的體積變化描述為：

V1=V0-(A1-A2)x

(8)

聯立式(1)～式(8)求得路面激勵F和活塞桿相對位移x的關系：

(9)

3 油氣懸架仿真和試驗

3.1 油氣懸架仿真

根據數學模型，在Simulink中建立仿真模型，如圖3所示。在仿真時主要考慮溫度變化，采用正弦輸入信號，油氣懸架的具體參數,如表1所示。

3.2 試驗

參照減震器性能試驗國家標準，以正弦激勵為油氣懸架的輸入。油氣懸架初始平衡狀態中心位置為710 mm。活塞桿相對位移由試驗臺架伺服作動器的位移傳感器檢測，油氣懸架受到的輸入力由安裝在伺服作動器和活塞桿之間的拉壓力傳感器檢測，從而得到位移特性曲線，研究溫度升高對油氣懸架剛度特性的影響。

圖3 Simulink仿真模型

表1 油氣懸架結構參數表

3.3 仿真和試驗結果對比

在15，37，60 ℃時輸入振幅為28 mm，頻率為1.5 Hz的正弦信號，基于建立的Simulink模型進行仿真，并對油氣懸架進行臺架試驗，得到如圖4～圖6所示的位移特性仿真和試驗曲線。

圖4 15 ℃時試驗和仿真位移特性曲線對比

圖5 37 ℃時試驗和仿真位移特性曲線對比

由圖4～圖6可以看出，仿真結果和試驗結果基本一致，誤差較小。此外，隨著活塞桿相對位移x增加，油氣懸架需要的外界激勵力F越來越大,呈現出非線性特性。當油氣懸架工作溫度增加后，仿真結果的誤差增加，說明還應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 ℃時試驗和仿真位移特性曲線對比

處理試驗數據，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，如圖7所示。隨著溫度增加，油氣彈簧的剛度也在增加，當溫度在60 ℃時，其剛度隨相對位移增加變化較快。從數學模型看，溫度變化主要是影響蓄能器中氮氣，隨溫度升高，氣體分子間距增加，氣室內壓強增加，剛度也更大。

圖7 不同溫度下油氣懸架的剛度特性曲線

3 結論

(1) 考慮油氣懸架結構參數、密封摩擦、溫升等因素，所建立的油氣懸架非線性數學模型能夠較為準確的描述該型號油氣懸架剛度特性；

(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出高度的非線性特性，試件油氣懸架的最大剛度可達3.89×109N/m；

(3) 通過試驗研究，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發生改變。