阻尼孔及單向閥對(duì)車(chē)輛油氣懸架減振特性的影響

張赟熙

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

懸架剛度是衡量懸架抵抗變形能力的一種量度，等于懸架承受的載荷與該載荷引起的懸架變形的比值。懸架剛度分為懸架線(xiàn)剛度和懸架角剛度[1]。與傳統(tǒng)型板簧懸架相比，油氣懸架剛度和阻尼的非線(xiàn)性特征對(duì)整車(chē)行駛平順性的改善效果十分顯著。而在油氣懸架對(duì)車(chē)輛行駛平順性和操作穩(wěn)定性的影響的研究中，馬麗哲[2]研究了多軸應(yīng)急救援車(chē)輛的行駛平順性，設(shè)計(jì)了整車(chē)油氣懸架系統(tǒng)控制器；石鵬飛[3]提出了一種行車(chē)穩(wěn)定減振策略，并通過(guò)MATLAB/Simulink 軟件對(duì)系統(tǒng)的剛度特性和減振性能進(jìn)行分析；王帥等[4]建立了1/4 車(chē)的半主動(dòng)控制算法數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)半主動(dòng)懸掛和主動(dòng)懸掛進(jìn)行仿真對(duì)比，研究了可調(diào)最值阻尼系數(shù)對(duì)車(chē)輛平順性變化的影響；張雷等[5]建立了Simulink/AMESim 聯(lián)合仿真模型，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了顯著降低制動(dòng)模式切換時(shí)的沖擊能提升車(chē)輛制動(dòng)平順性和乘坐舒適性；魏振魯?shù)萚6]設(shè)計(jì)了可以提高平衡性的油氣懸架，在車(chē)輛的行駛過(guò)程中保證操作穩(wěn)定性；游專(zhuān)等[7]通過(guò)搭建某載重汽車(chē)的1/2 懸架的AMESim 系統(tǒng)模型，分析了汽車(chē)在正常行駛工況和越障工況下油氣懸架分別對(duì)路面隨機(jī)激勵(lì)和障礙物的響應(yīng)特性；張小江等[8]設(shè)計(jì)了一套新型油氣懸架系統(tǒng)，利用能量法獲取了新型油氣懸架無(wú)阻尼條件下在平衡位置自由振動(dòng)的相圖，得到了懸架自由振動(dòng)頻率與振幅間的非線(xiàn)性關(guān)系。

另外，在單蓄能器油氣懸架的研究中，馬超等[9-10]運(yùn)用AMESim 建立了油氣懸架模型，分析了同側(cè)耦合油氣懸架系統(tǒng)的初始充氣壓力對(duì)自卸車(chē)車(chē)身質(zhì)心加速度和車(chē)輛總加權(quán)加速度均方根值等指標(biāo)的影響規(guī)律；劉海波[11]建立了油氣懸架的數(shù)學(xué)模型，分析不同參數(shù)對(duì)油氣懸架阻尼孔兩端的壓差變化情況和活塞桿的受力情況的影響；劉金強(qiáng)等[12]針對(duì)連通式油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了側(cè)傾剛度和垂直剛度的理論計(jì)算、仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析了懸掛缸不同安裝角度的側(cè)傾和垂直剛度特性；孫船斌等[13]研究了蓄能器的初始充氣壓力和體積、阻尼孔徑和油管內(nèi)徑等懸架參數(shù)對(duì)行駛平順性的影響。在連通式油氣懸架的研究中，孫延彬[14]研究了一種可以提高懸架側(cè)傾剛度，同時(shí)提供較小的俯仰及扭轉(zhuǎn)剛度的混合型連通式油氣懸架；田文朋等[15]建立了Carsim 整車(chē)模型，分析了不同耦合形式的油氣懸架對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響。

本研究主要因?yàn)橐恍┺r(nóng)業(yè)車(chē)輛在行駛過(guò)程和加載過(guò)程中的工作環(huán)境較為惡劣，車(chē)輛作業(yè)時(shí)受到的沖擊會(huì)使車(chē)輛的油氣懸架和輪胎部件嚴(yán)重?fù)p壞，其中，影響車(chē)輛剛度的因素可能主要和阻尼孔直徑、單向閥直徑等有關(guān)[16]。因此，為提高車(chē)輛行駛平順性以及車(chē)輛整體使用壽命，本文設(shè)計(jì)一種雙蓄能器油氣懸架系統(tǒng)，通過(guò)AMESim 軟件搭建油氣懸架模型，分析阻尼孔直徑以及單向閥直徑對(duì)懸架系統(tǒng)輸出特性的影響[17]。

1 雙蓄能器油氣懸架結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 油氣懸架結(jié)構(gòu)

本研究所用的油氣懸架主要由活塞、活塞桿、阻尼孔、單向閥、高壓蓄能器、低壓蓄能器等組成[18]。上固定端連接的是車(chē)身，下固定端連接的是車(chē)橋。由于油氣懸架本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要將氣室內(nèi)的氣體按照理想氣體處理。單氣室雙蓄能器油氣懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 兩級(jí)壓力式雙蓄能器油氣懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 油氣懸架工作原理

圖1 所示的油氣懸架油缸的工作過(guò)程可以分為壓縮行程和復(fù)原行程兩部分：

1）當(dāng)懸架處在壓縮行程時(shí)，活塞及活塞桿相對(duì)于缸筒向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，油腔E 內(nèi)的油液體積變小、壓力變大，油腔D 內(nèi)的油液體積變大、壓力變小，單向閥打開(kāi)，油腔E 里的液壓油受到壓縮向兩個(gè)方向流動(dòng)，一部分液壓油通過(guò)單向閥和阻尼孔流入油腔D；另一部分液壓油經(jīng)過(guò)橡膠軟管流入低壓蓄能器，使蓄能器氣室受到壓縮，體積變小，壓力升高。如果壓力達(dá)到高壓蓄能器初始?jí)毫Γ邏盒钅芷鞔蜷_(kāi)，液壓油經(jīng)過(guò)橡膠軟管流入高壓蓄能器[19]。

2）當(dāng)懸架處在復(fù)原行程時(shí)，活塞及活塞桿相對(duì)于缸筒向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，油腔E 內(nèi)的油液體積變大、壓力變小，油腔D 內(nèi)的油液體積變小、壓力變大，單向閥關(guān)閉，油腔D 中的液壓油通過(guò)阻尼孔流入油腔E，高壓蓄能器與低壓蓄能器中的部分液壓油經(jīng)過(guò)橡膠管道流入油腔E。當(dāng)壓力低于蓄能器初始?jí)毫Γ邏盒钅芷麝P(guān)閉[20]。

2 基于AMESim的建模與仿真研究

為系統(tǒng)中的每個(gè)圖形模塊選擇合理的子模型，根據(jù)某農(nóng)用車(chē)輛實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)創(chuàng)建仿真模型，如圖2所示，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 AMESim模型參數(shù)

圖2 油氣懸架模型

在對(duì)油氣懸架進(jìn)行仿真分析時(shí)，考慮到其本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化處理：

1）忽略缸內(nèi)油液壓力對(duì)結(jié)構(gòu)件變形的影響；

2）氣室內(nèi)的氣體按理想氣體處理；

3）忽略油液中的氣體對(duì)油液體積模量的影響。

綜合公式構(gòu)成系統(tǒng)輸出模型可知，對(duì)系統(tǒng)影響較大的參數(shù)主要是阻尼孔直徑和單向閥直徑。因此，接下來(lái)研究阻尼孔直徑和單向閥直徑對(duì)系統(tǒng)的影響[21]。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析

3.1 阻尼孔直徑對(duì)系統(tǒng)特性的影響

運(yùn)用AMESim 批處理命令，先讓?xiě)壹芟到y(tǒng)在沒(méi)有外部激勵(lì)的情況下達(dá)到靜平衡（時(shí)間10 s）。保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)、初始?xì)怏w體積、初始?jí)毫皠偠茸枘岵蛔?，分別對(duì)阻尼孔直徑D等差取5 個(gè)值進(jìn)行仿真，取值范圍在13 mm~17 mm 之間，設(shè)置阻尼孔的直徑分別為13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm。然后添加一個(gè)時(shí)間為1 s、載重為10 t的裝載激勵(lì)，進(jìn)行批處理仿真。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同阻尼孔直徑懸架輸出特性曲線(xiàn)

從仿真結(jié)果可以看出，隨著阻尼孔直徑的增加，阻尼力減小，車(chē)身垂直相對(duì)位移峰值、相對(duì)速度峰值隨之增加；但隨著阻尼孔直徑的增加，車(chē)身垂直加速度峰值和油缸壓力也會(huì)隨之增加。綜合分析，增大阻尼孔直徑，油缸壓力會(huì)隨之增大，對(duì)油缸會(huì)產(chǎn)生危害；但減小阻尼孔直徑，行駛穩(wěn)定性會(huì)受一定影響，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和具體需求適當(dāng)調(diào)整阻尼孔直徑[22]。

3.2 單向閥直徑對(duì)系統(tǒng)特性的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)、初始?xì)怏w體積、初始?jí)毫皠偠茸枘岵蛔?，分別對(duì)單向閥直徑d等差取5 個(gè)值進(jìn)行仿真，取值范圍在13 mm~17 mm 之間，設(shè)置單向閥的直徑分別為13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm，進(jìn)行批處理仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同單向閥直徑懸架輸出特性曲線(xiàn)

從仿真結(jié)果可以看出，單向閥直徑變大時(shí)，系統(tǒng)在壓縮段的阻尼持續(xù)變小，振動(dòng)和沖擊都有彈性氣體吸收；而在伸張段阻尼恢復(fù)，不受單向閥變化的影響，由阻尼孔的阻尼來(lái)減振。理論上單向閥直徑越大，懸架的振動(dòng)特性越好，但隨著單向閥直徑的增加，相對(duì)位移、相對(duì)速度、車(chē)身垂直加速度和油缸壓力也會(huì)隨之增加，不過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)單向閥的開(kāi)度不可能無(wú)限大，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各方面因素。

4 結(jié)論

油氣懸架系統(tǒng)在工作時(shí)，活塞桿和缸筒的相對(duì)位移、相對(duì)速度、車(chē)身垂直加速度以及油缸壓力由懸掛所受激勵(lì)、載荷及懸掛自身特性綜合決定，當(dāng)改變阻尼孔直徑和單向閥直徑的大小時(shí)，汽車(chē)平順性以及穩(wěn)定性有所變化。從圖3、圖4 中可以看出，阻尼孔直徑對(duì)系統(tǒng)的影響要略大于單向閥直徑對(duì)系統(tǒng)的影響，當(dāng)阻尼孔直徑和單向閥直徑增大時(shí)，相對(duì)位移峰值、相對(duì)速度峰值、車(chē)身垂直加速度峰值和油缸壓力會(huì)隨之增大，但所受的沖擊也會(huì)隨之增大，而且實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)阻尼孔和單向閥的開(kāi)度不可能無(wú)限大，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各方面因素[23]。