山地牵引车充气液力减振器特性计算与试验研究

肖启瑞，王波群，易东旭

(1.广东机电职业技术学院，广东广州510515;2.广汽集团汽车工程研究院底盘工程部，广东广州510000)

双筒液压减振器适合于良好工况的公路车辆，结构较复杂，背压偏低，容易出现高速空程性畸变现象，不能满足野外山地牵引车野外恶劣工况对减振器的复杂要求。单筒储气液力减振器具有结构相对简单、质量轻、工艺要求高、阻尼特性优越等特点。基于此，针对某型号山地牵引车储气液力减振器进行分析与研究。

1 储气液力减振器数学模型

图1 单筒储气液力减振器结构

储气液力减振器工作原理如图1所示。令活塞上腔的压强为pe，活塞下腔的压强为pc，气室压强为pa。处于复原行程时，活塞相对缸筒向上运动，上腔容积减小，下腔容积增加，从理论上讲，气室容积也应随之增加以保证液体充满下腔，防止真空的出现进而在压缩时形成“空程”，引起外特性畸变。分析这个过程的缸内液体流量关系可知下腔容积的变化量由两部分组成:

(1)由上腔流入下腔的流量:

式中:vp为活塞杆运动速度;

Ap为活塞有效面积;Ag为活塞杆截面积。(2)气室容积变化量

式中:ua为气室活塞运动速度;

Aa为气室活塞有效面积。

以上两部分之和组成下腔容积的变化量，可以得到式 (1)和式 (2):

将式 (1)整理可得:

对式 (3)求积分可得:

其中:sa、sp分别为气室活塞和主活塞的位移，可以由速度积分得到。由于主活塞上有一系列节流孔系，工程上一般将节流孔系近似视为细长孔，所以由上腔流入下腔的流量Qec可以用下式进行计算［1－2］:

式中:Cd为流量系数，可取0.6～0.68;

A为节流面积;

Δp为两腔的压强差;

ρ为液体密度。

当主活塞运动时，气室活塞也随之运动，所以气室的容积也发生相应变化，气体内部压强也随之变化，气体的状态变化可以用多变过程进行描述，一般有如下关系［5］:

式中:pa0为气体初始压强;

V0为气室初始容积;

pa为气室变化时气体压强;

Va为气室变化时容积;

n为气体多变指数，取1.7～1.83。在气室活塞剧烈运动过程中，减振器下腔压强pc准确表达困难，但当气室活塞处理相对平衡时，可以认为pc与气体压强pa近似相等，即pa=pc。复原行程时，根据主活塞受力分析可得:

式中:f为主活塞与工作筒壁的摩擦力，为了准确起见，根据经验公式具体计算:

式中:Hr为活塞杆与缸筒接触长度;pn为活塞杆所受径向压强;

δ为油膜厚度;

γ为液体动力黏度。

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注意到，车用筒式减振器节流孔系一般由常通孔系和阀片孔系组成。常通孔系节流面积为常数，但阀片孔系中节流阀片开度与阀片两侧的压差成正比，即阀片孔系节流面积与压差成正比，压差越大，节流面积越大，呈现动态变化过程。为准确描述这一过程，对节流面积作如下数学处理:

式中:Af为复原阀常通孔系节流面积，对某一具体减振器为常数;

dAf为阀片孔系节流面积，dAf=2πrx，r为阀片外径，x为阀片在外径处的变形量即挠度。

x为阀片两侧压差Δp的函数，即x=fΔ()p。由于阀片厚度较小，而其变形挠度相对较大，应理解为大挠度变形，解析法复杂，计算量太大，不适用于工程计算。文中应用有限元法对阀片在不同压强下的挠度进行多次计算，得到对应阀片变形挠度值，再利用多项式拟合得到两者之间近似函数关系式［3］。最后可得较完整的单筒储气液力减振器复原行程阻尼力数学模型:

2 储气液力减振器特性仿真与试验分析

根据上述理论分析所建立的该单筒储气液力减振器复原行程阻尼力数学模型，下面就可在Simulink中建立仿真模型。结构参数如表1所示。

表1 储气液力减振器数值结构参数

在模型中输入速度正弦波的半个周期，峰值振动速度0.52 m/s［4］，完成两个行程的仿真后，可得到该减振器的示功特性和速度特性，分别如图2和图3所示。

图2 减振器示功仿真曲线

图3 减振器速度特性

图4 减振器示功试验曲线

图5 激振速度1.14 m/s减振器示功特性

3 单筒储气液力减振器结构参数对性能的影响

对于单筒储气液力减振器，为研究充气压强对减振器性能的影响，现取不同压强进行研究。

图6 不同充气压强对减振器速度特性的影响

从图6可以看出:初始充气压强对减振器性能有一定影响，当充气压强升高时，复原和压缩行程的阻尼力都会提高，但幅度不大。通过仿真与样件试验，确定该减振器充气压力为0.8 MPa。

由图7可以看出:复原阀孔径对复原行程阻尼力影响很大，当每个孔径增大0.5 mm时，最大复原阻尼力会减小至580.72 N。由图8可以看出:压缩阀孔径对压缩行程阻尼力影响很大，当每个孔径减小0.5 mm时，最大压缩阻尼力会升高至210.82 N。

图7 不同复原阀孔径对减振器速度特性的影响

图8 不同压缩阀孔径对减振器速度特性的影响

4 结论

(1)仿真结果与试验曲线基本吻合，仿真模型可用于减振器较精确的模拟计算。得到了该型减振器的速度特性与示功特性。最大复原阻力与压缩阻力比为5.3，具有较理想的阻力特性。压缩阻尼力较小，可有效减小野外坏路面对车辆的冲击;复原阻尼力随速度增加迅速升高，在1.14 m/s高速振动不会发生空程畸变。

(2)详细讨论振动速度、节流孔径、充气压强、阻尼阀直径等参数对减振器性能影响。储气液力减振器可适应较高振动速度，具有良好的阻尼特性，适用于工况复杂的山地牵引车。

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【2】封士彩.油气悬挂非线性数学模型及性能特性的研究［J］.中国公路学报，2002，15(3):122 －123.

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