单作用油气悬架缸压力特性的仿真研究

(中国煤炭科工集团 太原研究院， 山西 太原　030006)

引言

车辆的悬架是传递车轮与车架之间的力和力矩，缓冲行驶过程中由路面不平引起并传递给车身的冲击力，衰减由此引起的振动，保证车辆行驶平顺性、乘坐舒适性、横向稳定性并减少动载荷引起零部件损坏。

油气悬架是以惰性气体(通常为氮气)为悬架的弹性元件，利用油液的流动阻力实现减振，同时利用油液的不可压缩性实现较为准确的运动和力的传递。因此，油气悬架的刚度特性接近理想的悬架刚度特性曲线，而且能方便地实现车身姿态等的控制。而悬架缸作为油气悬架最重要的部件，决定着整个油气悬架的主要性能。特别是在比较恶劣的道路上，路面起伏不平，作用于车轮上的垂直反力具有较强的冲击性，造成悬架缸内的压力剧烈变化，对于悬架缸和悬架液压系统产生强烈的压力冲击。因此研究悬架缸内的压力特性有着重要的意义。

1　单作用油缸油气悬架的结构

单作用油缸油气悬架结构简单、工作可靠，应用也比较广泛。其结构原理如图1所示，悬挂油缸5的缸筒固定在车架1上，活塞杆固定在车轮6处。悬挂缸活塞腔通过阻尼孔4和单向阀2与蓄能器3相通，活塞杆腔直接通大气。车轮受到路面随机激励，使得悬架油缸往复运动。压缩时， 活塞腔内油液通过阻尼孔和单向阀进入蓄能器，蓄能器内气体产生弹性变形；复原时，蓄能器内的油液通过阻尼孔向活塞腔流动，活塞受到阻尼力的作用，抑制活塞的伸出。

图1　油气悬架结构

2　悬挂油缸压力的数学模型

建立悬挂油缸压力的数学模型时做以下假设：

(1) 油液的体积弹性模量为常数；

(2) 忽略系统内的油液泄漏；

(3) 不考虑油液的惯性；

(4) 不计活塞和缸筒之间的摩擦；

(5) 油液不可压缩。

当压力和温度的变化范围比较大时，应该考虑应用实际气体状态方程来建立蓄能器的数学模型。表示实际气体的状态方程有很多，如范德瓦尔斯的二常数半经验方程、BWR多常数半经验方程、贝蒂-布里奇曼方程和马丁-侯方程等。上述方程在实际应用过程中差距不大，所以选用参数较少的贝蒂-布里奇曼方程建模。

蓄能器内的气体状态方程：

(1)

式中：A0、B0、a、b、c是经验常数；TE为蓄能器E腔中气体绝对温度。

蓄能器E腔中气体的体积由下式确定：

VE=VE0-ΔVE

(2)

式中：VE0为蓄能器E腔初始充气体积；ΔVE为蓄能器E腔中气体的变化量。

活塞相对于缸筒运动，使A腔体积变化，A腔与蓄能器E相通，使E腔中气体体积变化，根据流体的连续性可以确定E腔中气体体积与活塞位移x之间的关系，即：

ΔVE=A1x

(3)

式中：A1为活塞面积；x为活塞相对于缸筒的位移。

设蓄能器和活塞腔之间的压差为Δp，根据小孔节流理论，流经阻尼孔和单向阀的流量为：

活塞腔的压力为：

(5)

式(1)～(5)即为单气室悬挂油缸压力的数学模型。

3　油气悬架模型的建立及仿真

根据图1所示油气悬挂结构图，建立如图2的仿真模型。模型中主要包括悬挂质量、非悬挂质量、悬挂油缸、蓄能器、阻尼孔、单向阀、轮胎刚度和阻尼及输入信号。

图2　油气悬架模型

模型建立的主要参数如表1所示。路面输入使悬挂油缸先进入压缩行程，再进入复原行程。

表1　油气悬架主要参数

仿真时，通过改变其中一个参数，保持其他参数不变，就可以得到各参数对单作用悬挂缸压力的影响。

改变蓄能器的初始充气体积，单作用悬挂缸内的压力情况如图3所示。

图3　蓄能器不同充气体积时悬挂缸压力

由图3可知，蓄能器不同初始充气体积，悬挂缸内的最大冲击压力基本一样。冲击结束后，悬挂缸内压力波动减小，随着蓄能器充气体积增大，缸内压力波动的幅值减小。

图4是蓄能器初始充气压力分别为1 MPa、3 MPa、 5 MPa时悬挂缸内的压力。

图4　蓄能器不同充气压力时悬挂缸压力

由图4比较分析可知，蓄能器充气压力增大，悬挂缸内的最大冲击压力基本一样。在冲击结束后，充气压力低，悬挂缸内的压力波动大，随着充气压力升高，缸内压力的波动幅度减小，基本上在相同的时间内缸内压力达到稳定。

图5是改变阻尼孔的孔径，悬挂缸内的压力特性。

图5　不同阻尼孔孔径时悬挂缸内的压力

从图5中比较分析可知，阻尼孔孔径小，悬挂缸内的压力冲击大，而且冲击结束后，缸内的压力波动幅度大，需要稳定的时间也长；随着阻尼孔增大，悬挂缸内的压力冲击减小，而且缸内的压力波动幅度减小，而且很快趋于平稳。

改变路面输入的频率，悬挂缸内的压力如图6所示。

由图6可知，频率低时，悬挂缸内的的压力冲击小，而且冲击结束后，缸内的压力波动幅度小，压力很快趋于平稳。频率增大，悬架缸内的压力冲击变大，而且压力波动幅度增大，压力平稳时间增加。频率超过一定值时，在复原过程中，悬挂缸内压力急剧下降，甚至出现负压。

图6　不同输入频率时悬挂缸内压力

图7是改变输入的幅值，悬挂缸内的压力变化情况。

图7　不同输入幅值时悬挂缸内压力

从图7中分析比较可知，路面输入的幅值较小时，悬挂缸内的压力冲击较小，而且缸内压力很快平稳，输入幅值增大，悬挂缸内的压力冲击增大，而且压力波动时间变长。路面的输入大于一定的幅度时，在复原过程中，悬挂缸内压力急剧下降，甚至出现负压。

由图6和图7可知，输入的速度和幅值超过一定的值时，悬挂缸在复原行程中速度变快，缸内的体积迅速增大，而蓄能器内的油液只能通过阻尼孔向缸内流动，由于阻尼作用，油液不能快速补充进油缸内，造成油缸产生负压。如果产生负压，容易使外部空气越过油缸的密封圈进入到悬挂缸的活塞腔中，进而进入封闭的悬挂液压系统中，使悬挂的工作特性不稳定，导致悬架缸的损坏以及整车的故障。所以，应用单作用油缸的油气悬挂车辆，设计时应该合理地匹配其阻尼孔的尺寸，而且在实际行驶过程中，应该避免车轮处较大的冲击，以减少悬架的损坏。

4　结论

以单作用悬挂油缸为研究对象，对其缸内的压力变化过程进行了理论分析，并利用仿真软件进行了建模分析。结果表明，阻尼孔孔径、路面的激励速度和幅值对悬挂缸内的压力变化有重要的影响，特别是需要避免缸内出现负压情况。通过仿真研究， 对于单作用

悬挂油缸的压力瞬变过程提供了可靠的理论依据，并且对于单作用油缸的油气悬挂的实际应用提供了很好的指导。

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