某型伤员运输车新型悬架减振器原理研究

彭超 贾楠 李红勋

1.军事交通学院研究生管理大队 天津300161 2.国家应急交通运输装备工程技术研究中心 天津300161

某型伤员运输车新型悬架减振器原理研究

彭超1贾楠2李红勋2

1.军事交通学院研究生管理大队 天津300161 2.国家应急交通运输装备工程技术研究中心 天津300161

针对某型伤员运输车设计一种新型悬架——硅油悬架，研究了悬架减振器的结构及原理，通过建立悬架力学模型，反映了硅油悬架的力学特性，提出并验证了通过改变悬架减振器外部阻尼孔节流面积控制油液流动能起到变阻尼，通过悬架减振器与副油缸联通控制减振器储油容积来实现变刚度的方案。

悬架 硅油 模型

1 前言

汽车悬架是车架与车桥之间所有传力装置的总成，是现代车辆的重要总成之一。悬架的主要作用是传递车架与车轮之间一切力和力矩，同时缓和因不平路面带给车身的冲击，衰减由此引起的振动，从而保证车辆正常行驶。随着科技的发展以及人民生活水平的提高，人们对车辆安全性和舒适性提出了更高的要求，半主动悬架相比于传统的被动悬架，其阻尼刚度可调。而半主动悬架相比于主动悬架，其结构简单，成本更低。因此，近年来半主动悬架成为汽车厂商研究的重点课题。

我国的某型伤员运输车辆对车辆平顺性要求较高，为改善伤员乘坐的舒适性，简化结构，参考国外悬架设计思想，依据车辆需求，设计了一款新型可控刚度阻尼的半主动悬架——硅油悬架，以替代原有的油气弹簧悬架。硅油悬架三维模型如图1所示。

图1 硅油悬架三维模型图

2 硅油悬架减振器结构设计原理

2.1 硅油悬架减振器设计

减振器是硅油悬架的关键部件，硅油悬架刚度阻尼的控制最终是通过减振器实现的。硅油利用其可压缩性能够起到液体弹簧的作用，而硅油由于其本身的粘度，通过阻尼孔结构能够在运动中产生阻尼，因而利用硅油可以设计得到一种可变刚度阻尼的减振器。

该硅油悬架减振器主缸体设计参考国外液体悬架减振器的设计思想[1]，采用单出杆结构形式，缸内充满硅油，通过活塞杆的相对运动，使油缸内硅油的有效体积发生变化，使得缸内硅油发生压缩变形，从而产生弹性力。减振器的活塞上开有阻尼孔，由于硅油的粘滞阻尼原理，硅油在阻尼孔流动过程中产生阻尼力。

依据某型伤员运输车参数及设计要求，以及减振器设计的机械设计标准、硅油油液性质等，设计悬架减振器如表1所示。

表1 某型伤员运输车主要参数及设计要求

如图2所示，是最终设计的硅油悬架减振器剖视图，硅油悬架减振器主要参数如表2所示。

2.2 硅油悬架减振器安全校核

硅油悬架减振器设计过程需要进行安全校核，主要是主缸体壁厚校核。

硅油弹簧属于高压系统，其壁厚δc一般按照厚壁筒公式进行计算：

式中，D0为缸筒内径；[σ]为缸体选用材料的许用强度；Pmax为系统最大压力。

本文设计的缸体材料为合金钢40 Gr，[σ]=211.1MPa。而油缸自静平衡位置，活塞杆允许最大压缩量Δxmax= 70 mm，此时达到最大压力。利用上文的推导公式可求得，壁厚至少为16.3 mm，小于设计的壁厚20 mm，因此壁厚设计符合安全要求。

3 硅油悬架力学特性

通过建立硅油悬架力学模型能够有效反应硅油悬架的力学特性。根据硅油悬架减振器结构原理，硅油特性以及流体力学相关理论，建立硅油悬架减振器阻尼模型、刚度模型以及输出力模型。

3.1 弹性力模型

国外LichteHW 比较了常温下不同粘度硅油的压缩性[3]，得到的压力压缩率关系，如图3所示。设计的硅油悬架采用的是运动粘度为50 cst 的硅油，研究硅油悬架弹性力，可以借鉴图4的试验数据，利用matlab拟合工具对50 cst 硅油压缩性曲线进行拟合。得到下压强与压缩率的关系：

式中，p为压强，c为压缩率。

图3 LichteHW 硅油压缩性试验

活塞杆运动到某位置的压缩率c 可以用压缩的硅油体积ΔV和油缸体积V0比值来表示，令静平衡时硅油悬架减振器挠度为f0，活塞杆截面积Ad。 则静平衡时，压缩率c0可以表示为：

活塞杆运动Δx 后，此时硅油悬架减振器的压缩率c为：

将(4)代入(2)，可求得此时系统压力p，于是有弹簧力F弹与刚度k之间的关系式：

3.2 阻尼力理论模型

根据流体力学相关知识，硅油悬架中流体介质为粘度较大的硅油时，其本构方程遵循剪切稀化流体的规律[2]：

式中，μ为稠度系数，m为流动指数。

流体介质为小粘度硅油时，m近似等于1，硅油可近似看做牛顿流体，此时μ即为流体动力粘度。

硅油悬架减振器阻尼孔属于细长孔，对于细长孔阻尼力的分析，可借鉴两平行平板之间的流体流动的分析方法[3]。阻尼孔中取出一个微元体如图4所示。

图4 微元体受力分析

根据流体力学相关知识[4]，减振器阻尼力可表示为：

式中, r为活塞杆半径；R为油缸内径；r孔为阻尼孔半径；n为阻尼孔个数；v为活塞杆相对油缸的速度；L为阻尼孔宽度。

其中，μ为流体动力粘度，Crook等学者通过大量实验[5]，提出硅油的动力粘度与温度和压力有关，它们的关系可以近似表达为：

式中，p0为标准大气压，即0.1 MPa；μ0是硅油在标准大气压和温度T0为25℃时的动力粘度，单位为MPa·s；λ是粘温系数，单位是1/℃；α是粘压系数，单位是1/MPa。

假设硅油悬架散热良好，硅油悬架减振器运行过程近似温度不变，则硅油动力粘度与压力关系式为：

因为硅油悬架减振器活塞杆运动过程中，硅油被压缩，系统压力变化，由前面分析可知，系统压力与活塞杆相对位移有一定函数关系。因此，硅油动力粘度与活塞杆相对运动Δx具有一定函数关系，即：

3.3 输出力模型

硅油悬架减振器的阻尼力是与速度有关的量，即与时间有关的瞬态量，硅油悬架减振器的刚度是与位移有关的量，活塞杆往复运动过程中，硅油悬架减振器瞬态的输出力F总，有：

式中，F阻尼为阻尼力；F弹为弹性力；Ft为活塞杆惯性力；md为活塞杆质量；a为活塞杆相对运动加速度。

除此之外，硅油悬架减振器在运动过程还受到与缸体间产生的摩擦力，为了分析方便，忽略摩擦力的影响，而活塞杆惯性力相对活塞输出力极小，也可忽略。于是活塞往复运动过程中的输出力：

4 硅油悬架变刚度阻尼方案

4.1 Matlab仿真分析

依据硅油悬架减振器的理论模型，利用Matlab软件进行仿真研究。研究过程采用单一变量法，即研究其中一个参数的同时保持其他参数为初始值的方法。表3为硅油悬架减振器仿真参数，图5是硅油悬架减振器阻尼孔大小对硅油悬架减振器输出力的影响，图6是硅油悬架减振器缸体体积对硅油悬架减振器输出力影响。

表3 硅油悬架减振器仿真参数

图5的仿真结果表明，硅油悬架减振器的输出力受阻尼孔孔径影响较大，随着阻尼孔面积的减小，力位移曲线倾斜的趋势不变，但包围的面积显著变大，这表明硅油悬架的阻尼受到油液流通面积影响较大。通过改变硅油悬架减振器的硅油流通面积，可以较显著地改变硅油悬架的阻尼。

图5 阻尼孔大小对硅油悬架减振器输出力的影响

图6 油缸缸体体积对硅油悬架减振器输出力影响

图6 的仿真结果表明，硅油悬架减振器缸体体积，对曲线包围的面积基本没有影响，但对曲线整体的倾斜角度有较大影响，即对系统的刚度有较大影响。分析表明，增大硅油减振器初始容积，能较为显著地降低系统刚度。

仿真分析表明，通过对硅油悬架减振器主缸体的进一步设计，可以实现硅油悬架刚度阻尼的调节：外加阻尼调节阀，通过控制阻尼调节阀开度来实现阻尼调节；增加副油缸，通过刚度调节阀实现副油缸与主缸体的联通，通过控制刚度调节阀的开关，可以实现硅油悬架系统刚度的调节。硅油悬架阻尼刚度调节原理如图7所示。

图7 硅油悬架阻尼刚度调节原理图

4.2 台架试验验证

依据4.1节提出的硅油悬架变阻尼刚度调节方案，对硅油悬架减振装置进一步设计。依据国家标准对设计装置进行台架试验，如图8所示。

图8 硅油悬架减振器台架试验

图8 (a)为硅油悬架减振器台架整体，图8(b)为外加副油缸，图8(c)为外部阻尼调节阀。

试验中，硅油悬架减振器固定在试验台上，通过驱动电机带动凸轮，推动活塞杆往复运动，利用传感器及上位机，对硅油悬架减振器输出力进行数据采集，试验台工作原理如图9所示。

图9 试验台工作原理图

试验目的是为了验证硅油悬架减振装置刚度阻尼控制的有效性，设计的试验工况如表4所示。利用传感器和上位机对数据进行采集处理，得到如图10所示，各工况悬架减振器输出力与活塞杆相对位移的关系。

图10 硅油悬架减振器试验工况对比

从工况1到工况3的试验对比分析表明，改变油缸容积过程中，硅油悬架减振器输出力和活塞杆位移曲线的斜率变化明显，可见通过改变硅油油缸容积能够有效地调节刚度。从工况4到工况6的试验分析表明，在控制外部阻尼调节阀开度过程中，输出力与活塞杆位移曲线包围面积变化较为明显，可见通过外部阻尼调节阀可有效调节阻尼。

表4 硅油悬架减振器试验工况

5 结语

本文阐述了一种安装于某型伤员运输车辆上新型悬架——硅油悬架的结构原理、设计依据，通过悬架油液性质，悬架减振器结构以及流体力学相关知识，建立了硅油悬架力学模型，得出了硅油悬架的力学特性。通过在Matlab软件中进行仿真与分析，提出了硅油悬架变刚度阻尼的方案，而硅油悬架减振器的进一步设计及试验也验证了方案的有效性。

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

[2]黄文润．硅油及二次加工品[M].北京：化学工业出版社,2004.

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

[4]张同忠.粘滞阻尼器和铅阻尼器的理论与试验研究[D].北京工业大学,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，硕士研究生，现从事特种车辆仿真研究。

2017-09-18