农用车辆阻尼可调油气悬架的刚度特性分析与试验

吕宝占，王 爽，胡爱

(1.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454000；2.南京农业大学工学院，江苏南京 210031)

由于受恶劣的行驶路面状况和简陋的车辆悬架系统配置等因素的影响，非公路车辆(如农用车辆、工程车辆、矿用自卸车等)的振动相比公路车辆(如轿车、载重汽车等)来说要剧烈得多。随着非公路车辆作业速度和人们对驾乘舒适性要求的提高，非公路车辆的减振问题受到越来越多的关注。相关研究表明，油气悬架具有单位蓄能能力大、易于实现刚性闭锁等优点，并能使车身振动的固有频率保持基本不变，保证车辆具有良好的行驶平顺性，安装合适的油气悬架系统是改善非公路车辆振动特性的有效方法之一[1]，通过改变油气悬架系统的刚度和阻尼，可以使车辆的作业性能与平顺性、操纵稳定性在各种不同工况下达到最佳组合。

近年来，国内外学者对非公路车辆油气悬架的研究取得了一定的成果。Solomon等将1个主动阻尼器与1个气体弹簧并联使用，提出了1种用于履带式车辆的半主动油气悬架系统，通过试验证明，该系统在不影响被动悬架车辆行驶性能和承载能力的基础上提高了乘坐舒适性[2]；Cao等构建了载重汽车1/4车体非线性模型，验证了全车互联式油气悬架在提高车辆平顺性和操纵稳定性方面的性能潜力[3]；甄龙信等通过矿用自卸车单气室油气悬架的仿真与试验，在不同的充气压力下，对单气室油气悬架进行台架试验研究，分别测得油气悬架的输出力和缸筒相对于活塞杆的位移[4-5]；陈思忠等设计了1种越野车辆外置串联阀式阻尼可调双气室油气悬架，建立了油气悬架非线性数学模型，并研究了阀系参数对油气悬架阻尼特性的影响[6]；赵敬凯等在考虑悬架快速加载和油液通道的附加阻力、进口局部阻力、弯道阻力的基础上，仿真得到油气悬架非线性力学特性，建立了包含柔性化车架的整车刚柔耦合模型，研究和优化了矿用自卸车油气悬架的悬架力学特性[7]。

针对国产某半车架拖拉机的振动特性，考虑整体结构特点，笔者设计了1种可用于前轴的阻尼可调式油气悬架[8]，通过分析其工作原理，对阻尼可调式油气悬架的刚度特性进行理论分析和试验研究，得到各参数对该油气悬架刚度特性的影响规律，并为开发适用的前轴油气悬架系统提供有效依据。

1 油气悬架的结构与工作原理

阻尼可调式油气悬架结构原理如图1所示，该结构为单气室分离式油气悬架，由油气弹簧本体和间接测量装置组成。液压阀组是由单向阀和节流阀(球阀)串联后与另一节流阀(球阀)并联而成，开关阀1为常开式，当在特殊作业场合(如须要提高整机刚度)须关闭油气悬架时使用。开关阀2在油气悬架工作时处于关闭状态。

活塞杆末端与车架连接，悬架缸底端与车桥(或车轴)连接。假设活塞位置固定，当车轮驶上凸起或滚出凹坑时，缸筒相对活塞杆向上运动，无杆腔内油液压力升高，有杆腔内油液压力降低，油气悬架处于压缩行程，无杆腔内一部分油液通过活塞上的阻尼孔流入有杆腔，填充有杆腔后剩余的油液通过节流阀1(锥阀)进入蓄能器的液压油腔，另一部分油液通过单向阀组流入蓄能器的液压油腔，由于此行程下活塞阻尼孔、单向阀组、可调节流阀同时打开，油气悬架产生的阻尼力较小，充分发挥蓄能器内气体的弹性作用，相当于传统悬架的弹簧作用；当车轮驶下凸起或滚入凹坑时，无杆腔内油液压力降低，油气悬架处于还原行程，蓄能器液压油腔内的油液经节流阀1(锥阀)流入悬架缸缸筒的有杆腔，同时，有杆腔内的油液通过活塞阻尼孔流入无杆腔，由于此行程下单向阀和节流阀2处于关闭状态，仅活塞阻尼孔和节流阀1连通，油气悬架产生的阻尼力比较大，能够迅速衰减振动，这一过程相当于传统悬架的阻尼器作用。

2 油气悬架的数学模型

无杆腔的活塞有效工作面积为：

A1=πD2/4。

(1)

式中：D为缸筒内径，mm。

有杆腔的活塞有效工作面积为：

A2=π(D2-d2)/4。

(2)

式中：d为活塞杆外径，mm。

缸筒内径与活塞杆外径的面积比为：

ζ=(D2-d2)/D2。

(3)

油气悬架的预紧力为：

F0=P0(A1-A2)。

(4)

式中：P0为蓄能器氮气腔的初始充气压力，Pa。

氮气按理想气体状态方程计算，可得油气悬架输出力：

(5)

式中：V0为蓄能器氮气腔的初始充气容积，m3；r为气体的多变指数。

将式(5)对x求微分，可得到油气悬架刚度的表达式：

(6)

忽略各液压阀液阻及摩擦力，不考虑蓄能器胶囊伸缩耗能的影响，有下式成立：

(7)

ΔV3=ΔV4=(A1-A2)x。

(8)

当计算油气悬架的静刚度时，取r=1，计算油气悬架的动刚度时r=1.73[9]。

取油气悬架的参数为D=50 mm，d=26 mm，ζ=0.73，P0=4.7 MPa，V0=78 mL，代入式(6)，悬架缸活塞偏离平衡位置的位移与油气悬架的静刚度与动刚度如图2所示。

3 油气悬架的刚度试验

3.1 试验条件

试验中采用的设备为深圳市新三思材料检测有限公司CMT5105型电子万能试验机，试验软件为Power Test V 3.0，试验参数为活塞杆工作行程80 mm、缸筒内径50 mm、活塞杆外径26 mm、氮气室初始体积68、78、88 mL，氮气室初始压力 4.2、4.7、5.2 MPa，试验软件操作界面如图3所示[10]。

3.2 试验数据分析

由于缸筒与活塞之间存在摩擦等因素，油气悬架在压缩行程和还原行程的输出力曲线并不重合，在氮气室初始气体体积为V0=78 mL，初始气体压力为P0=4.7 MPa时，绘制油气悬架在压缩行程和还原行程的静特性曲线。由图4可以看出，油气悬架的输出力表现出较明显的非线性特征，而且油气悬架的摩擦力与气室内气体的压力变化没有明显关系，基本为定值。

作如下2个定义：

Fs=(Fc+Fr)/2；

(9)

fs=(Fc-Fr)/2。

(10)

式中：Fs为油气悬架的输出力，N；fs为油气悬架的摩擦力，N；Fc为油气悬架压缩行程输出力，N；Fr为油气悬架还原行程输出力，N。

3.3 氮气室初始参数对油气悬架刚度的影响

图5为在蓄能器氮气室内气体初始工作体积一定时，不同初始工作压力下的静态输出力的理论值与试验值的比较曲线。由图5可以看出，试验值和理论值是基本吻合的，油气悬架的试验静刚度略大于其理论值，分析其原因主要在于试验过程中油液在各腔的缓慢流动而产生的阻尼对悬架的静刚度造成了一定的影响。

图6为在蓄能器氮气室内气体初始工作压力一定时，不同气体初始工作体积下的静态输出力特性的理论值与试验值的比较曲线。由图6可以看出，试验值和理论值是基本吻合的，由于试验过程中油液在各腔的缓慢流动而产生的阻尼对悬架的静刚度造成了一定的影响，使油气悬架的试验静刚度试验值略大于其理论值。

3.4 氮气室初始参数对油气悬架摩擦力的影响

由图7可以看出，油气悬架的摩擦力随气体初始压力的增加整体呈增加的趋势，但在数值大小上变化不大，在压力变化范围不大的情况下，油气悬架的摩擦力基本可以认为是一个常数。

由图8可以看出，油气悬架的摩擦力随气体初始体积的增加整体呈减小的趋势，但数值变化不大，在气体初始体积变化范围不大的情况下，油气悬架的摩擦力基本可以认为是一个常数。

4 结论

在建立的阻尼可调油气悬架数学模型的基础上，理论分析农用车辆油气悬架的静刚度和动刚度特性，并通过试验研究不同参数对油气悬架刚度和摩擦力的影响规律，将试验数据与理论计算结果进行对比，得出以下主要结论：(1)油气悬架的刚度具有明显的非线性特征，试验数据与理论计算结果基本一致，说明数学模型是正确的；(2)油气悬架的刚度随氮气室内气体初始压力的增加而增加，初始压力对油气悬架刚度的非线性特性影响不明显；(3)油气悬架的刚度随氮气室内气体初始体积的增加而减小，而且初始体积对油气悬架刚度的非线性特性影响明显；(4)活塞与悬架缸之间的摩擦力基本为定值。

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[2]Solomon U，Padmanabhan C.Semi-active hydro-gas suspension system for a tracked vehicle[J].Journal of Terramechanics，2011，48(3)：225-239.

[3]Cao D，Rakheja S，Su C Y.Roll-and pitch-plane-coupled hydro-pneumatic suspension.Part 2：Dynamic response analyses[J].Vehicle System Dynamics，2010，48(4)：507-528.

[4]甄龙信.油气悬架系统仿真、优化与设计计算研究[D].北京：北京科技大学，2005.

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[6]陈思忠，杨 杰，吴志成，等.外置串联阀式阻尼可调油气弹簧研究[J].汽车工程，2007，29(8)：680，719-722.

[7]赵敬凯，谷正气，张 沙，等.矿用自卸车油气悬架力学特性研究与优化[J].机械工程学报，2015，51(10)：112-118，128.

[8]吕宝占，刘志怀，朱思洪.利用MATLAB/Simulink的油气悬架输出力分析[J].现代制造工程，2014(5)：31-36.

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[10]吕宝占.非公路车辆前轴油气悬架系统动力学特性研究[D].南京：南京农业大学，2008.