基于气压减振器的车辆悬架振动研究

谭鹏宇，唐岚，董明丰

基于气压减振器的车辆悬架振动研究

谭鹏宇，唐岚*，董明丰

（西华大学 汽车与交通学院，四川 成都 610000）

文章介绍一种采用高压氮气为内部工作介质、纯气压的减振器，用以提升车辆驾乘过程中的舒适度与安全性。首先研究了减振器结构特点；其次经过理论仿真和台架试验研究了示功特性；最后利用悬架匹配试验台测试，将气压减振器与H9原装液压减振器进行性能对比。试验表明：气压减振器最小接触力的平均值提升12.13%，位移幅频特性减小25.19%，输出加速度均方值减小28.23%，因此对于提高车辆的驾乘舒适性和安全性是有效、可行的。

气压减振器；仿真；试验；示功特性；性能对比

引言

目前，液压减振器和气-液混合减振器被广泛应用于现代汽车，相较而言气压减振器则使用极少，尚处于起步阶段。但经过测试发现气压减振器其阻尼特性和最大接触力优于液压减振器，与此同时其内部工作介质也有很多优点，例如获得途径简单、化学性质稳定、清洁等，让其具有成本低、工作可靠性高以及环保的优势。因此该类减振器具有较大的发展潜力。

当前，纯气压减振器的研究很少，但其工作特点类似于液压减振器和空气弹簧的组合，因此研究方法可参考空气弹簧。国外研究方面，Gerhard Fischer[1]等人提出了一类空气弹簧的耐久性试验方法；Haider J[2]等人设计了空气弹簧阻尼器和磁流变（MR）阻尼器的混合执行器；Chulhee Han[3]等人证明了空气弹簧悬架等效系统可以产生接近被动悬架系统的响应。国内清华大学杨超[4]结合空气悬架和钢板弹簧悬架设计形成钢板弹簧-空气弹簧复合悬架；西南交通大学罗英昆[5]探究得到了空气弹簧垂向特性与其结构参数之间的非线性关系；海军工程大学徐国敏[6]设计了一种承载能力大、空间适用性高的长方体形囊式空气弹簧。

本文研究了一种单筒、单出杆、纯气压式减振器，通过对该减振器进行了综合输出力的分析，并利用MATLAB/ SIMULINK仿真平台与实际示功试验进行分析对比，证明其输出性能的有效性，最后进行1/4悬架性能试验，并将其与传统液压减振器的性能对比，验证了在实际加载工作条件下性能的提升。

1 气压减振器结构

气压减振器由于其工作介质以及工作时的反应不同，因此结构也与其他减振器有所差异，主要为未增设补偿腔[7]和底阀，同时仅使用常通孔和单向阀[8]代替了活塞阀系，其结构设计如图1所示。

1—连杆腔；2—连杆；3—活塞；4—单向阀；5—常通孔；6—空腔。

2 气压减振器模型

2.1 综合输出力建模分析

气压减振器的综合输出力由气体力和阻尼力组成。当气压减振器正常运行时，活塞做上下往复运动，运动使气体在两个腔室之间来回流动[9]，由于阻尼孔流量小，而连杆伸入工作腔的体积大，气体不能完全通过阻尼孔，造成了两个端面之间气体压强不相等，并因此产生了气体力。活塞把气压减振器内部隔成上下腔室，在工作过程中高压氮气流经单向阀4和常通孔5，会与其内壁摩擦，从而形成阻尼力[10]。

2.1.1气体力

根据有关研究的经验公式，阻尼力的大小与气体通过细长阻尼孔的流速、压强差等因素有关[11]，而活塞两侧腔室压差和阻尼孔截面积都会影响气体流速，这就需要借助气体压差间接计算阻尼力大小。

工程上对气体流量计算公式如下：

式中：为上下腔的压强差；C为气体流量系数；为气体密度；0为阻尼孔截面积。

对于单一腔体（活塞两侧的某一腔体）的压强计算，由于有一定量的气体通过阻尼孔而发生变化，在计算气体任意状态下的体积变化和压强变化时，使用克拉伯龙方程作为依据较为有效，气体压强表达式为：

式中，为活塞腔初始气体质量且空腔和连杆腔质量相同；为腔体内气体的变化质量；为气体摩尔质量；是初始体积。

由于有连杆占据作用面积，活塞两侧的有效作用面积不相等，综合输出力表达式[12-13]为：

式中，m为连杆腔气体质量；m为空腔气体质量；V为连杆腔体积；V为空腔体积。

2.1.2阻尼力

由阻尼力的计算方法[14]可得出气压减振器综合输出力中的阻尼力为：

式中，为活塞运行速度；为阻尼系数，但不同工况下阻尼系数不同，查阅相关资料，得到阻尼系数的计算公式为：

式中，为气体密度；为活塞净有效面积；为阻尼孔个数。

因此，筒式气压减振器的综合输出力为：

3 仿真与试验

3.1 综合输出力分析

该减振器的机构参数如表1所示，采用MATLAB中SIMULINK及GUI工具对综合输出力进行仿真，依照中华人民共和国汽车行业标准“QC/T545—1999”进行试验，试验主要为获取减振器综合输出力曲线，设备如图2所示。

图2 减振器台架试验

表1 减振器的结构参数

参数数值 活塞缸缸内直径D/mm44 连杆直径d/mm18 活塞阻尼孔径d0/mm1 活塞阀口直径d1/mm3.2 活塞腔有效长度L/mm135 静态气压/MPa1 振幅/mm100

图3 气压减振器示功特性仿真与试验结果

3.2 悬架性能匹配实验

3.2.1实验设备

实验车型为Haval H9，全车整备质量2 400 kg，为测试整车极限承载条件下的振动特性，实验加载为940 kg，因此，1/4悬架匹配实验台配重为835 kg，同时采用正弦运动作为本次试验激励。

图4 悬架性能匹配试验台

3.2.2液压与气压减振器性能对比

图5 液压与气压减振器的频域性能对比图

图5为液压与气压减振器的频域性能对比图，紫红色曲线代表H9原装液压减振器，蓝色曲线代表静态气压值为1.0 MPa时的气压减振器。

由图5可知，气压减振器在位移幅频特性和加速度均方根值的平均水平上，比原装液压减振器有明显的下降；同时气压减振器最小接触力的最小值都高于液压减振器，其中最小接触力的平均值相比液压减振器提升12.13%，位移幅频特性减小25.19%，输出加速度均方值减小28.23%。

4 结论

通过在1/4悬架匹配实验台的分析，相比于Haval H9原装液压减振器，筒式气压减振器在性能上有显著的提升，输出加速度均方根值、幅频特性和最小接触力指标都有较大的进步。因此筒式气压减振器对车辆行驶安全、乘员舒适性上具有明显的改善。

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Research on Vehicle Suspension Vibration Based on Pneumatic Shock Absorber

TAN Pengyu, TANG Lan*, DONG Mingfeng

( School of Automobile and Transportation, Xihua University, Sichuan Chengdu 610000 )

This paper introduced a shock absorber that uses high-pressure nitrogen as the internal working medium and pure air pressure to improve the comfort and safety of the vehicle during driving. Firstly, the structural characteristics of the shock absorber are studied; secondly, the indicator characteristics are studied through theoretical simulation and bench test; finally, the performance of the air shock absorber is compared with the H9 original hydraulic shock absorber by the suspension matching test bench test. The test shows that the average value of the minimum contact force of the air shock absorber is increased by 12.13%, the displacement amplitude-frequency characteristic is reduced by 25.19%, and the mean square value of the output acceleration is reduced by 28.23%. Therefore, it is effective and feasible to improving the driving comfort and safety of the vehicle.

Pneumatic shock absorber;Simulation;Test;Indicator characteristics;Performance comparison

U463.1

A

1671-7988(2021)23-26-04

U463.1

A

1671-7988(2021)23-26-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.008

谭鹏宇，男，研究生，就读于西华大学汽车与交通学院，研究方向：汽车振动。

唐岚，教授，就职于西华大学汽车与交通学院。

四川省科技支撑重点项目（2019YFG 0042）；四川省科技厅国际合作项目（2018HH0125）。