轮式装甲车用双气室油气弹簧阻尼特性分析

2022-12-30郝金玉高志远邢永海侯占威李松梅

青岛科技大学学报（自然科学版） 2022年6期

郝金玉,高志远,邢永海,侯占威,许婷,李松梅*

(1.驻大连地区第一军事代表室,辽宁大连 116113;2.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061)

油气弹簧作为车辆悬架关键的减振装置,其阻尼特性直接影响到车辆的缓冲和吸振性能,为了提高油气弹簧的缓冲和吸振性能,阻尼特性的影响因素成为了重点研究对象。

近年来,各国学者对油气弹簧做了许多研究。樊冰村等[1]建立了阀系节流通道的串并联模型,研究了阀芯常通孔等关键参数对阻尼力值的影响规律;王靖岳等[2]结合理想气体状态方程建立了油气弹簧的非线性数学模型,考察了活塞运动摩擦力等因素对二级压力式油气弹簧的阻尼特性影响;SUN等[3]根据油气弹簧的物理结构,在建模过程中应用Blasius公式,并通过实验验证了阻尼系数变化对车架加速度、悬架挠度的影响;ELS等[4]对半主动油气弹簧进行设计并通过AMESim软件进行仿真,通过改变阻尼孔和过流面积等因素发现阻尼特性发生了显著变化;FELEZ等[5]对连通式油气悬架建立了非线性数学模型,验证了功率键合图法建立数学模型的正确性;段福斌等[6]根据阻尼力的产生机理建立减振器阻尼力模型,利用蒙特卡洛抽样法得到阻尼力的分布;幸芦笙等[7]用Matlab建立整车动态模型以及路面谱数学模型,研究油气式减振器的阻尼参数对整车平顺性的关系;庄德军[8]建立了工程车用油气弹簧的非线性数学模型,并通过试验验证了模型的正确性。目前对于阻尼特性分析还停留在单气式油气弹簧,本研究针对新型双气室油气弹簧的阻尼特性进行更深入的研究,考察阻尼孔直径、激励幅值及频率等因素对新型双气室油气弹簧的影响,研究提高油气弹簧承载能力和减振能力的方法。

1 新型双气室油气弹簧数学模型的建立

图1 双气室油气弹簧结构图Fig.1 Structure diagram of dual-chamber hydro-pneumatic spring

图2 双气室油气弹簧简化模型Fig.2 Simplified model of double-chamber hydro-pneumatic spring

根据油气弹簧的工作原理,可知油气弹簧的阻尼力主要分为3部分:第1部分为阻尼阀系引起的阻尼力[9];第2部分为管道局部压力损失引起的阻尼力,为油液流速的函数[10];第3部分为活塞与油气弹簧缸筒内壁的摩擦力,由于润滑良好,通常可忽略[11]。

由第1部分引起的阻尼力为

式(1)中:A1为阻尼孔的等效面积,m2;A2为单向阀的等效面积,m2;Cd为流量系数,取Cd＝0.7;p2为B腔室的压力,Pa;p3为C腔室的压力,Pa;S3为C腔室环形面积,m2,活塞上下运动的速度为,m·s－1;sign()为符号函数;ρ为标准状态的液密度。

由第2部分引起的阻尼力可表示为

式(2)中:p1为A腔室压力,Pa;pR为管路压力,Pa;S1为A腔室液压面积,m2;A4为右管路截面积,m2;ξ1、ξ2、ξ3、ξ4为压力损失系数,ξ1＝0.5,ξ2＝1,ξ3＝1,ξ4＝0.5。

总阻尼力为FC＝FC1＋FC2,复原行程时,＞,压缩行程时,代入总阻尼力中表达式为

对阻尼力式中的求导,可得油气弹簧的阻尼系数为

从式(3)中可知,新型油气弹簧复原行程和压缩行程中得到的阻尼力均与活塞运动速度的平方有关,可知阻尼力和速度之间是非线性关系。

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2 新型双气室油气弹簧阻尼特性分析

通过使用MATLAB/Simulink模块对前文所述数学模型分析并进行数值求解,用8×8轮式装甲车辆的参数进行综合分析。

油气弹簧的阻尼特性是用传递到车身的不同激励产生的振动能量消耗速度来表示的[12],对油气弹簧施加不同的激励,分析参数对油气悬架阻尼特性的影响[13]。

取正弦激励信号[14]:

不考虑相应速度相位差时的激励信号表达式为[15]

本研究所模拟的轮式装甲车的具体参数如表1所示,模拟时选取装甲车总质量的1/8进行设置。双气室油气弹簧阻尼特性曲线如图3所示,图3(a)中所包围的面积表示能量的损耗,上曲线为复原行程,下曲线为压缩行程,当油气弹簧处于平衡位置时,复原阻尼力约为960 N,压缩阻尼力约为300 N,复原阻尼力是压缩阻尼力的3～4倍。从图3(b)中得到阻尼力与速度为非线性关系,当活塞运动速度为0.08 m·s－1时,压缩行程和复原行程阻尼力分别为200、700 N,两个行程的阻尼力都随着速度的增加而增长,并且复原行程增长速率约为压缩行程的2.5倍。由图3(c)可知,阻尼系数与速度呈线性关系,两个行程的阻尼系数都有随速度增长的趋势,并且复原行程增长速率约为压缩行程的1.5倍,整体呈现对号的形状。

表1 8×8轮式装甲车具体参数Table 1 Specific parameters of 8×8 wheeled armored vehicles

图3 双气室油气弹簧阻尼特性曲线Fig.3 Damping characteristic curve of double-chamber hydro-pneumatic spring

在电液伺服振动台设备上搭建了试验台进行实验,对本研究所设计的新型双气室油气弹簧进行实验验证。油气弹簧两个气室的初始充气压力值设定为实际工况下的1/3,输入信号的幅值A＝0.028 m,频率为1.2 Hz。得到的复原和压缩行程的阻尼力分别为3 105和860 N,实验数据如图4所示。

图4 阻尼特性实验结果分析曲线Fig.4 Analysis curve of experimental results of damping characteristics

从实验结果可以看出,伸张阻尼力大约是压缩阻尼力的3～4倍,与仿真数据基本吻合,验证了理论建模及仿真分析的正确性。

3 结构参数对阻尼特性的影响分析

通过MATLAB/Simulink模块对双气室油气弹簧数学模型在不同影响因素下的阻尼特性进行求解,得到各个影响因素对阻尼特性的影响趋势。

3.1 阻尼孔直径

图5为改变阻尼孔直径对阻尼力的影响趋势,阻尼孔直径由9 mm增至13 mm,其有效过流面积由63.6 mm2增至132.7 mm2,伸张行程的最大值从1 158 N降低到842 N,压缩行程变化很小。由图5(b)和图5(c)得到增大阻尼孔直径均使曲线的增长趋势减缓,对复原行程的影响更加显著,并且减缓程度逐渐降低。

图5 改变阻尼孔直径对阻尼特性的影响Fig.5 Effect of changing the diameter of the orifice on the damping characteristics

3.2 缸筒内径

如图6(a)所示,改变缸筒内径使得复原行程阻尼力的最大值从582 N增加到1 448 N,压缩行程阻尼力的最大值从205 N增加到486 N,缸筒内径的增大导致示功图面积增加。由图6的(b)、(c)可知,阻尼力特性曲线和阻尼系数特性曲线的增长速率都有不同程度的增加。在活塞运动0.08 m·s－1速度下的复原阻尼力和压缩阻尼力分别从450.2 N增加到1 100 N,从150.8 N增加到372.6 N,复原行程增长幅度约为压缩行程的6倍。阻尼系数在0.08 m·s－1速度下分别增长了1.5和0.45,从结果可以看出,缸筒内径对阻尼特性曲线影响最大,对复原行程影响显著。

图6 改变缸筒内径对阻尼特性的影响Fig.6 Effect of changing the inner diameter of the cylinder on the damping characteristics

3.3 单向阀有效过流面积

从图7(a)中可以看出,改变单向阀的有效过流面积使得压缩行程阻尼力的最大值从380.5 N减小到289.3 N,由于复原行程单向阀关闭,复原行程没有变化。从图7(b)、(c)可以看出,压缩行程的阻尼力和阻尼系数的增长速率也有减小的趋势,在压缩行程0.08 m·s－1的速度下,阻尼力从285.1 N减小到202.1 N,阻尼系数从0.65减小到0.5,阻尼系数特性曲线开口逐渐变大,但是单向阀有效过流面积的影响也在逐渐减小。

图7 改变单向阀有效过流面积对阻尼特性的影响Fig.7 Effect of changing the effective flow area of the one-way valve on the damping characteristics

3.4 环形腔面积

图8为改变环形腔面积对阻尼特性曲线的影响趋势。

如图8(a)所示,改变环形腔面积使得阻尼力复原行程最大值从908.3 N增大到1 203.1 N,增长幅度较大,压缩行程增长不明显,约为复原行程增幅的1/5。从图8(b)、(c)中可以看出,阻尼力和阻尼系数均有增大的趋势,并且增大速率不断变大。从整体来看,环形腔面积对油气弹簧的复原行程影响显著,对压缩行程影响较小。

图8 改变环形腔面积对阻尼特性的影响Fig.8 Effect of changing the area of the annular cavity on the damping characteristics

3.5 阻尼孔个数

增加的阻尼孔个数对油气弹簧阻尼特性的影响较小,如图9(a)所示,阻尼孔从1个增加到3个,复原行程的阻尼力从969.2 N减小到873.6 N,压缩行程变化不大。从图9(b)、(c)可以看出,油气弹簧两个行程的阻尼力均呈现减小的趋势,在复原行程0.08 m·s－1速度下,阻尼力从700.3 N减小到612.4 N,阻尼系数从1.75降低至1.6,相同速度下阻尼力的降低幅度不大,压缩行程减小幅度约为复原行程的1/3。