油气弹簧刚度特性研究

摘 要：随着科技的发展和社会的进步，人们对车辆的要求不仅仅局限于一种简单的交通运输工具，对乘坐舒适性和操纵稳定性有了更高的要求，这也意味着对悬架刚度特性、车身高度调节以及阻尼控制有更严格的要求。液压悬架具备车高可调、刚度非线性、阻尼可控等有优越特性极大满足高端汽车对悬架性能的特殊要求。而油气弹簧是液压悬架最为重要组成部分，油气弹簧刚度则是悬架系统最为重要的参数指标之一。因此，研究油气弹簧刚度的特性具有重要意义。

关键词：液压悬架 油气弹簧 油气弹簧刚度

1 绪论

近年来，随着人们对车辆的悬架性能越来越高的性能需求，液压悬架以其大承载、非线性刚度、多级刚度、大刚度、可调阻尼等特性被越来越多车型所应用，代表车型有雷克萨斯LX570、雷克萨斯LX600、雪铁龙C6、仰望U8、方程豹豹5等[1]。液压悬架是悬架技术发展重要方向，而油气弹簧刚度是液压悬架设计极其重要指标，本文通过理论推导，Amesim仿真验证，明确了油气弹簧理论计算公式，探究了敏感因素的影响规律，可为液压悬架设计中悬架刚度匹配计算时提供理论依据。

2 油气弹簧原理

油气弹簧主要由减振器、阻尼控制模块、蓄能器、液压管路等部分组成，如图所示。当汽车行驶过程中，悬架受到路面激励负载增大，减振器压力上升减振器油液通过管路流经阻尼控制模块进入蓄能器，蓄能器气室被压缩，减振器压缩运动；当悬架负载减小时，减振器压力下降，蓄能器气室膨胀，蓄能器油液通过管路流经阻尼控制模块进入减振器，减振器复原运动。

由于油气弹簧的弹性力由蓄能器内的气体状态变化所提供，是一个非线性的变化过程，导致油气弹簧刚度也呈非线性变化。这一特性相较于螺簧固定刚度更利于车辆稳定，提升车辆操控性能。

3 油气刚度理论计算

根据系统需求，油气弹簧会配备单个蓄能器或多个蓄能器。通过设置不同的蓄能器气室预充压力，可以实现不同蓄能器介入系统作用条件区分；通过蓄能器与开关阀配合使用，可以实现油气弹簧多级刚度功能，当开关阀将蓄能器与减振器隔离后，油气弹簧刚度将会增大。因此，在油气弹簧刚度理论分析计算时需要有单蓄能器计算方法与多蓄能器计算方法，以满足实际需求。阻尼模块会对油气刚度有一定的影响，当减振器运动速度较低时，阻尼模块对油气刚度的影响较弱，本文进行油气刚度理论分析时是基于忽略阻尼因素影响条件下进行[2-3]。

3.1 单蓄能器油气弹簧刚度推导

单蓄能器油气弹簧原理如图1所示，减振器输出力为：

公式1：

式中：——减振器现工作压力；

——减振器有效工作面积。

根据气体状态方程有：

公式2：

则有：

公式3：

式中：——1#蓄能器预充压力；

——1#蓄能器气室容积；

——工作压力下1#蓄能器气室容积；

——气体多变指数，取值范围1.0～1.4。

将公式 3代入公式 1可得：

公式 4：

根据刚度定义，可得刚度计算公式如下：

公式 5：

式中：——减振器位移。

将分子分母同时乘于减振器作用面积，则有：

公式 6：

式中：——减振器油液变化体积。

同时有：

公式 7：

将23d7Z3Iy9CI/k4KorgvR9g==公式 4、公式 7代入公式 6得：

公式 8：

化简得：

公式 9：

3.2 双蓄能器油气弹簧刚度推导

双蓄能器油气弹簧原理如下图所示：

由于双蓄能器的油液变化是由两个蓄能器共同作用的，则有：

公式 10：

式中：——1#蓄能器气室容积变化；

——2#蓄能器气室容积变化；

——1#蓄能器气室容积；

——工作压力下1#蓄能器气室容积；

——2#蓄能器气室容积；

——工作压力下2#蓄能器气室容积。

根据波义耳定律有：

公式 11：

式中：——1#蓄能器气室预充压力；

——2#蓄能器气室预充压力。

将公式 10代入公式 6得：

公式 12：

将公式 11代入公式 12得公式 13：

进一步化简得公式 14：

将公式 11代入上式得公式 15：

同理可推导i个蓄能器的油气刚度理论计算公式为公式 16：

式中：——工作压力下第i#蓄能器气室容积。

3.3 油气弹簧刚度敏感因素

根据公式16可知油气弹簧刚度是非线性刚度，与传统螺旋弹簧固定刚度有着巨大区别。同时，油气弹簧刚度与工作压力、执行器工作面积以及蓄能器当前状态的气室容积相关。并且，可以确定油气弹簧刚度与执行器工作面积成正比、与蓄能器当前气室容积成反比、与油气悬架当前工作压力成正比。

4 油气弹簧刚度仿真计算

上述已推导油气弹簧刚度理论计算公式，为验证其准确性，搭建基于AMESim仿真平台的油气悬架模型，仿真计算油气刚度，对比分析仿真结果与理论计算结果[4]。

4.1 单蓄能器油气弹簧仿真

单蓄能器弹簧仿真模型如下图所示：

如上图所示，仿真模型设置相应减振器初始工作压力，然后减振器在外力作用下缓慢压缩，克仿真得到减振器的力位移曲线，进而得到减振器刚度曲线。

仿真参数如下表所示：

减振器输出力与位移的仿真曲线如下图所示：

将上诉仿真曲线进行求导获得减振器刚度曲线，如下图所示：

由刚度曲线可知减振器70bar工作压力的刚度为121.20N/mm，将表 1参数代入公式 9可计算出理论刚度为126.94N/mm，两者误差为4.5%，理论值与仿真值接近，上述推导单蓄能器油气弹簧刚度理论计算方法可靠度高。

4.2 双蓄能器油气弹簧仿真

双蓄能器弹簧仿真模型如下图所示：

仿真参数如下表所示：

减振器输出力与位移的仿真曲线如下图所示：

将上诉仿真曲线进行求导获得减振器刚度曲线，如下图所示：

由刚度曲线可知减振器70bar工作压力的刚度为65.50N/mm，将表2参数代入公式15可计算出理论刚度为67.94N/mm，两者误差为3.6%，理论值与仿真值接近，上述推导双蓄能器油气弹簧刚度理论计算方法可靠度高。

5 总结

上述仿真已验证油气弹簧刚度的理论计算公式准确可靠，通过理论计算公式分析出油气刚度与减振器有效工作面积的平方成正比，与蓄能器当前气室容积成反比、与减振器当前工作压力成正比。在油气弹簧刚度设计时可以使用上述刚度理论计算模型进行匹配校验，具有实际工程应用意义。

参考文献：

[1]王洪艺.车用油气弹簧的设计、仿真与分析[D].长春：长春理工大学，2014.

[2]李占芳，仝军令，李威.单气室油气弹簧的优化设计研究[J].振动与冲击，2011，30（4）：166-172.

[3]任侠，邢永海，侯占威，等.装甲车用双气室油气弹簧刚度特性分析与研究[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2023，44（3）：97-101.

[4]郭孔辉，徐文立，徐达伟.基于AMESim的新型油气弹簧建模与仿真[J].江苏大学学报（自然科学版），2012，33（5）：497-501.