汽车油气悬架系统设计

1目录一、绪论 51.1 概述51.2 油气悬架特性61.3 国内外研究现况71.4 本课题研究意义和研究内容9二、油气悬架的结构形式和工作原理 102.1 系统分类102.2 单气室油气弹簧102.3 双气室油气弹簧122.4 两级压力气室油气弹簧12三、油气悬架系统建模 133.1 概述133.2 单气室油气弹簧非线性模型133.2.1 单气室油气悬架物理模型的建立133.2.2 单气室油气悬架数学模型的建立143.2.3 单气室油气悬架参数的确定213.3 双气室油气弹簧非线性模型223.3.1 双气室油气悬架物理模型的建立233.3.2 双气室油气悬架数学模型的建立243.3.3 双气室油气悬架参数的确定26四、油气悬架系统特性分析304.1 概述304.2 非线性特性影响因素304.3 刚度特性314.3.1 油气悬架刚度特性公式推导 314.4 阻尼特性324.4.1 油气悬架阻尼特性公式推导 32五、一种单气室阻尼可变油气分离式弹簧的设计355.1 设计背景说明355.2 设计内容及构成355.3 附图说明365.4 具体工作过程41六、总2结42 参考文献 43致谢443汽车油气悬架系统设计摘要 车身的原有的振动决定了汽车的舒适性和平顺性，车身的固有振动频率特性与悬架的特性有关。车架和车桥之间的传输力和力矩的连接装置叫做悬架，用来缓冲车辆行驶过程中遇到的路面颠簸带给车身或车桥的振动，同时降低由其带来的冲击。油气悬架有很好的非线性刚度特性和非线性阻尼特性，车辆采用这种悬架系统可达到汽车平稳运行，减少道路的颠簸，缓解驾驶疲劳，提高车辆的乘坐舒适性。因此，对油气悬架系统性能的设计与研究对车辆的乘坐舒适性具有重要的意义。在单汽缸油气弹簧为基础的研究对象上，主要工作集中在以下几个方面：首先悬架系统的发展历程，实际应用，研究现况，然后叙述了悬架的分类和各自的技术特点。然后建立了粗糙的油气悬架的物理模型和数学模型，分析油气悬架系统特性的影响因素，在此基础上，设计了一种新型结构的基于整车油气悬架的试验台，它的负载量是可变的、油气是分离式的。关键词：油气悬架 非线性特性 整车油气悬架结构设计 4Research and design on vehicle hydro pneumatic suspension systemAbstract The original vibration body determines the vehicle ride comfort, the inherent characteristics of vibration characteristics of car body and suspension of relevant. Suspension is the frame and the axle between all general force transmission connection device, buffer in automobile driving process caused byroad excitation and transmitted to the frame or body of the impact force, while attenuating vibration caused by it. Oil air suspension has good nonlinear stiffness and damping characteristics, the suspension of vehicles run smoothly, reduce the road bumps, relieve fatigue, improve vehicle ride comfort. Therefore, study on the performance of hydro pneumatic suspension system has important practical significance to improve vehicle ride comfort.Based on the single cylinder oil gas spring as the research object, research work is carried out mainly in the following aspects:First introduced the development course, suspension system application,research status at home and abroad, then expounds the suspension classification and respective technical characteristics. Then a mathematical model of the physical model of oil gas suspension based on rough set, analyze the influencing factors of hydro pneumatic suspension system characteristics,design a new structure of single chamber damping force variable separation of oil and gas spring and on this basis, hope to provide some reference for other colleagues to further research and accurate design.Key words：hydro-pneumatic suspension modeling Nonlinear characteristics Structure design5第一章 绪论1.1 油气悬架系统简述悬架是现代汽车上重要的总成之一，它把车架与车轴之间弹性的连接起来其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩，缓和路面传给车架的冲击载荷，保证汽车行驶的平顺性，使车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车操作稳定性，使汽车获得高速行驶能力。悬架一般是由弹性元件、导向装置、横向稳定器、减振器和导向机构等机构构成。按车辆行驶过程中悬架是否能被控制，可分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架三种类型。不需要外部输入力的悬架叫做被动悬架；通过外部能量输入实现控制力调节的可控悬架叫做主动悬架；输入少量调节阻尼系数的可控阻尼悬架称为半主动悬架。油气悬架的支撑的压力通过液体传递，用惰性气体作为弹性媒介，用弹簧阻尼对车辆的振动和用蓄能器存储或者释放能量的系统。弹簧阻尼的内部节流孔、单向阀等代替了通常的减振器元件形成一种独特的悬架系统。油气悬架弹簧把弹性元件和阻尼元件集中一体，具有很好的非线性弹性特性的和优秀的阻尼性能。油气悬架老早以前就出现在飞机的起落架上，可以提升飞机着陆的安全性和平稳性。后时期，设计师把悬架用于汽车上来提高汽车驾驶的舒适性和操作稳定性。油气悬架是液体和气体组合，利用油液的流动阻力实现减振作用，利用气体的可以被压缩作为悬架的弹性元件，同时用油液的不能压缩实现运动和力的传递。因此，油气悬架不仅具有良好的阻尼特性，更好的是它可以很好地控制汽车的运动状态。1.2 油气悬架特性（1）非线性刚度 传统的车辆大多是以钢板弹簧和阻尼元件为主的悬架，其刚度特性是固定不变的，油气悬架的弹性介质是惰性气体，其刚度特性不是固定不变的、可以随外部的变化而变化的。6（2）非线性阻尼 车架与车轴相对速度主要与油气悬架的阻尼有关,改变减振器阻尼振动，可减轻或车身变化，防止起步或急加速汽车下沉；防止紧急刹车时车头下降；防止汽车急转弯时横向倾斜；防止汽车换挡时纵向摇动等，提高行驶平顺性和操纵稳定性，具有很好的减振性。 （3）车身高度自由调节 不管车辆荷载的大小，可以使车辆保持高度基本不变，当车辆在颠簸路面上，能主动提升高度，防止车桥与道路碰撞；当汽车在状况良好的路面上行驶时，又可以降低车身，以降低空气阻力。这对改善车辆的行驶性能十分有益。 （4）结构紧凑、易于布置 油气悬架的弹簧阻尼没有附带专用的减振器，而是把减振器融进悬架缸内，用浮动活塞将液气分开，更适应车辆大距离行程的需要。同时，油气弹簧系统具有体积小，结构简单，易于拆卸等优点。1.3 油气悬架发展史和国内外研究现况1.3.1 油气悬架在国内外发展与现况对比国内外的发展现状可以看出，国外处于应用阶段，国内还处于理论研究阶段，差距明显，需在以下方面努力:（1） 系统性、基础性研究，这需要研究、设计生产单位增加开发费用，引进和设计试验设备，高校可以借用企业的试验台进行参数研究。既要进行油气悬架理论，仿真方面的研究。又要重视!油气悬架具体结构设计方面的研究。开发独立自主的油气悬架产品（2） 加强结构设计和优化设计方面的研究：如刚度特性，阻尼特性，频率特性的定性定量说明。悬架减振效果的定性定量说明等；（3） 油气悬架的优化设计：不单纯是油气悬架参数的优化，还应该包括不同的油气悬架结构性能差异的对比以及对车辆各种性能的影响。并在设计油气悬架时将优化结果纳入其中。从而大幅度提高车辆性能；（4） 制定通用的研究设计规则：随着油气悬架系统性，基础性研究的加强。理论研究和实际设计的结合以及优化研究的不断深入。需要建立一套通7用的油气悬架的研究设计规则。使油气悬架的研究设计逐渐规范化，系列化；（5） 整车，多桥油气悬架系统虚拟样机的研制。实现参数化，可视化设计。并开发专门的油气悬架的计算机仿真软件；（6） 从被动悬架技术向半主动悬架，主动悬架技术发展。其中微处理器的应用是一个必然的选择。采用电脑控制，最终形成主动自适应智能控制系统。1.3.2 对于国内油气悬架研究现况提出几点看法1）系统性、基础性研究。2）加强优化设计和结构设计方面的研究。3）加强对油气悬架优化的研究。1.4 本课题研究意义和研究内容本课题是基于实验室三轴转向台建设的实际情况提出的，此课题需要根据现有三轴小车悬挂系统的具体结构形式，设计悬挂系统的测试台架，要求所设计台架能够进行振动试验，并且激励平台位于底部，所设计的平台能够始终保持稳定，以及悬挂缸间距离的调整，因此，能够发挥学生的创新能力，锻炼学生的综合设计和动手能力；使学生学会使用专业工具书、学会查阅专业文献，并具备一定的阅读外文资料的能力，了解车辆转向技术发展新动态，鼓励学生进行创新设计。8第二章 油气悬架的结构形式和工作原理2.1 油气悬架结构分类油气悬架有多种形式。按单缸蓄能器形式，分为单气室、双气室、两级压力式等；根据悬挂油缸连接是否可分为独立型和连接型；按车辆行驶过程中悬架控制是否需要外部能量输入分为被动油气悬架、半主动油气悬架和主动油气悬架。按照整体分类，分为独立式和互联式，按油气是否分离可分为油气分离和油气混合型8 。a）独立式油气悬架 b）互联式油气悬架图 2.1 油气悬架的结构形式另外，按照结构形式可分为单气室、双气室、两级压力室等类型。2.2 单气室悬架结构和工作原理图 2 为单气室悬架液压缸的结构，活塞杆里有若干个空腔，通过一些阻尼孔和单向阀将各个腔室连接（A、B 腔） ，蓄能器与 A 腔相通，通过油路和油缸。当车辆受路面刺激，活塞和活塞杆组件可以相对于气缸的往复运动，弹簧在压缩冲程中，A 腔的油液分两部分流动，一是通过管道油路进入蓄能器压缩气体；二是进入 B 腔通过阻尼孔和单向阀。 。在膨胀冲程中的弹簧，B 腔的油被压缩，油强制 B 腔的通孔板流量（同时，单向阀关闭） ，同时由于体积的增大，大于B 腔减小，导致油箱部分到一个腔中的气体压力的蓄能器。9图 2.2 单气室悬架液压缸结构在压缩冲程中，一个单向阀打开，活塞和活塞杆组件的阻尼力相对气缸运动较小，这是对传统弹簧悬架等效；在压缩冲程中，一个单向阀关闭，活塞和活塞杆组件的阻尼力相对气缸运动的较大，这是对传统弹簧悬架等效。2.3 双气室悬架结构和工作原理双气室油气悬架缸结构如图 3 所示，液压缸的内部有 A、B、C 三个油腔，C 腔一方面通过数个阻尼孔和单向阀与 B 腔相通，另一方面通过管道和左蓄能器通过管道连通，空腔是正确的蓄能器相通。在压缩冲程中的弹簧，油腔将被压缩到合适的蓄能器，C 腔的油液因 B 腔容积增大而受到左蓄能器气体压缩进而通过阻尼孔和单向阀进入 B 腔；在膨胀冲程中的弹簧，油腔由于压缩阻尼孔进入左蓄能器，油对由于腔体积增大了对蓄电池的气体压缩蓄能器然后进入室 A8。类似于单室悬架液压缸，在第一种情况下，由于单向阀打开，活塞和活塞杆组件相对缸运动阻尼力小；在后一种情形下，由于单向阀关闭，活塞和活塞杆组件相对缸运动阻尼力大。10图 2.3 双气室悬架液压缸结构2.4 两级压力气室悬架结构和工作原理图 4 所示的结构和两室油气悬架原理。与两室油气悬架和单室油气悬架相比，连接在一个腔上蓄能器 1 和蓄能器 2，形成一个并联的关系。储能器 1 主气室，蓄电池 2 补偿气室，在轻载车，只有主室参加工作，当负载超过临界负荷，补偿室开始参加工作，弹簧的刚度退化，降低振动频率，从而提高车辆的乘坐舒适性。图 2.4 两级压力气室悬架液压缸结构11第三章 油气悬架非线性模型的建立3.1 概述油气悬架由导向元件，弹性元件和阻尼元件组成，弹簧缸是油气弹簧的核心，它是由膜式空气弹簧发展而来的。悬架将传统的弹性元件和阻尼元件组合在一起，以惰性气体（通常是氮气）作为弹性介质，利用气体的可压缩性来吸收和释放能量，就是蓄能器，在弹簧缸体内采用油液作为减振介质，同时可以传递压力，油液通过活塞杆上的压缩阀系和伸张阀系或者外置的阻尼器产生阻尼力用散热的方式来实现衰减振动。具有传统悬挂式悬挂在一方面的功能，另一方面，非线性特性和传统悬架好没有的特征，如身体的高度可调，可调阻尼等。油气悬架的特性对车辆的行驶平顺性及操纵稳定性等性能具有直接影响。油气悬架具有非线性的工作特性，悬架刚度随着传递作用力的增大而增大，可以减少甚至避免非悬架部分对车体的撞击，提高了车辆的行驶平顺性，因此油气悬架非常适用于行驶工况复杂的越野车辆上。为了进一步研究及改善油气悬架对车辆的性能，就需要将油气悬架抽象、简化成物理模型，根据相关的流体及力学理论建立起油气悬架的动力学数学模型，进而分析油气悬架阻尼特性和刚度特性，有需要时还应该根据车辆的性能对油气悬架的结构参数进行优化，以满足车辆对性能的要求。本章首先介绍单气室和双气室油气悬架的物理结构并分析油气悬架的工作原理，建立油气悬架的物理模型和非线性数学模型，最后介绍说明了一种新型油气悬架结构9 。3.2 油气悬架非线性模型的建立3.2.1 单气室油气悬架物理模型根据油气悬架结构建立其物理模型是建立油气悬架数学模型的基础。根据相关文献，把活塞杆上的阀系简化成可变节流孔的结构，孔的面积可以通过阀片变形的开阀面积计算得到。同时，考虑到压缩阀座及复原阀座上的活塞孔直径较大，而且长度较短，因此可以忽略活塞孔的沿程压力损失。基于上述结构12转化，建立的单气室油气悬架模型如图 3.1 所示。图 3.1 单气室油气悬架物理模型图中:P1、P2、 P3 分别为无杆腔、活塞杆腔、无杆腔油液压力；Ac、Ar 分别为压缩阀、复原阀的等效过流面积；Pr、Vr 分别表示蓄能器的气体压力、气体体积；Ac0 为活塞杆腔与有杆腔之间的节流孔总面积；Qr、Qc 分别为复原行程、压缩行程无杆腔与活塞杆腔之间的油液流量10。3.2.2 单气室油气悬架数学模型建立合理的单气室油气悬架数学模型是非常重要的工作，对研究油气悬架非线性特性研究起着至关重要的作用，只有建立合适对的数学模型，才能进一步模拟仿真研究非线性特性，接着才能和整车模型结合，研究装有油气悬架车辆整车的性能表现。在建立单气室油气悬架数学模型之前，为了简化计算进行下列假设:1. 忽略活塞与缸筒之间的油液泄露、活塞杆惯性力及油液流动惯性力，活塞杆与缸筒之间的摩擦力设为常值。2. 不考虑温度变化对系统(油液粘度、弹性模量等)的影响，认为在拉伸、压缩过程中，油气悬架油液温度保持不变。3. 认为油液是不可压缩的，油液的体积弹性模量视为常数10。（1）蓄能器蓄能器内充满高压氮气作为油气悬架的弹性介质，相当于传统被动悬架的弹簧。13在车辆行驶过程中，随着活塞杆相对缸筒的上下运动，蓄能器中的气体处于连续的膨胀和压缩状态。大部分文献在研究油气悬架时一般将气体看作是理想气体，建立其数学表达式时采用气体状态方程来描述。理想气体状态方程是一个多变过程，其表达式为:0VP（3-1）式中， P0理想气体的初始压强， Pa；V0理想气体的初始体积，m 3；P 理想气体的压强， pa；V理想气体的体积，m3；-气体多变指数；当油气悬架处于压缩状态或者拉伸状态时，蓄能器内气体压强和温度是连续变化的，同时，在油气悬架工作过程中，蓄能器内气体跟外界空气也有热量交换，因此，蓄能器内气体的温度变化是比较复杂的。气体多变指数 的理论范围为 11.4，但是实际上气体多变指数是个与气体状态相关的变量，大小受到很多因素的影响，比如气体的温度、外界激励的速度频率等，很难确定其具具体值。文献对油气悬架气体多变指数随温度的变化关系进行了理论和试验研究，蓄能器内气体多变指数最高甚至可达到 1.61.8，这跟理论的气体多变指数有较大差距。本文对单气室油气悬架建模时采用理想的气体状态方程，这对于研究油气悬架的非线性特性及油气悬架车辆的性能研究已经足够。如果需要对油气悬架结构进行精确设计或者其它对模型精度要求很高的用途时，则需要结合油气悬架的实际工况充分考虑气体温度的影响，采用实际气体状态方程。对于式子(3-1)，在定气体多变指数前提下，只要求出蓄能器某一时刻气体体积，即可求出此时蓄能器内气体压力。代入式子(3-1)可得到: （3-2）（3-3）14(2) 复原阀系该单气室油气悬架的复原阀和压缩阀集成于活塞阀总成中。活塞阀总成结构如图 3.2 所示。图 3.2 活塞阀总成结构复原阀阀系包括复原阀座、活塞孔、节流阀片组、垫片等结构，活塞孔孔径较大，建模时可以忽略油液流经活塞孔的压力损失。而阀片组一般由多片厚度及直径相等或者不等的环形薄片叠加而成，通过改变阀片的数量及尺寸厚度可以改变复原阀的阻尼大小。阀片上有多个小矩形开口，即复原阀常通节流缝隙，阀片结构如 3.3 所示 图 3.3 复原阀阀片结构复原阀只在复原行程工作，活塞杆腔的油液经过复原阀流入下腔，产生节流压力。当活塞杆的运动速度低于复原行程开阀速度时，复原阀不开阀，油液仅通过复原阀上的常通节流缝隙产生节流压力，此时油气悬架的阻尼力较小；当活塞杆的运动速度达到复原行程开阀速度时，复原阀开阀，油液流经常通节流孔及节流阀片变形开口流入无杆腔，产生的阻尼力较大11。1) 开阀前15复原阀阀片刚度比较大，在阀片上开设常通节流缝隙及预紧力，可以使车辆在平坦路面上行驶时， 减少开阀次数，从而提高油气悬架的使用寿命。此时， 复原阀两端的压力差小于阀片的开阀压力，阀片不开阀，油液从常通节流缝隙流入无杆腔。节流缝隙面积可根据公式(3-4)求得。式中：A r0-复原阀常通节流面积n-阀片数量lA-阀片缺口宽度h-阀片厚度根据流体力学相关理论，复原阀两端的压差与油液流量之间的关系可表示为12:式中， rQ为油液流量；压差P 1=P2-P； 为油液密度；Cd 为流量系数；Ar0 常通节流缝隙总面积。2) 开阀后将阀门恢复通过阀门的压 差高于回收阀开启压力时，阀门打开，流体流动的环形节流间隙经常节流间隙和阀板阀开。复原阀开阀后的所形成的节流缝隙与常通节流缝隙相同，也为圆环平面缝隙，缝隙面积 Ar 是阀片变形量的函数，而阀片变形量 hr (即阀片挠度)由阀片两端的压差决定，两者之间的关系见表达式(3-6)。下面研究阀片变形量 hr 与阀片两端的压差 P 之间的关系。阀片变形受力应变图如图 3.6 所示。（3-4）（3-5）（3-6）16图 3.4 阀片受力应变图图 3.6 中，a 为阀片外半径， b 为阀片内端固定处半径，h 为阀片厚度，hr 为阀片外端变形量，q 为阀片受到的单位压力(即为阀片两端的压差)，r0 为阀孔内径，认为压差在阀片上为均匀分布。根据罗氏应力应变中关于阀片变形的相关理论，阀片外端处的变形量为: 1432GDaqFQDaMhbrb（3-7）式中的阀片参数可以通过式子(3.8)(3.16) 求得：（3-8）2172098L-rabCq-rb）（ （3-9）)(0Qb（3-10）2142balnF（3-11）1)()(23 lab（3-12）000 raln ar rG)(4541622021 （3-13）)(28bvC（3-14）142129 a lnab（3-15）)()(417 000ralnv r vL（3-16）)(23vhED式中，M rb、Q b 分别为 b 处的弯矩和受力，E 为阀片的弹性模量，17h 为阀片厚度，v 为阀片的泊松比，L 为阀片参 数，D、F 2、F 3、G 11、C 8、C9、L11 与阀片的尺寸及属性有关12。由于复原阀是由数片阀片叠加而成，因此计算公式(3-16)时阀片厚度应该取阀片组的等效厚度 he ，参考相关阀片变形文献，等效厚度 he 由阀片厚度及阀片数量决定，表达式如式子(3-17)所示。式中 nn、h n 分别表示厚度为 hn 的阀片数量为 nn。本文研究的油气悬架的复原阀阀片厚度相同。因此，式(3-17)可简化为:3e式中，n、h 分别表示阀片的数量、厚度。当复原阀开阀后，油液的流通面积包括 Ar0 及 Ar 两部分，复原阀两端的压差与油流量之间的关系可表示为: )(2110crakrdPCQ式中，Q r 为油液流量，压差 ，121P为油液密度，Cd 为流量系数，Ar0 为常通节流缝隙总面，Ar 为复原阀的环形开口面积。（3）压缩阀压缩阀系结构与复原阀系类似，但阀片的数量要少一些，另外，压缩阀阀片上没有开设常通节流缝隙，阀片无预变形量，因此压缩阀没有开阀压力，节流阻尼力要比复原阀小很多。油气悬架活塞处于压缩行程时，压缩阀工作。无杆腔的油液压缩阀进入活塞杆腔后，还有一小部分油通过阀节流间隙恢复常通入活塞杆腔。压缩阀阀片变形后，阀口位置的变形量即为阀片开度，形成的节流缝隙为环形平面缝隙，阀片变形量也是由阀片两端的压差决定。同样，参照3331.n2e hnh（3-17）（3-18）18复原阀计算方法，得到压缩阀的流量计算公式12：（3-19）)(phHr（3-20）caA2（3-21）10)(PCQcrdc式中，Q c 为油液流量，hr 为阀片变形量，为阀片两端压差，121Pa 为阀片半径，Ac 为压缩阀阀片开阀面积，Ar0 为复原阀常通节流缝隙面积。由于油气悬架的压缩阻尼系数较小，为了便于计算，通常可将压缩阀节流特性看作线性。即： （3-c1KPQ22）式中，K c 为压缩阀的流通系数，Mp /L ，Qc1 为流经压缩阀的流量。式子(3-22)可以化为： （3-1012PACKrdc23）式中，K c 为压缩阀系的流通系数，单位为 MPa /L。(4) 常通节流孔油气悬架活塞杆上开设有数个常通孔。在复原行程，无杆腔内的油液受到压缩，腔内压力升高，油液经过常通孔流入活塞杆腔，产生一部分的阻尼力；在压缩行程，无杆腔容积增大，油液经过常通孔补偿无杆腔内的容积，降低油气悬架发生空程畸变的可能。本文研究的常通节流孔长度和直径比值 0.5 0。A c0 为常通孔总过流面积，P 2为孔两端的压差， 。）（ 232P（5） 工作腔当油气悬架工作时，有杆腔及无杆腔容积随着活塞的上下运动而连续变化。可以通过各个工作腔的容积变化得到阀系及常通节流孔的的节流流量。不考虑油液的可压缩性，无杆腔、有杆腔容积变化量及活塞杆腔的体积变化量分别为：（3-25）xAV1（3-26）3（3-27）)(12可以求得阀系(压缩阀或复原阀)节流流量 Q1、常通节流孔的节流流量 Qc 及活塞杆腔的体积变化量 V2 ：（3-28）xAdt11（3-29）tc3式中，x 为活塞杆相对于缸筒的运动速度，压缩行程，x 0，Q 1 = Qr，油液从复原阀经过。（6）油气悬架输出力油气悬架活塞杆和缸筒之间产生相对运动时，油气悬架输出力主要包括来自蓄能器高压氮气的弹性力、油液流经节流阀及节流孔产生的阻尼力及活塞与缸筒之间相对运动的摩擦力三部分。假定缸筒固定不动，活塞杆相对于缸筒上下运动，根据牛顿第一定律，可以建立油气悬架的输出力方程为：（3-30）fairFAPF123式中，F 为油气悬架的输出力，压缩为负，复原为正。P 1、P 3、P air 分别为无杆腔压力、有杆腔压力及大气压力，A 1、A 2、A 3 分别表示无杆腔截面积、活塞杆腔截面积以及有杆腔截面积，F f 为活塞杆与缸筒之间的摩擦力。P1、P 3 可以通过下列式子求取：20121P3式中，P 2 可通过式子 (3-25)求得，对于压缩行程、复原行程，P 1 可分别通过式子(3-5)、式子(3-19)求取。另外，忽略蓄能器中油液与气体之间作用力的延迟，即 P2 =Pr ，P r 表达式见式(3-3)13。3.2.3 单气室油气悬架模型参数的确定(1) 流量系数的确定根据文献43 ，油液的流量系数 Cd 油液的密度、动力粘度等随着油液的压力、温度等因素变化而变化，很难获得流量系数 Cd 的精确解。不同的经验公式算出的 Cd 有一定的差距，流量系数 Cd 的值一般在 0.600.816 范围内。通常在模型精度要求不高或者非特殊极端工况下，为了简化计算，可将 Cd 看作为常数，本文取 Cd=0.62。（2）蓄能器气体多变指数根据文献44 ，当车辆遇到较大的路面冲击时，油气悬架快速压缩或者拉伸，可以把气体的状态变化过程看作为一个绝热的过程， 取 1.4，而当油气悬架缓慢加载过程中，可以认气体的压缩或者膨胀过程为等温变化过程， 取 1.0。在一般的加载过程，气体的热力状态变化过程介于绝热及等温过程之间，气体多变指数 可取 1.21.3。(3) 油液密度油液密度对于油气悬架性能有很大的影响，对于大多数实际的减振器油液来说，油的密度大概在 860 kg/3m 左右。油液密度跟油液的压力及温度等因素有关系，油液压力越高，油液密度越大，同时油液密度随着油液温度的升高而下降。油液具有热膨胀性和可压缩性。对于大多数减振器油液，在感兴趣温度范围内(即减振器正常工作温度范围)，油液密度可以近似表示为温度的线性函数，表达式可以写成： )(11T式中， 为参考温度下的密度， 为体积热膨胀系数，对于一般油液， 约等1于 0.0011K (或 1C )。另外，油液的密度受到油液压强的影响，油液密度与压强之间的关系可以表达21为13： )(11P式中， 为油液的可压缩率，为体积模量 K 的倒数。在常用的温度及压力范围内，油液的密度变化较小，可以忽略不计。本文认为油液密度是不变的，取油液密度 =885 kg/m3。 3.3 双气室油气弹簧非线性模型油气弹簧以其良好的非线性特性，受到了众多设计师、制造厂商和消费者欢迎。随着车辆载荷的增加、速度的提高，改善油气弹簧在更高的工作压力下的动态密封性能，延长其使用寿命和准确设计其减振性能参数，已经成为油气弹簧设计中的主要问题。本章节主要对双气室的油气弹簧进行分析研究14。3.3.1 双气室油气弹簧物理模型1-活塞杆 2-上蓄能器 3-液压缸筒 4-下蓄能器5-活塞 6-单向孔 7-阻尼孔图 3.5 双气室油气弹簧简化示意图本章节主要对独立式双气室油气悬架进行研究分析，简化之后得到如 3.5图所示的模型，它大体由油压缸和上下两个蓄能器组成。油缸中有 A、B 、C 三个油腔，里面都是油液，A 腔和 B 腔油液通过阻尼孔 7 及单向阀 6 相连通，而C 腔油液与 A、B 两腔油液是隔离开来的。上蓄能器 EA 与 B 腔相通，下蓄能器 D 与 C 腔相通，蓄能器内充入高压气体（一般是氮气） ，高压气体通过薄膜与液体分离开。油气悬架工作过程可以分为压缩行程和复原行程两个部分。在恢复行程中（即活塞杆向上移动） ，一腔流体压力的增大，空腔的流体通过节流孔 7 压入B 腔，腔 B 和 E 蓄能器连通，B 腔流体压力在蓄能器 E，使蓄能器 E 内的氮气得到压缩。活塞向上使 C 腔流体压力降低，上升运动，和 C 腔蓄能器压力在压力下氮液压油进入 c 腔；在压缩行程 (即活塞向下运动时 )，A 腔油液压力降低，22蓄能器 E 内高压气体在压力作用下将油液压入 B 腔， B 腔油液通过阻尼孔 7 和单向阀 6 向 A 腔补油。活塞向下运动使 C 腔油液压力升高，将该腔油液压入蓄能器 D，使蓄能器 D 内的氮气得到压缩。当车辆行驶时，路面起伏引起活塞在缸筒内上、下运动，这样，使 A、B两腔的油液在压差的作用下往复地通过一些阻尼孔和单向阀孔，具有压差的油液流过阻尼孔和单向阀孔时消耗能量，衰减汽车的振动，这一过程就形成了油气悬挂系统的阻尼特性。与上、下油腔充高压气体蓄能器连接关闭时，通过高压氮气的弹性变形所承受的负荷，减少车辆的冲击面前，这个过程对油气悬架系统的弹性特性的形成。如图 3.6 所示，简单表明了双气室油气悬架的结构，另外附加了一些设计需要的尺寸。m图 3.6 双气室油气弹簧结构简图3.3.2 双气室油气弹簧数学模型建模时，取活塞平衡时的状态为模型的初始位置。设活塞杆在正弦激励作用下往复运动，活塞的速度为 ，式中 A 和sin2xAft 2cosxfAft 分别为激励信号的振幅和频率，位移方向取复原行程(向上)时活塞运动方向f为正。为简化计算，作如下假设14：1) 由于油气弹簧缸经常处于振颤状态，且润滑良好，所以忽略摩擦阻力的影响。2) 通常液压油粘度会受到温度的影响，但在温度变化较小时，粘度变化不大 10。本文不考虑温度对液压油粘度的影响。3) 各密封环节工作可靠，系统没有内泄漏和外泄漏。4) 假设刚性构件没有弹性变形。5) 蓄能器密封性能良好，气体质量不变。6) 双气室油气弹簧缸蓄气在惰性气体氮气，大部分的文献认为的特点和23理想气体的方法，本文认为气是理想的。 。 （即忽略温度变化对系统的影响）气体的状态变化过程可以用两种方法进行描述：理想气体的多变状态方程和实际气体的状态方程。理想气体状态方程为：（3-31） PVmRT式中 理想气体的气体压强，Pa；P理想气体的气体体积，m 3；V理想气体的气体质量，kg；理想气体的气体常数，J/(kgK)；R理想气体的气体绝对温度，K。T气体的多变状态方程为 (3-32)0rrPV式中 气体多变指数。对于理想气体，在等温过程时 r=1，绝热过程r时 r=1.4。而实际气体的多变指数在绝热过程中可取到 1.7；理想气体初始气体压强，Pa；0P理想气体初始气体体积，m 3。V当气体密封的容器被压缩，气体流量，压力和温度，储能。相反，是能量的释放。在这一过程中，由于气体和其周围环境的温度差的能量损失。当加载速率较低，在时间和充分的热交换气体的气体，气体温度不变时，气体的状态变化过程可以看作是一个等温过程。当快速加载时，气体来不及与外界进行热交换，对应气体的状态变化过程近似为一个绝热过程。在压强、温度等变化范围较大的情况下不能把氮气作为理想气体研究，而应该使用实际气体的状态方程来描述其性质，但在压强和温度变化不大的情况下，采用理想气体状态方程建模，还是能够满足仿真精度的要求14。为了研究油气悬架的性能，建立描述其本质的物理模型是理论研究最重要的基础。基于数学物理模型，参考大量文献的相关文件，如图 3.7 所示的模型的建立。24图 3.7 双气室油气弹簧缸的物理模型3.3.3 双气室油气悬架模型参数的确定为了能够较为精确表述油气弹簧动态特性的数学模型，本文在液压流流动过程中考虑液体的可压缩性，但是这种可压缩性只对压强的变化产生影响，而对流速产生的影响忽略不计。在系统分析中，假设固定有气缸，活塞与气缸壁之间的摩擦力和粘滞阻力，而忽略了活塞杆与壁效应。设油气弹簧杆筒受到正弦波位移激励，式中和分别为激励信号的振幅和频率14。取激励信号向上为正方向（即复原行程位移为正） ，对活塞进行受力分析，油气弹簧活塞杆的输出力方程为： （3-CAFP32）式中 油气弹簧缸输出力，N；FA 腔的圆环面积，m2；C 腔圆面积，m2；A 腔的油液压力，Pa；PC 腔的油液压力，Pa。我们从图 3.7 中可以看到，A，B 两腔的油流通过阻尼孔和单向阀，节流孔可根据理论建立的关系式，一腔流体压力和 B 腔流体压力，即25（3-21012 ()2()ABqPsignxCAsignx 33）式中 流量系数，取值为 0.6；C阻尼孔截面积， m2；01A单向阀有效过流面积， m2；2单位时间内 A、B 两腔间油液流量， m3/s；1q相对于气缸活塞运动速度，缸体固定，活塞速度（相对于活塞向上x运动（复原行程） ，速度是积极的，另一方面，在压缩冲程中，速度是负的） ，m/s；符号函数，定义为()signx （3-34）10() xsignx考虑油液压缩性，有：（3-35）ASASASPeeVd（3-36）BSBSBSPee式中 A 腔油液的压缩量，m3；VB 腔油液的压缩量，m3；油液的压缩系数，取值为， ；e平衡状态时 A 腔油液体积，m3；AS 平衡状态时 B 腔油液体积，m3；BV A 腔的油液压力，Pa；P B 腔的油液压力，Pa；平衡状态时 A 腔油液压力，Pa；AS平衡状态时 B 腔油液压力，Pa；B26流过单向阀和阻尼孔的液体流量为：（3-37）1ABVqxdt蓄能器 E 与活塞杆腔 B 间通过浮动活塞相隔，所以有（3-EP38）取蓄能器 E 腔内的氮气为研究对象，它的性质与理想气体相似，因此用理想气体状态方程，由于车辆悬架振动是一个快速过程，气体状态变化可认为是绝热的，所以用多变过程方程式来描述15：（3-rrESEPV39）式中 E 腔气体平衡位置时气体压力，Pa；SPE 腔气体平衡位置时气体体积，m3；VE 腔气体初始气体压力，Pa；0E 腔气体初始气体体积，m3；蓄能器 E 腔中气体的体积可由下式确定（3-()ABESVxV40）由式（3-34 ）（3-40 ）可求得 A 腔内油液压力随位移激励的变化。同理，对蓄能器 D 内气体根据气体状态方程有 16：（3-rrSDPV41）式中 D 腔气体平衡位置时气体压力，Pa；SPD 腔气体平衡位置时气体体积，m3；VD 腔气体初始气体压力，Pa；027E 腔气体初始气体体积， m3；0DV考虑液体压缩性，C 腔油液压缩量为：（3-CSCSCSPeeVd42）式中 平衡位置时 C 腔油液体积，m3；CSVC 腔油液的压缩量，m3；蓄能器 D 腔中气体体积为：（3-43）DSCVAxV从图 3.5，C 与 D 的储存腔相通，油流从 C D 或 D 腔蓄能器为 C 腔存储，必须通过阻尼孔和单向阀，和断面积的突然变化，也会产生压力损失和局部压力损失，C 关系腔流体压力和蓄电池室气体压力为 D 之间17 ：2222 12034 ()()()()441()Dqqql signxsiPsignxsignxddAi （3-44）式中 流量系数，一般取 0.6；CC 腔与 D 腔间阻尼孔截面积，m2；03C 腔与 D 腔间单向阀有效过流面积，m2 ；4AC 腔与 D 腔间细长圆孔的长度，m；lC 腔与 D 腔间细长圆孔的直径， m；d、 油管与蓄能器出口油液压力损失系数，当油液由油管向蓄能器12内流动时，取 ；当油液从蓄能器向油管流动时，取 ； 1 20.5单位时间内 C 腔与蓄能器 D 间的油液流量，m3/s；2q（3-45）2CVqAxdt摩擦损失系数，理论，要留有余地的实际计算，这里取（3-44） ，这是由雷诺兹数重新计算（3-46）Re28式中， 液压油运动粘度，m2/s；C 腔与 D 腔间细长圆孔内油液平均流速， m/s，用下式计算（3-24qd47）（3-41 ）的（3-47）可以通过 C 室流体压力，由式（3-33）可以确定，液压缸的输出力 F。由此，式（ 3-33）（3-47）组成了描述油气弹簧性能的复杂非线性数学模型。可以看到的是更复杂的，难以 F 和直接力的位移和速度的表达式确定，该模型可用于分析的刚度，阻尼特性，油气悬架的频率特性，由此可以分析舒适性，舒适性和车辆的其它性能17。29第四章 油气悬架系统特性分析4.1 概述油气悬架的特性是非线性的，随传力悬架刚度迅速增加，因此油气悬架变刚度特性降低的可能影响身体或身体的非悬挂部件，提高了车辆的平顺性；车辆的油气悬架阻尼特性可以快速衰减振动的路面快速冲击面前。对油气悬架系统的结构参数对油气悬架的非线性的影响主要体现在对油气悬架的弹性力和阻尼力的影响。阻尼特性和刚度特性除了与输入信号的幅值和频率有关，还取决于油气悬架自身的结构参数。 油气悬架系统参数对油气悬架的非线性的影响，都具有提高油气悬架性能和油气悬架设计中的重要意义。本章首先分析了参数对油气悬架的非线性特性，根据油气悬架的非线性推导和分析油气悬架刚度和阻尼特性的工作原理，并研究了油气悬架系统结构参数对其非线性特性的影响。4.2 非线性特性影响因素油气悬架的非线性特性包括非线性刚度特性及非线性阻尼特性，分析油气悬架系统参数对油气悬架非线性特性的影响对研究油气悬架车辆动力学具有重要的作用。影响油气悬架系统特性的参数主要有以下几类:（1）油气悬架的外界环境参数，主要包括外界激励信号、外界环境的温度等。蓄能器内气体压力的变化及阻尼作用的大小受到外界激励的幅值和频率的影响，另外，外界环境与油气悬架内部温度差会影响到蓄能器气体多变指数的大小及缸内油液的工作特性。（2） 油气悬架缸结构参数，主要包括活塞杆的直径、缸筒的直径、阀系结构尺寸、常通节流孔等。这些参数主要是在油气悬架结构设计加工决定的。（3）蓄能器的工作参数，包括蓄能器的初始充气压力、初始充气体积及气体多变指数。油气悬架的弹性力主要是由蓄能器中的气体产生，气体压力随着活塞杆的相对运动而变化，因此蓄能器的相关参数主要影响油气悬架的刚度特性。从上面分析可以看出，油气悬架输出特性的影响因素很多，本文主要研究油气悬架缸结构及蓄能器的初始参数对油气悬架非线性特性的影响304.3 刚度特性油气悬架刚度特性是一个油气悬架的重要特征，是油气悬架汽车平顺性直接相关。刚度特性是指活塞杆上受到的弹性力与活塞相对于缸筒行程的关系，刚度特性可以分为静刚度特性和动刚度特性5。静刚度特性是指活塞杆相对于气缸活塞杆缓缓移动，活塞杆的相对行程和弹性力之间的关系；动刚度特性是指活塞杆相对于缸筒快速移动时，活塞杆所受到的弹性力与活塞杆相对行程之间的关系。对于油气悬架系统而言，当活塞杆相对于缸筒缓慢移动时，气体变化过程可看作等温过程，气体多变指数取 =1，这时可得到油气悬架的静刚度特性；当活塞杆相对于气缸快速移动的过程中，气体的变化可以被视为一个绝热过程中，气体多变指数和 = 1.4，然后可以得到油气悬架刚度特性。由于车辆的动力学特性的研究为动态过程，且军用越野车辆行驶路面较差，因此，本文主要是研究油气悬架的动刚度特性。油气悬架的弹性力主要是由蓄能器内的惰性气体产生，活塞杆相对于缸筒上下运动过程中，气体的体积随之压缩或者膨胀，即气体压力随之变化17。4.3.1 油气悬架刚度特性公式推导气室气体体积、压力随着活塞杆相对位移变化关系为:（4-1）xA-Vsr）（ 31（4-2）rsP式中，V r、P r 分别为气体体积及气体压力，V s、P s 分别为平衡位置气体体积及气体压力，A 1、A 3 分别为无杆腔截面积、有杆腔截面积。x 为活塞杆相对位移，x0，活塞杆位置相对于平衡位置向上；x0，活塞杆位置相对于平衡位置向下。油气悬架活塞杆受到的弹性力为: （4-3）)(31AP-Frs式中，F s 为活塞杆所受弹性力，负值表示活塞杆受到相对于缸筒向上的弹性力。将 Fs 对 x 求导可以得到油气悬架的刚度 K 表达式: （4-122xAVPdxssr4）