山地牽引車充氣液力減振器特性計算與試驗研究

肖啟瑞，王波群，易東旭

(1.廣東機電職業技術學院，廣東廣州510515;2.廣汽集團汽車工程研究院底盤工程部，廣東廣州510000)

雙筒液壓減振器適合于良好工況的公路車輛，結構較復雜，背壓偏低，容易出現高速空程性畸變現象，不能滿足野外山地牽引車野外惡劣工況對減振器的復雜要求。單筒儲氣液力減振器具有結構相對簡單、質量輕、工藝要求高、阻尼特性優越等特點。基于此，針對某型號山地牽引車儲氣液力減振器進行分析與研究。

1 儲氣液力減振器數學模型

圖1 單筒儲氣液力減振器結構

儲氣液力減振器工作原理如圖1所示。令活塞上腔的壓強為pe，活塞下腔的壓強為pc，氣室壓強為pa。處于復原行程時，活塞相對缸筒向上運動，上腔容積減小，下腔容積增加，從理論上講，氣室容積也應隨之增加以保證液體充滿下腔，防止真空的出現進而在壓縮時形成“空程”，引起外特性畸變。分析這個過程的缸內液體流量關系可知下腔容積的變化量由兩部分組成:

(1)由上腔流入下腔的流量:

式中:vp為活塞桿運動速度;

Ap為活塞有效面積;Ag為活塞桿截面積。(2)氣室容積變化量

式中:ua為氣室活塞運動速度;

Aa為氣室活塞有效面積。

以上兩部分之和組成下腔容積的變化量，可以得到式 (1)和式 (2):

將式 (1)整理可得:

對式 (3)求積分可得:

其中:sa、sp分別為氣室活塞和主活塞的位移，可以由速度積分得到。由于主活塞上有一系列節流孔系，工程上一般將節流孔系近似視為細長孔，所以由上腔流入下腔的流量Qec可以用下式進行計算［1－2］:

式中:Cd為流量系數，可取0.6～0.68;

A為節流面積;

Δp為兩腔的壓強差;

ρ為液體密度。

當主活塞運動時，氣室活塞也隨之運動，所以氣室的容積也發生相應變化，氣體內部壓強也隨之變化，氣體的狀態變化可以用多變過程進行描述，一般有如下關系［5］:

式中:pa0為氣體初始壓強;

V0為氣室初始容積;

pa為氣室變化時氣體壓強;

Va為氣室變化時容積;

n為氣體多變指數，取1.7～1.83。在氣室活塞劇烈運動過程中，減振器下腔壓強pc準確表達困難，但當氣室活塞處理相對平衡時，可以認為pc與氣體壓強pa近似相等，即pa=pc。復原行程時，根據主活塞受力分析可得:

式中:f為主活塞與工作筒壁的摩擦力，為了準確起見，根據經驗公式具體計算:

式中:Hr為活塞桿與缸筒接觸長度;pn為活塞桿所受徑向壓強;

δ為油膜厚度;

γ為液體動力黏度。

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注意到，車用筒式減振器節流孔系一般由常通孔系和閥片孔系組成。常通孔系節流面積為常數，但閥片孔系中節流閥片開度與閥片兩側的壓差成正比，即閥片孔系節流面積與壓差成正比，壓差越大，節流面積越大，呈現動態變化過程。為準確描述這一過程，對節流面積作如下數學處理:

式中:Af為復原閥常通孔系節流面積，對某一具體減振器為常數;

dAf為閥片孔系節流面積，dAf=2πrx，r為閥片外徑，x為閥片在外徑處的變形量即撓度。

x為閥片兩側壓差Δp的函數，即x=fΔ()p。由于閥片厚度較小，而其變形撓度相對較大，應理解為大撓度變形，解析法復雜，計算量太大，不適用于工程計算。文中應用有限元法對閥片在不同壓強下的撓度進行多次計算，得到對應閥片變形撓度值，再利用多項式擬合得到兩者之間近似函數關系式［3］。最后可得較完整的單筒儲氣液力減振器復原行程阻尼力數學模型:

2 儲氣液力減振器特性仿真與試驗分析

根據上述理論分析所建立的該單筒儲氣液力減振器復原行程阻尼力數學模型，下面就可在Simulink中建立仿真模型。結構參數如表1所示。

表1 儲氣液力減振器數值結構參數

在模型中輸入速度正弦波的半個周期，峰值振動速度0.52 m/s［4］，完成兩個行程的仿真后，可得到該減振器的示功特性和速度特性，分別如圖2和圖3所示。

圖2 減振器示功仿真曲線

圖3 減振器速度特性

圖4 減振器示功試驗曲線

圖5 激振速度1.14 m/s減振器示功特性

3 單筒儲氣液力減振器結構參數對性能的影響

對于單筒儲氣液力減振器，為研究充氣壓強對減振器性能的影響，現取不同壓強進行研究。

圖6 不同充氣壓強對減振器速度特性的影響

從圖6可以看出:初始充氣壓強對減振器性能有一定影響，當充氣壓強升高時，復原和壓縮行程的阻尼力都會提高，但幅度不大。通過仿真與樣件試驗，確定該減振器充氣壓力為0.8 MPa。

由圖7可以看出:復原閥孔徑對復原行程阻尼力影響很大，當每個孔徑增大0.5 mm時，最大復原阻尼力會減小至580.72 N。由圖8可以看出:壓縮閥孔徑對壓縮行程阻尼力影響很大，當每個孔徑減小0.5 mm時，最大壓縮阻尼力會升高至210.82 N。

圖7 不同復原閥孔徑對減振器速度特性的影響

圖8 不同壓縮閥孔徑對減振器速度特性的影響

4 結論

(1)仿真結果與試驗曲線基本吻合，仿真模型可用于減振器較精確的模擬計算。得到了該型減振器的速度特性與示功特性。最大復原阻力與壓縮阻力比為5.3，具有較理想的阻力特性。壓縮阻尼力較小，可有效減小野外壞路面對車輛的沖擊;復原阻尼力隨速度增加迅速升高，在1.14 m/s高速振動不會發生空程畸變。

(2)詳細討論振動速度、節流孔徑、充氣壓強、阻尼閥直徑等參數對減振器性能影響。儲氣液力減振器可適應較高振動速度，具有良好的阻尼特性，適用于工況復雜的山地牽引車。

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【2】封士彩.油氣懸掛非線性數學模型及性能特性的研究［J］.中國公路學報，2002，15(3):122 －123.

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【5】孫濤，喻凡，鄒游.工程車輛油氣阻尼器非線性特性的建模與仿真研究［J］.系統仿真學報，2005，17(1):210－211.