車輛懸架用油氣彈簧剛度性能數值計算研究

王 冰

（煙臺汽車工程職業學院機電工程系 山東 煙臺 265500）

引言

目前，車輛已經成為人們出行的重要工具，油氣彈簧屬于油氣懸架的重要部分，廣泛應用于各種類型的車輛上[1-5]。對油氣彈簧進行系統分析對于提升油氣彈簧質量和保障車輛運行穩定性具有重要意義。車輛懸架主要由油氣彈簧和其它結構組成，其中油氣彈簧是該系統中最為重要的部分，油氣彈簧性能的優劣能夠直接決定其懸架性能的優劣[6-8]。油氣彈簧屬于空氣彈簧的一種，本質上屬于空氣彈簧的范疇，油氣彈簧主要是依靠密封在氣室內的惰性氣體的體積變化來產生彈性作用，并且油氣彈簧的剛度性能也主要取決于其本身氣室充入氣體的狀態，而油液作為傳力物質被充入到氣體以外的缸內空間，并且還可以用彈性橡膠膜將充入的惰性氣體與油液分隔開，從而保證油氣彈簧處于性能穩定的狀態[9-10]。

本文在前人研究的基礎上，針對車輛懸架用油氣彈簧的剛度特性建立了相應的力學模型，并開展了數值計算研究，分析了氣體變化系數，氣室初始壓力，氣室初始高度和活塞桿內徑4個參數對油氣彈簧剛度的影響。

1 油氣彈簧剛度數學模型建立

圖1為油氣彈簧結構簡化示意圖，圖中活塞將油室分為上油室和下油室，根據活塞桿與缸體發生相對運動時氣室、上油室和下油室體積的變化關系推導出油氣彈簧的剛度數學模型。車輛在行駛的過程中，車輪會隨著路面的起伏而產生上下起伏的波動，車身也會隨之產生振動從而帶動油氣彈簧活塞桿上下振動，同時氣室內的氣體也會不斷地壓縮或者膨脹，氣室中氣體發生形變而產生的彈性力主要體現在油氣彈簧的剛度性能上，而整個過程中缸體內的油液反復流過節流閥系時產生的阻尼作用主要體現在油氣彈簧的阻尼性能上。

圖1 油氣彈簧結構簡化示意圖

施加在活塞桿結構上的力是F，該結構和缸筒之間發生的相對位移是X，氣室高度等于H0，活塞桿外徑與內徑分別為d1與d0，外缸筒內徑為D，氣室橫截面大小為Sq，氣室的壓強為pq，上側油腔的面積為As，上側油腔的壓強為ps，下側油腔的面積為Ax，下側油腔的壓強為px，當活塞桿與油氣彈簧的缸筒產生相對位移的時候，缸筒內各個腔體積產生改變，氣室內氣體的變化如下所示（Xq為氣室中氣體的位移）：

上油室由于油液流動引起的體積變化：

下油室由于油液流動引起的體積變化：

根據各個腔體積變化關系，可以得出變化關系式如下：

將（1）、（2）、（3）代入（4）中可以得到：

將氣室中的氣體看作理想氣體，可以得到：

整理后可以得到：

從而可以得到氣室的負載公式：

對氣室的負載公式（9）求導數可得：

公式（10）即為油氣彈簧剛度的數學模型，從式中可以推導得到，氣室壓力、氣體高度與多變指數、活塞桿內徑都會對油氣彈簧剛度造成影響，可以根據這些參數的變化來分析油氣彈簧的剛度改變情況。

2 油氣彈簧剛度參數模型建立

可以采用剛度特性作為評價油氣彈簧性能的關鍵條件，它的剛度特性是由于氣室內氣體的彈性產生的，它表征了氣室內的氣體對活塞桿產生的載荷以及缸體和活塞桿之間的相對位移，由此可見對油氣彈簧進行剛度特性分析非常重要。從表1中可以看到油氣彈簧的各項初始參數。

表1 油氣彈簧的初始參數

考慮到在實際工作狀態下，油氣彈簧接收到激勵信號的種類多而且復雜，因而不能用與實際相符的信號來精確替代，為了便于進行數據分析，本文選擇正弦位移信號，具體表達式如下：

基于剛度模型利用MATLAB/Simulink模擬，具體流程見圖2，將激勵信號設定為：A=30mm，f=0.5 Hz，對半個周期中的數據進行觀察，在壓縮階段隨著活塞桿和外缸體之間的相對位移持續變小后，形成的剛度曲線如圖3所示：

圖2 剛度仿真模型

圖3 剛度曲線

根據圖3可以知道：油氣彈簧剛度和位移表現為非線性變化的關系，在活塞桿與外缸體處于開始壓縮狀態的行程時，此時油氣彈簧的剛度及其變化幅度都很小；之后當相對位移增大時，剛度值將會迅速增大。

3 參數對油氣彈簧剛度的影響

3.1 氣體變化系數

氣體變化系數對于油氣彈簧剛度特性具有重要影響，雖然根據參考文獻選擇了氣體變化系數，但是多變指數對于油氣彈簧剛度的影響情況還是有必要進行研究的，分別取 n=1.33、n=1.23、n=1.13 3 種氣體變化系數，其余參數保持不變，分析不同氣體變化系數對于油氣彈簧剛度的影響，經過MATLAB/Simulink模擬后得到結果如圖4所示：

圖4 氣體變化系數對油氣彈簧剛度的影響曲線

從圖4中可以看出，雖然氣體變化系數發生了改變，但是油氣彈簧剛度隨活塞桿與缸體相對運動的變化趨勢并沒有發生較大改變，只是在氣體變化系數的逐漸減小的過程中，油氣彈簧剛度的值會減小。由此可見，改變氣體的變化系數將會顯著影響到油氣彈簧的剛度。

3.2 氣室初始壓力

根據油氣彈簧剛度數學模型可以看出，油氣彈簧氣室的初始壓力對于其剛度性能也具有重要影響，將氣室初始壓力分別設定在4 MPa、5 MPa及6 MPa，并使其它各項參數保持恒定，分析不同氣室初始壓力對油氣彈簧剛度產生的影響，通過MATLAB/simulink模擬后得到結果如圖5所示：

圖5 氣室初始壓力對剛度的影響曲線

從圖5中可知：油氣彈簧的剛度隨著活塞桿與缸體的相對位移而發生變化，并且當氣室初始壓力增大后，油氣彈簧剛度也會上升，并與活塞桿和外缸體之間的相對位移呈現正相關性，因此可以利用控制氣室初始壓力的方法來合理調整油氣彈簧剛度。

3.3 氣室初始高度

對油氣彈簧的剛度數學模型進行分析可知，剛度受到氣室初始高度的顯著影響，將氣室初始高度依次設定在100、150、200 mm，并保持其它各項參數恒定，研究各氣室初始高度對油氣彈簧剛度產生的影響，通過MATLAB/Simulink模擬后得到結果如圖6所示：

圖6 不同氣柱高度對剛度的影響曲線

由圖6可知：在保持油氣彈簧氣室初始壓力不變的條件下，隨著氣室初始高度的上升，油氣彈簧剛度將會不斷變小，在較小的氣室高度下，如果活塞桿和缸筒之間的相對位移增大后，剛度將會迅速變化，當氣室處于較大的高度下時，隨著活塞桿和缸筒間的相對位移逐漸增大，剛度值改變速率將會變小。

4 結論

油氣彈簧作為車輛油氣懸架的重要部分對保障車輛行駛過程中平順性和操縱穩定性具有重要的作用，針對車輛懸架用油氣彈簧的剛度特性建立了相應的力學模型，并開展了數值計算研究，分析了氣體變化系數，氣室初始壓力，氣室初始高度和活塞桿內徑4個參數對油氣彈簧剛度的影響。改變氣體變化系數對于油氣彈簧剛度的影響比較大。剛度會隨著活塞桿與外缸體相對位移的增大而增大，研究成果對優化油氣彈簧設計具有重要意義。