油氣彈簧的剛度特性研究

王光宇 陸俊宇

摘 要：介紹了油氣彈簧的結構及其工作原理，研究其剛度特性，并建立了數學模型利用Simulink進行仿真。分析氮氣腔初始壓力、高度對剛度特性影響。結果表明，油氣彈簧的剛度值隨著氮氣腔的初期壓力值的變大而提高，氮氣腔初期高度值越大，剛度曲線越加平穩，剛度值變小。

關鍵詞：油氣彈簧;剛度;仿真分析

一、 前言

油氣彈簧是油氣懸掛的關鍵部位，它的性能影響著車輛的操縱穩定性和行駛平順性。油氣彈簧剛度特性是車輛懸掛系統的重要特性，它們取決于物理和結構參數的選取，文中從油氣彈簧的實際結構出發，對彈簧的剛度特性進行分析，建立數學模型，利用Simulink軟件編程進行仿真，分析各參數對油氣彈簧剛度特性的影響，為油氣彈簧的性能改善提供了參考。

二、 油氣彈簧工作原理

油氣彈簧是將油液作為介質用來傳遞壓力，用壓縮氣體（通常為氮氣）作為彈性介質的一種彈性元件，如圖1所示為油氣彈簧結構圖，在油氣彈簧的上連接體裝有充氣孔，可以向油氣彈簧內充入氣體。下連接體設有沖油孔，可以向油氣彈簧沖入液體。在油氣彈簧活塞桿底部安裝有節流閥系，當活塞桿與外缸體相對移動加快時，它們之間的相對速度增大，油液經節流縫隙流過，使節流閥片彎曲變形，節流縫隙增大，產生節流阻尼力，當它們相對移動緩慢時，它們之間的相對速度緩慢，油液經初始設計的節流縫隙，產生阻尼力，當相對速度達到一個固定值時，彎曲變形量與節流閥片相等，實現閥片開閥。

三、 數學模型建立

設活塞桿受到的離心力為F，移動的位移為x，缸體的內徑為D，活塞桿氮氣腔的初期高度為h0，活塞桿的外徑為d，根據相關參考文獻建立油氣彈簧彈性力數學模型。

當油氣彈簧在離心力作用下處于伸出工作狀態時，活塞桿和缸體之間會產生明顯的相對運動。此時，活塞桿氮氣腔，活塞桿上油腔和缸體下油腔體積變化方程如下：

ΔvA=π4d2xa ΔvB=π4d2xa ΔvC=π4D2x（1）

式中，ΔvA為活塞桿內氮氣腔體積變化值;ΔvB為活塞桿上油腔體積變化值;ΔvC為缸體下油腔體積變化值;xa為氮氣腔位移值。

在油氣彈簧活塞桿伸張過程中，活塞桿上油腔的體積變化值和缸體下油腔體積變化值相等。即：

ΔvC=ΔvB（2）

π4d2xa=π4D2x（3）

油液具有不可壓縮性，根據方程（2）、（3）推斷活塞桿氮氣腔氣體的位移xa=D2d2x（4）

根據理想氣體狀態方程，可以知道：

PA0SnAhn0=P1SnA（h0-xa）n（5）

SA是氮氣腔面積;氮氣腔初始預留壓力為PA0

令k=D2d2，整理上式得出：

P1=PA0hn0（h0-xa）n

=PA0hn0（h0-kx）n

所以有活塞桿氮氣腔的負載力F與位移x關系如下：

F=P1SA=PA0SAhn0（h0-kx）n（6）

對式（6）進行求導，可以得到剛度K：

K=dFdx=nPA0SAk（h0-kx）n+1（7）

四、 剛度特性仿真分析

首先選取油氣彈簧的初期參數，見表1所示。

將正弦信號進行簡單的處理，下面式子（14）為本次論文采用的激勵信號：

x（t）=Asin2πft（8）

式中：A為幅值;t為時間;f為信號頻率。

在SIMULIINK軟件中創建油氣彈簧氮氣腔剛度特性曲線模型，如圖1所示。

選取式14的外部激勵信號，取激勵信號的幅值A=10mm，頻率f=1.5HZ，在SIMULINK的功能模塊中帶入相應參數，進行仿真分析，得到氮氣腔的剛度-位移曲線如圖3所示。

由圖3可知，活塞桿向外伸出初期階段速度較慢，小位移，剛度值很小且變化緩慢。隨著活塞桿運動速度較大，此時油氣彈簧的剛度性能有顯著的提高。

通過改變氮氣腔初期壓力，得到初期壓力對油氣彈簧剛度的影響，當初期壓力分別為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa時的剛度特性曲線如圖4。

由圖4可知：油氣彈簧的剛度值隨著氮氣腔的初期壓力值的變大而提高。當兩者之間的相對位移逐漸提高直至大于某個范圍的時候，剛度值變化的速率越來越陡。

通過改變氮氣腔初期高度，得到初期高度對油氣彈簧剛度的影響，取氮氣腔的初始壓力值為0.1MPa，其他參數不變，當氮氣腔初期高度分別為20mm、25mm、30mm時的剛度特性曲線如圖5。

由圖可知：油氣彈簧氮氣腔初期高度值越大，剛度曲線越加平穩，剛度值變小。

五、 結論

油氣彈簧的剛度值隨著氮氣腔的初期壓力值的變大而提高，氮氣腔初期高度值越大，剛度曲線越加平穩，剛度值變小，實際工程中，可以改變充油量來調節氮氣腔的參數，得到合適的剛度特性。

參考文獻：

[1]孫濤，喻凡，鄒游.工程車輛油氣懸架非線性的建模與仿真研究[J].系統仿真學報，2005，17（1）：210-213.

[2]阮春紅，左軍，曹樹平.重型越野車油氣彈簧的結構設計與靜特性分析[J].機床與液壓，2001，1（1）.

[3]李明.詳解MATLAB在最優化計算中的應用[M].北京：北京電子工業出版社，2011.

作者簡介：

王光宇，遼寧鐵道職業技術學院;

陸俊宇，遼寧科技大學。