基于氣壓減振器的車輛懸架振動研究

譚鵬宇，唐嵐，董明豐

基于氣壓減振器的車輛懸架振動研究

譚鵬宇，唐嵐*，董明豐

（西華大學 汽車與交通學院，四川 成都 610000）

文章介紹一種采用高壓氮氣為內部工作介質、純氣壓的減振器，用以提升車輛駕乘過程中的舒適度與安全性。首先研究了減振器結構特點；其次經過理論仿真和臺架試驗研究了示功特性；最后利用懸架匹配試驗臺測試，將氣壓減振器與H9原裝液壓減振器進行性能對比。試驗表明：氣壓減振器最小接觸力的平均值提升12.13%，位移幅頻特性減小25.19%，輸出加速度均方值減小28.23%，因此對于提高車輛的駕乘舒適性和安全性是有效、可行的。

氣壓減振器；仿真；試驗；示功特性；性能對比

引言

目前，液壓減振器和氣-液混合減振器被廣泛應用于現代汽車，相較而言氣壓減振器則使用極少，尚處于起步階段。但經過測試發現氣壓減振器其阻尼特性和最大接觸力優于液壓減振器，與此同時其內部工作介質也有很多優點，例如獲得途徑簡單、化學性質穩定、清潔等，讓其具有成本低、工作可靠性高以及環保的優勢。因此該類減振器具有較大的發展潛力。

當前，純氣壓減振器的研究很少，但其工作特點類似于液壓減振器和空氣彈簧的組合，因此研究方法可參考空氣彈簧。國外研究方面，Gerhard Fischer[1]等人提出了一類空氣彈簧的耐久性試驗方法；Haider J[2]等人設計了空氣彈簧阻尼器和磁流變（MR）阻尼器的混合執行器；Chulhee Han[3]等人證明了空氣彈簧懸架等效系統可以產生接近被動懸架系統的響應。國內清華大學楊超[4]結合空氣懸架和鋼板彈簧懸架設計形成鋼板彈簧-空氣彈簧復合懸架；西南交通大學羅英昆[5]探究得到了空氣彈簧垂向特性與其結構參數之間的非線性關系；海軍工程大學徐國敏[6]設計了一種承載能力大、空間適用性高的長方體形囊式空氣彈簧。

本文研究了一種單筒、單出桿、純氣壓式減振器，通過對該減振器進行了綜合輸出力的分析，并利用MATLAB/ SIMULINK仿真平臺與實際示功試驗進行分析對比，證明其輸出性能的有效性，最后進行1/4懸架性能試驗，并將其與傳統液壓減振器的性能對比，驗證了在實際加載工作條件下性能的提升。

1 氣壓減振器結構

氣壓減振器由于其工作介質以及工作時的反應不同，因此結構也與其他減振器有所差異，主要為未增設補償腔[7]和底閥，同時僅使用常通孔和單向閥[8]代替了活塞閥系，其結構設計如圖1所示。

1—連桿腔；2—連桿；3—活塞；4—單向閥；5—常通孔；6—空腔。

2 氣壓減振器模型

2.1 綜合輸出力建模分析

氣壓減振器的綜合輸出力由氣體力和阻尼力組成。當氣壓減振器正常運行時，活塞做上下往復運動，運動使氣體在兩個腔室之間來回流動[9]，由于阻尼孔流量小，而連桿伸入工作腔的體積大，氣體不能完全通過阻尼孔，造成了兩個端面之間氣體壓強不相等，并因此產生了氣體力。活塞把氣壓減振器內部隔成上下腔室，在工作過程中高壓氮氣流經單向閥4和常通孔5，會與其內壁摩擦，從而形成阻尼力[10]。

2.1.1氣體力

根據有關研究的經驗公式，阻尼力的大小與氣體通過細長阻尼孔的流速、壓強差等因素有關[11]，而活塞兩側腔室壓差和阻尼孔截面積都會影響氣體流速，這就需要借助氣體壓差間接計算阻尼力大小。

工程上對氣體流量計算公式如下：

式中：為上下腔的壓強差；C為氣體流量系數；為氣體密度；0為阻尼孔截面積。

對于單一腔體（活塞兩側的某一腔體）的壓強計算，由于有一定量的氣體通過阻尼孔而發生變化，在計算氣體任意狀態下的體積變化和壓強變化時，使用克拉伯龍方程作為依據較為有效，氣體壓強表達式為：

式中，為活塞腔初始氣體質量且空腔和連桿腔質量相同；為腔體內氣體的變化質量；為氣體摩爾質量；是初始體積。

由于有連桿占據作用面積，活塞兩側的有效作用面積不相等，綜合輸出力表達式[12-13]為：

式中，m為連桿腔氣體質量；m為空腔氣體質量；V為連桿腔體積；V為空腔體積。

2.1.2阻尼力

由阻尼力的計算方法[14]可得出氣壓減振器綜合輸出力中的阻尼力為：

式中，為活塞運行速度；為阻尼系數，但不同工況下阻尼系數不同，查閱相關資料，得到阻尼系數的計算公式為：

式中，為氣體密度；為活塞凈有效面積；為阻尼孔個數。

因此，筒式氣壓減振器的綜合輸出力為：

3 仿真與試驗

3.1 綜合輸出力分析

該減振器的機構參數如表1所示，采用MATLAB中SIMULINK及GUI工具對綜合輸出力進行仿真，依照中華人民共和國汽車行業標準“QC/T545—1999”進行試驗，試驗主要為獲取減振器綜合輸出力曲線，設備如圖2所示。

圖2 減振器臺架試驗

表1 減振器的結構參數

參數數值 活塞缸缸內直徑D/mm44 連桿直徑d/mm18 活塞阻尼孔徑d0/mm1 活塞閥口直徑d1/mm3.2 活塞腔有效長度L/mm135 靜態氣壓/MPa1 振幅/mm100

圖3 氣壓減振器示功特性仿真與試驗結果

3.2 懸架性能匹配實驗

3.2.1實驗設備

實驗車型為Haval H9，全車整備質量2 400 kg，為測試整車極限承載條件下的振動特性，實驗加載為940 kg，因此，1/4懸架匹配實驗臺配重為835 kg，同時采用正弦運動作為本次試驗激勵。

圖4 懸架性能匹配試驗臺

3.2.2液壓與氣壓減振器性能對比

圖5 液壓與氣壓減振器的頻域性能對比圖

圖5為液壓與氣壓減振器的頻域性能對比圖，紫紅色曲線代表H9原裝液壓減振器，藍色曲線代表靜態氣壓值為1.0 MPa時的氣壓減振器。

由圖5可知，氣壓減振器在位移幅頻特性和加速度均方根值的平均水平上，比原裝液壓減振器有明顯的下降；同時氣壓減振器最小接觸力的最小值都高于液壓減振器，其中最小接觸力的平均值相比液壓減振器提升12.13%，位移幅頻特性減小25.19%，輸出加速度均方值減小28.23%。

4 結論

通過在1/4懸架匹配實驗臺的分析，相比于Haval H9原裝液壓減振器，筒式氣壓減振器在性能上有顯著的提升，輸出加速度均方根值、幅頻特性和最小接觸力指標都有較大的進步。因此筒式氣壓減振器對車輛行駛安全、乘員舒適性上具有明顯的改善。

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Research on Vehicle Suspension Vibration Based on Pneumatic Shock Absorber

TAN Pengyu, TANG Lan*, DONG Mingfeng

( School of Automobile and Transportation, Xihua University, Sichuan Chengdu 610000 )

This paper introduced a shock absorber that uses high-pressure nitrogen as the internal working medium and pure air pressure to improve the comfort and safety of the vehicle during driving. Firstly, the structural characteristics of the shock absorber are studied; secondly, the indicator characteristics are studied through theoretical simulation and bench test; finally, the performance of the air shock absorber is compared with the H9 original hydraulic shock absorber by the suspension matching test bench test. The test shows that the average value of the minimum contact force of the air shock absorber is increased by 12.13%, the displacement amplitude-frequency characteristic is reduced by 25.19%, and the mean square value of the output acceleration is reduced by 28.23%. Therefore, it is effective and feasible to improving the driving comfort and safety of the vehicle.

Pneumatic shock absorber;Simulation;Test;Indicator characteristics;Performance comparison

U463.1

A

1671-7988(2021)23-26-04

U463.1

A

1671-7988(2021)23-26-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.008

譚鵬宇，男，研究生，就讀于西華大學汽車與交通學院，研究方向：汽車振動。

唐嵐，教授，就職于西華大學汽車與交通學院。

四川省科技支撐重點項目（2019YFG 0042）；四川省科技廳國際合作項目（2018HH0125）。