阻尼孔及單向閥對車輛油氣懸架減振特性的影響

張赟熙

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

懸架剛度是衡量懸架抵抗變形能力的一種量度，等于懸架承受的載荷與該載荷引起的懸架變形的比值。懸架剛度分為懸架線剛度和懸架角剛度[1]。與傳統型板簧懸架相比，油氣懸架剛度和阻尼的非線性特征對整車行駛平順性的改善效果十分顯著。而在油氣懸架對車輛行駛平順性和操作穩定性的影響的研究中，馬麗哲[2]研究了多軸應急救援車輛的行駛平順性，設計了整車油氣懸架系統控制器；石鵬飛[3]提出了一種行車穩定減振策略，并通過MATLAB/Simulink 軟件對系統的剛度特性和減振性能進行分析；王帥等[4]建立了1/4 車的半主動控制算法數學模型，通過對半主動懸掛和主動懸掛進行仿真對比，研究了可調最值阻尼系數對車輛平順性變化的影響；張雷等[5]建立了Simulink/AMESim 聯合仿真模型，并進行仿真試驗，驗證了顯著降低制動模式切換時的沖擊能提升車輛制動平順性和乘坐舒適性；魏振魯等[6]設計了可以提高平衡性的油氣懸架，在車輛的行駛過程中保證操作穩定性；游專等[7]通過搭建某載重汽車的1/2 懸架的AMESim 系統模型，分析了汽車在正常行駛工況和越障工況下油氣懸架分別對路面隨機激勵和障礙物的響應特性；張小江等[8]設計了一套新型油氣懸架系統，利用能量法獲取了新型油氣懸架無阻尼條件下在平衡位置自由振動的相圖，得到了懸架自由振動頻率與振幅間的非線性關系。

另外，在單蓄能器油氣懸架的研究中，馬超等[9-10]運用AMESim 建立了油氣懸架模型，分析了同側耦合油氣懸架系統的初始充氣壓力對自卸車車身質心加速度和車輛總加權加速度均方根值等指標的影響規律；劉海波[11]建立了油氣懸架的數學模型，分析不同參數對油氣懸架阻尼孔兩端的壓差變化情況和活塞桿的受力情況的影響；劉金強等[12]針對連通式油氣懸架系統進行了側傾剛度和垂直剛度的理論計算、仿真和實驗測試，分析了懸掛缸不同安裝角度的側傾和垂直剛度特性；孫船斌等[13]研究了蓄能器的初始充氣壓力和體積、阻尼孔徑和油管內徑等懸架參數對行駛平順性的影響。在連通式油氣懸架的研究中，孫延彬[14]研究了一種可以提高懸架側傾剛度，同時提供較小的俯仰及扭轉剛度的混合型連通式油氣懸架；田文朋等[15]建立了Carsim 整車模型，分析了不同耦合形式的油氣懸架對車輛穩定性的影響。

本研究主要因為一些農業車輛在行駛過程和加載過程中的工作環境較為惡劣，車輛作業時受到的沖擊會使車輛的油氣懸架和輪胎部件嚴重損壞，其中，影響車輛剛度的因素可能主要和阻尼孔直徑、單向閥直徑等有關[16]。因此，為提高車輛行駛平順性以及車輛整體使用壽命，本文設計一種雙蓄能器油氣懸架系統，通過AMESim 軟件搭建油氣懸架模型，分析阻尼孔直徑以及單向閥直徑對懸架系統輸出特性的影響[17]。

1 雙蓄能器油氣懸架結構及工作原理

1.1 油氣懸架結構

本研究所用的油氣懸架主要由活塞、活塞桿、阻尼孔、單向閥、高壓蓄能器、低壓蓄能器等組成[18]。上固定端連接的是車身，下固定端連接的是車橋。由于油氣懸架本身結構復雜，因此需要將氣室內的氣體按照理想氣體處理。單氣室雙蓄能器油氣懸架結構簡圖如圖1所示。

圖1 兩級壓力式雙蓄能器油氣懸架結構簡圖

1.2 油氣懸架工作原理

圖1 所示的油氣懸架油缸的工作過程可以分為壓縮行程和復原行程兩部分：

1）當懸架處在壓縮行程時，活塞及活塞桿相對于缸筒向上運動，此時，油腔E 內的油液體積變小、壓力變大，油腔D 內的油液體積變大、壓力變小，單向閥打開，油腔E 里的液壓油受到壓縮向兩個方向流動，一部分液壓油通過單向閥和阻尼孔流入油腔D；另一部分液壓油經過橡膠軟管流入低壓蓄能器，使蓄能器氣室受到壓縮，體積變小，壓力升高。如果壓力達到高壓蓄能器初始壓力，高壓蓄能器打開，液壓油經過橡膠軟管流入高壓蓄能器[19]。

2）當懸架處在復原行程時，活塞及活塞桿相對于缸筒向下運動，此時，油腔E 內的油液體積變大、壓力變小，油腔D 內的油液體積變小、壓力變大，單向閥關閉，油腔D 中的液壓油通過阻尼孔流入油腔E，高壓蓄能器與低壓蓄能器中的部分液壓油經過橡膠管道流入油腔E。當壓力低于蓄能器初始壓力，高壓蓄能器關閉[20]。

2 基于AMESim的建模與仿真研究

為系統中的每個圖形模塊選擇合理的子模型，根據某農用車輛實際結構參數來創建仿真模型，如圖2所示，其主要參數如表1所示。

表1 AMESim模型參數

圖2 油氣懸架模型

在對油氣懸架進行仿真分析時，考慮到其本身結構比較復雜，進行如下簡化處理：

1）忽略缸內油液壓力對結構件變形的影響；

2）氣室內的氣體按理想氣體處理；

3）忽略油液中的氣體對油液體積模量的影響。

綜合公式構成系統輸出模型可知，對系統影響較大的參數主要是阻尼孔直徑和單向閥直徑。因此，接下來研究阻尼孔直徑和單向閥直徑對系統的影響[21]。

3 結構參數仿真分析

3.1 阻尼孔直徑對系統特性的影響

運用AMESim 批處理命令，先讓懸架系統在沒有外部激勵的情況下達到靜平衡（時間10 s）。保持其他結構參數、初始氣體體積、初始壓力及剛度阻尼不變，分別對阻尼孔直徑D等差取5 個值進行仿真，取值范圍在13 mm~17 mm 之間，設置阻尼孔的直徑分別為13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm。然后添加一個時間為1 s、載重為10 t的裝載激勵，進行批處理仿真。仿真結果如圖3所示。

圖3 不同阻尼孔直徑懸架輸出特性曲線

從仿真結果可以看出，隨著阻尼孔直徑的增加，阻尼力減小，車身垂直相對位移峰值、相對速度峰值隨之增加；但隨著阻尼孔直徑的增加，車身垂直加速度峰值和油缸壓力也會隨之增加。綜合分析，增大阻尼孔直徑，油缸壓力會隨之增大，對油缸會產生危害；但減小阻尼孔直徑，行駛穩定性會受一定影響，所以應根據實際情況和具體需求適當調整阻尼孔直徑[22]。

3.2 單向閥直徑對系統特性的影響

保持其他結構參數、初始氣體體積、初始壓力及剛度阻尼不變，分別對單向閥直徑d等差取5 個值進行仿真，取值范圍在13 mm~17 mm 之間，設置單向閥的直徑分別為13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm，進行批處理仿真。仿真結果如圖4所示。

圖4 不同單向閥直徑懸架輸出特性曲線

從仿真結果可以看出，單向閥直徑變大時，系統在壓縮段的阻尼持續變小，振動和沖擊都有彈性氣體吸收；而在伸張段阻尼恢復，不受單向閥變化的影響，由阻尼孔的阻尼來減振。理論上單向閥直徑越大，懸架的振動特性越好，但隨著單向閥直徑的增加，相對位移、相對速度、車身垂直加速度和油缸壓力也會隨之增加，不過實際設計時單向閥的開度不可能無限大，設計時需要綜合考慮各方面因素。

4 結論

油氣懸架系統在工作時，活塞桿和缸筒的相對位移、相對速度、車身垂直加速度以及油缸壓力由懸掛所受激勵、載荷及懸掛自身特性綜合決定，當改變阻尼孔直徑和單向閥直徑的大小時，汽車平順性以及穩定性有所變化。從圖3、圖4 中可以看出，阻尼孔直徑對系統的影響要略大于單向閥直徑對系統的影響，當阻尼孔直徑和單向閥直徑增大時，相對位移峰值、相對速度峰值、車身垂直加速度峰值和油缸壓力會隨之增大，但所受的沖擊也會隨之增大，而且實際設計時阻尼孔和單向閥的開度不可能無限大，所以設計時需要綜合考慮各方面因素[23]。