油氣彈簧剛度特性研究

摘 要：隨著科技的發展和社會的進步，人們對車輛的要求不僅僅局限于一種簡單的交通運輸工具，對乘坐舒適性和操縱穩定性有了更高的要求，這也意味著對懸架剛度特性、車身高度調節以及阻尼控制有更嚴格的要求。液壓懸架具備車高可調、剛度非線性、阻尼可控等有優越特性極大滿足高端汽車對懸架性能的特殊要求。而油氣彈簧是液壓懸架最為重要組成部分，油氣彈簧剛度則是懸架系統最為重要的參數指標之一。因此，研究油氣彈簧剛度的特性具有重要意義。

關鍵詞：液壓懸架 油氣彈簧 油氣彈簧剛度

1 緒論

近年來，隨著人們對車輛的懸架性能越來越高的性能需求，液壓懸架以其大承載、非線性剛度、多級剛度、大剛度、可調阻尼等特性被越來越多車型所應用，代表車型有雷克薩斯LX570、雷克薩斯LX600、雪鐵龍C6、仰望U8、方程豹豹5等[1]。液壓懸架是懸架技術發展重要方向，而油氣彈簧剛度是液壓懸架設計極其重要指標，本文通過理論推導，Amesim仿真驗證，明確了油氣彈簧理論計算公式，探究了敏感因素的影響規律，可為液壓懸架設計中懸架剛度匹配計算時提供理論依據。

2 油氣彈簧原理

油氣彈簧主要由減振器、阻尼控制模塊、蓄能器、液壓管路等部分組成，如圖所示。當汽車行駛過程中，懸架受到路面激勵負載增大，減振器壓力上升減振器油液通過管路流經阻尼控制模塊進入蓄能器，蓄能器氣室被壓縮，減振器壓縮運動；當懸架負載減小時，減振器壓力下降，蓄能器氣室膨脹，蓄能器油液通過管路流經阻尼控制模塊進入減振器，減振器復原運動。

由于油氣彈簧的彈性力由蓄能器內的氣體狀態變化所提供，是一個非線性的變化過程，導致油氣彈簧剛度也呈非線性變化。這一特性相較于螺簧固定剛度更利于車輛穩定，提升車輛操控性能。

3 油氣剛度理論計算

根據系統需求，油氣彈簧會配備單個蓄能器或多個蓄能器。通過設置不同的蓄能器氣室預充壓力，可以實現不同蓄能器介入系統作用條件區分；通過蓄能器與開關閥配合使用，可以實現油氣彈簧多級剛度功能，當開關閥將蓄能器與減振器隔離后，油氣彈簧剛度將會增大。因此，在油氣彈簧剛度理論分析計算時需要有單蓄能器計算方法與多蓄能器計算方法，以滿足實際需求。阻尼模塊會對油氣剛度有一定的影響，當減振器運動速度較低時，阻尼模塊對油氣剛度的影響較弱，本文進行油氣剛度理論分析時是基于忽略阻尼因素影響條件下進行[2-3]。

3.1 單蓄能器油氣彈簧剛度推導

單蓄能器油氣彈簧原理如圖1所示，減振器輸出力為：

公式1：

式中：——減振器現工作壓力；

——減振器有效工作面積。

根據氣體狀態方程有：

公式2：

則有：

公式3：

式中：——1#蓄能器預充壓力；

——1#蓄能器氣室容積；

——工作壓力下1#蓄能器氣室容積；

——氣體多變指數，取值范圍1.0～1.4。

將公式 3代入公式 1可得：

公式 4：

根據剛度定義，可得剛度計算公式如下：

公式 5：

式中：——減振器位移。

將分子分母同時乘于減振器作用面積，則有：

公式 6：

式中：——減振器油液變化體積。

同時有：

公式 7：

將23d7Z3Iy9CI/k4KorgvR9g==公式 4、公式 7代入公式 6得：

公式 8：

化簡得：

公式 9：

3.2 雙蓄能器油氣彈簧剛度推導

雙蓄能器油氣彈簧原理如下圖所示：

由于雙蓄能器的油液變化是由兩個蓄能器共同作用的，則有：

公式 10：

式中：——1#蓄能器氣室容積變化；

——2#蓄能器氣室容積變化；

——1#蓄能器氣室容積；

——工作壓力下1#蓄能器氣室容積；

——2#蓄能器氣室容積；

——工作壓力下2#蓄能器氣室容積。

根據波義耳定律有：

公式 11：

式中：——1#蓄能器氣室預充壓力；

——2#蓄能器氣室預充壓力。

將公式 10代入公式 6得：

公式 12：

將公式 11代入公式 12得公式 13：

進一步化簡得公式 14：

將公式 11代入上式得公式 15：

同理可推導i個蓄能器的油氣剛度理論計算公式為公式 16：

式中：——工作壓力下第i#蓄能器氣室容積。

3.3 油氣彈簧剛度敏感因素

根據公式16可知油氣彈簧剛度是非線性剛度，與傳統螺旋彈簧固定剛度有著巨大區別。同時，油氣彈簧剛度與工作壓力、執行器工作面積以及蓄能器當前狀態的氣室容積相關。并且，可以確定油氣彈簧剛度與執行器工作面積成正比、與蓄能器當前氣室容積成反比、與油氣懸架當前工作壓力成正比。

4 油氣彈簧剛度仿真計算

上述已推導油氣彈簧剛度理論計算公式，為驗證其準確性，搭建基于AMESim仿真平臺的油氣懸架模型，仿真計算油氣剛度，對比分析仿真結果與理論計算結果[4]。

4.1 單蓄能器油氣彈簧仿真

單蓄能器彈簧仿真模型如下圖所示：

如上圖所示，仿真模型設置相應減振器初始工作壓力，然后減振器在外力作用下緩慢壓縮，克仿真得到減振器的力位移曲線，進而得到減振器剛度曲線。

仿真參數如下表所示：

減振器輸出力與位移的仿真曲線如下圖所示：

將上訴仿真曲線進行求導獲得減振器剛度曲線，如下圖所示：

由剛度曲線可知減振器70bar工作壓力的剛度為121.20N/mm，將表 1參數代入公式 9可計算出理論剛度為126.94N/mm，兩者誤差為4.5%，理論值與仿真值接近，上述推導單蓄能器油氣彈簧剛度理論計算方法可靠度高。

4.2 雙蓄能器油氣彈簧仿真

雙蓄能器彈簧仿真模型如下圖所示：

仿真參數如下表所示：

減振器輸出力與位移的仿真曲線如下圖所示：

將上訴仿真曲線進行求導獲得減振器剛度曲線，如下圖所示：

由剛度曲線可知減振器70bar工作壓力的剛度為65.50N/mm，將表2參數代入公式15可計算出理論剛度為67.94N/mm，兩者誤差為3.6%，理論值與仿真值接近，上述推導雙蓄能器油氣彈簧剛度理論計算方法可靠度高。

5 總結

上述仿真已驗證油氣彈簧剛度的理論計算公式準確可靠，通過理論計算公式分析出油氣剛度與減振器有效工作面積的平方成正比，與蓄能器當前氣室容積成反比、與減振器當前工作壓力成正比。在油氣彈簧剛度設計時可以使用上述剛度理論計算模型進行匹配校驗，具有實際工程應用意義。

參考文獻：

[1]王洪藝.車用油氣彈簧的設計、仿真與分析[D].長春：長春理工大學，2014.

[2]李占芳，仝軍令，李威.單氣室油氣彈簧的優化設計研究[J].振動與沖擊，2011，30（4）：166-172.

[3]任俠，邢永海，侯占威，等.裝甲車用雙氣室油氣彈簧剛度特性分析與研究[J].青島科技大學學報（自然科學版），2023，44（3）：97-101.

[4]郭孔輝，徐文立，徐達偉.基于AMESim的新型油氣彈簧建模與仿真[J].江蘇大學學報（自然科學版），2012，33（5）：497-501.