汽車(chē)油氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1目錄一、緒論………………………………………………………………………… 51.1 概述……………………………………………………………………………51.2 油氣懸架特性…………………………………………………………………61.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況………………………………………………………………71.4 本課題研究意義和研究?jī)?nèi)容…………………………………………………9二、油氣懸架的結(jié)構(gòu)形式和工作原理…………………………………… 102.1 系統(tǒng)分類(lèi)………………………………………………………………………102.2 單氣室油氣彈簧………………………………………………………………102.3 雙氣室油氣彈簧………………………………………………………………122.4 兩級(jí)壓力氣室油氣彈簧………………………………………………………12三、油氣懸架系統(tǒng)建?！?…………133.1 概述……………………………………………………………………………133.2 單氣室油氣彈簧非線性模型…………………………………………………133.2.1 單氣室油氣懸架物理模型的建立………………………………………133.2.2 單氣室油氣懸架數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………143.2.3 單氣室油氣懸架參數(shù)的確定……………………………………………213.3 雙氣室油氣彈簧非線性模型…………………………………………………223.3.1 雙氣室油氣懸架物理模型的建立………………………………………233.3.2 雙氣室油氣懸架數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………243.3.3 雙氣室油氣懸架參數(shù)的確定……………………………………………26四、油氣懸架系統(tǒng)特性分析…………………………………………………304.1 概述……………………………………………………………………………304.2 非線性特性影響因素…………………………………………………………304.3 剛度特性………………………………………………………………………314.3.1 油氣懸架剛度特性公式推導(dǎo)………………………………… ………314.4 阻尼特性………………………………………………………………………324.4.1 油氣懸架阻尼特性公式推導(dǎo)………………………………………… 32五、一種單氣室阻尼可變油氣分離式彈簧的設(shè)計(jì)………………………355.1 設(shè)計(jì)背景說(shuō)明…………………………………………………………………355.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及構(gòu)成………………………………………………………………355.3 附圖說(shuō)明………………………………………………………………………365.4 具體工作過(guò)程…………………………………………………………………41六、總2結(jié)……………………………………………………………………………42 參考文獻(xiàn)…… ……………………………………………………………………43致謝………………………………………………………………………………443汽車(chē)油氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 車(chē)身的原有的振動(dòng)決定了汽車(chē)的舒適性和平順性，車(chē)身的固有振動(dòng)頻率特性與懸架的特性有關(guān)。車(chē)架和車(chē)橋之間的傳輸力和力矩的連接裝置叫做懸架，用來(lái)緩沖車(chē)輛行駛過(guò)程中遇到的路面顛簸帶給車(chē)身或車(chē)橋的振動(dòng)，同時(shí)降低由其帶來(lái)的沖擊。油氣懸架有很好的非線性剛度特性和非線性阻尼特性，車(chē)輛采用這種懸架系統(tǒng)可達(dá)到汽車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行，減少道路的顛簸，緩解駕駛疲勞，提高車(chē)輛的乘坐舒適性。因此，對(duì)油氣懸架系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)與研究對(duì)車(chē)輛的乘坐舒適性具有重要的意義。在單汽缸油氣彈簧為基礎(chǔ)的研究對(duì)象上，主要工作集中在以下幾個(gè)方面：首先懸架系統(tǒng)的發(fā)展歷程，實(shí)際應(yīng)用，研究現(xiàn)況，然后敘述了懸架的分類(lèi)和各自的技術(shù)特點(diǎn)。然后建立了粗糙的油氣懸架的物理模型和數(shù)學(xué)模型，分析油氣懸架系統(tǒng)特性的影響因素，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的基于整車(chē)油氣懸架的試驗(yàn)臺(tái)，它的負(fù)載量是可變的、油氣是分離式的。關(guān)鍵詞：油氣懸架 非線性特性 整車(chē)油氣懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4Research and design on vehicle hydro pneumatic suspension systemAbstract The original vibration body determines the vehicle ride comfort, the inherent characteristics of vibration characteristics of car body and suspension of relevant. Suspension is the frame and the axle between all general force transmission connection device, buffer in automobile driving process caused byroad excitation and transmitted to the frame or body of the impact force, while attenuating vibration caused by it. Oil air suspension has good nonlinear stiffness and damping characteristics, the suspension of vehicles run smoothly, reduce the road bumps, relieve fatigue, improve vehicle ride comfort. Therefore, study on the performance of hydro pneumatic suspension system has important practical significance to improve vehicle ride comfort.Based on the single cylinder oil gas spring as the research object, research work is carried out mainly in the following aspects:First introduced the development course, suspension system application,research status at home and abroad, then expounds the suspension classification and respective technical characteristics. Then a mathematical model of the physical model of oil gas suspension based on rough set, analyze the influencing factors of hydro pneumatic suspension system characteristics,design a new structure of single chamber damping force variable separation of oil and gas spring and on this basis, hope to provide some reference for other colleagues to further research and accurate design.Key words：hydro-pneumatic suspension modeling Nonlinear characteristics Structure design5第一章 緒論1.1 油氣懸架系統(tǒng)簡(jiǎn)述懸架是現(xiàn)代汽車(chē)上重要的總成之一，它把車(chē)架與車(chē)軸之間彈性的連接起來(lái)其主要任務(wù)是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架之間的一切力和力矩，緩和路面?zhèn)鹘o車(chē)架的沖擊載荷，保證汽車(chē)行駛的平順性，使車(chē)輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車(chē)操作穩(wěn)定性，使汽車(chē)獲得高速行駛能力。懸架一般是由彈性元件、導(dǎo)向裝置、橫向穩(wěn)定器、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)構(gòu)成。按車(chē)輛行駛過(guò)程中懸架是否能被控制，可分為被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架三種類(lèi)型。不需要外部輸入力的懸架叫做被動(dòng)懸架；通過(guò)外部能量輸入實(shí)現(xiàn)控制力調(diào)節(jié)的可控懸架叫做主動(dòng)懸架；輸入少量調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的可控阻尼懸架稱為半主動(dòng)懸架。油氣懸架的支撐的壓力通過(guò)液體傳遞，用惰性氣體作為彈性媒介，用彈簧阻尼對(duì)車(chē)輛的振動(dòng)和用蓄能器存儲(chǔ)或者釋放能量的系統(tǒng)。彈簧阻尼的內(nèi)部節(jié)流孔、單向閥等代替了通常的減振器元件形成一種獨(dú)特的懸架系統(tǒng)。油氣懸架彈簧把彈性元件和阻尼元件集中一體，具有很好的非線性彈性特性的和優(yōu)秀的阻尼性能。油氣懸架老早以前就出現(xiàn)在飛機(jī)的起落架上，可以提升飛機(jī)著陸的安全性和平穩(wěn)性。后時(shí)期，設(shè)計(jì)師把懸架用于汽車(chē)上來(lái)提高汽車(chē)駕駛的舒適性和操作穩(wěn)定性。油氣懸架是液體和氣體組合，利用油液的流動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)減振作用，利用氣體的可以被壓縮作為懸架的彈性元件，同時(shí)用油液的不能壓縮實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。因此，油氣懸架不僅具有良好的阻尼特性，更好的是它可以很好地控制汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。1.2 油氣懸架特性（1）非線性剛度 傳統(tǒng)的車(chē)輛大多是以鋼板彈簧和阻尼元件為主的懸架，其剛度特性是固定不變的，油氣懸架的彈性介質(zhì)是惰性氣體，其剛度特性不是固定不變的、可以隨外部的變化而變化的。6（2）非線性阻尼 車(chē)架與車(chē)軸相對(duì)速度主要與油氣懸架的阻尼有關(guān),改變減振器阻尼振動(dòng)，可減輕或車(chē)身變化，防止起步或急加速汽車(chē)下沉；防止緊急剎車(chē)時(shí)車(chē)頭下降；防止汽車(chē)急轉(zhuǎn)彎時(shí)橫向傾斜；防止汽車(chē)換擋時(shí)縱向搖動(dòng)等，提高行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，具有很好的減振性。 （3）車(chē)身高度自由調(diào)節(jié) 不管車(chē)輛荷載的大小，可以使車(chē)輛保持高度基本不變，當(dāng)車(chē)輛在顛簸路面上，能主動(dòng)提升高度，防止車(chē)橋與道路碰撞；當(dāng)汽車(chē)在狀況良好的路面上行駛時(shí)，又可以降低車(chē)身，以降低空氣阻力。這對(duì)改善車(chē)輛的行駛性能十分有益。 （4）結(jié)構(gòu)緊湊、易于布置 油氣懸架的彈簧阻尼沒(méi)有附帶專用的減振器，而是把減振器融進(jìn)懸架缸內(nèi)，用浮動(dòng)活塞將液氣分開(kāi)，更適應(yīng)車(chē)輛大距離行程的需要。同時(shí)，油氣彈簧系統(tǒng)具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拆卸等優(yōu)點(diǎn)。1.3 油氣懸架發(fā)展史和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況1.3.1 油氣懸架在國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)況對(duì)比國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，國(guó)外處于應(yīng)用階段，國(guó)內(nèi)還處于理論研究階段，差距明顯，需在以下方面努力:（1） 系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性研究，這需要研究、設(shè)計(jì)生產(chǎn)單位增加開(kāi)發(fā)費(fèi)用，引進(jìn)和設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)備，高?？梢越栌闷髽I(yè)的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行參數(shù)研究。既要進(jìn)行油氣懸架理論，仿真方面的研究。又要重視!油氣懸架具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。開(kāi)發(fā)獨(dú)立自主的油氣懸架產(chǎn)品（2） 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究：如剛度特性，阻尼特性，頻率特性的定性定量說(shuō)明。懸架減振效果的定性定量說(shuō)明等；（3） 油氣懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)：不單純是油氣懸架參數(shù)的優(yōu)化，還應(yīng)該包括不同的油氣懸架結(jié)構(gòu)性能差異的對(duì)比以及對(duì)車(chē)輛各種性能的影響。并在設(shè)計(jì)油氣懸架時(shí)將優(yōu)化結(jié)果納入其中。從而大幅度提高車(chē)輛性能；（4） 制定通用的研究設(shè)計(jì)規(guī)則：隨著油氣懸架系統(tǒng)性，基礎(chǔ)性研究的加強(qiáng)。理論研究和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合以及優(yōu)化研究的不斷深入。需要建立一套通7用的油氣懸架的研究設(shè)計(jì)規(guī)則。使油氣懸架的研究設(shè)計(jì)逐漸規(guī)范化，系列化；（5） 整車(chē)，多橋油氣懸架系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的研制。實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，可視化設(shè)計(jì)。并開(kāi)發(fā)專門(mén)的油氣懸架的計(jì)算機(jī)仿真軟件；（6） 從被動(dòng)懸架技術(shù)向半主動(dòng)懸架，主動(dòng)懸架技術(shù)發(fā)展。其中微處理器的應(yīng)用是一個(gè)必然的選擇。采用電腦控制，最終形成主動(dòng)自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)。1.3.2 對(duì)于國(guó)內(nèi)油氣懸架研究現(xiàn)況提出幾點(diǎn)看法1）系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性研究。2）加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。3）加強(qiáng)對(duì)油氣懸架優(yōu)化的研究。1.4 本課題研究意義和研究?jī)?nèi)容本課題是基于實(shí)驗(yàn)室三軸轉(zhuǎn)向臺(tái)建設(shè)的實(shí)際情況提出的，此課題需要根據(jù)現(xiàn)有三軸小車(chē)懸掛系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)懸掛系統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)架，要求所設(shè)計(jì)臺(tái)架能夠進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，并且激勵(lì)平臺(tái)位于底部，所設(shè)計(jì)的平臺(tái)能夠始終保持穩(wěn)定，以及懸掛缸間距離的調(diào)整，因此，能夠發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力；使學(xué)生學(xué)會(huì)使用專業(yè)工具書(shū)、學(xué)會(huì)查閱專業(yè)文獻(xiàn)，并具備一定的閱讀外文資料的能力，了解車(chē)輛轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展新動(dòng)態(tài)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。8第二章 油氣懸架的結(jié)構(gòu)形式和工作原理2.1 油氣懸架結(jié)構(gòu)分類(lèi)油氣懸架有多種形式。按單缸蓄能器形式，分為單氣室、雙氣室、兩級(jí)壓力式等；根據(jù)懸掛油缸連接是否可分為獨(dú)立型和連接型；按車(chē)輛行駛過(guò)程中懸架控制是否需要外部能量輸入分為被動(dòng)油氣懸架、半主動(dòng)油氣懸架和主動(dòng)油氣懸架。按照整體分類(lèi)，分為獨(dú)立式和互聯(lián)式，按油氣是否分離可分為油氣分離和油氣混合型[8] 。a）獨(dú)立式油氣懸架 b）互聯(lián)式油氣懸架圖 2.1 油氣懸架的結(jié)構(gòu)形式另外，按照結(jié)構(gòu)形式可分為單氣室、雙氣室、兩級(jí)壓力室等類(lèi)型。2.2 單氣室懸架結(jié)構(gòu)和工作原理圖 2 為單氣室懸架液壓缸的結(jié)構(gòu)，活塞桿里有若干個(gè)空腔，通過(guò)一些阻尼孔和單向閥將各個(gè)腔室連接（A、B 腔） ，蓄能器與 A 腔相通，通過(guò)油路和油缸。當(dāng)車(chē)輛受路面刺激，活塞和活塞桿組件可以相對(duì)于氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彈簧在壓縮沖程中，A 腔的油液分兩部分流動(dòng)，一是通過(guò)管道油路進(jìn)入蓄能器壓縮氣體；二是進(jìn)入 B 腔通過(guò)阻尼孔和單向閥。 。在膨脹沖程中的彈簧，B 腔的油被壓縮，油強(qiáng)制 B 腔的通孔板流量（同時(shí)，單向閥關(guān)閉） ，同時(shí)由于體積的增大，大于B 腔減小，導(dǎo)致油箱部分到一個(gè)腔中的氣體壓力的蓄能器。9圖 2.2 單氣室懸架液壓缸結(jié)構(gòu)在壓縮沖程中，一個(gè)單向閥打開(kāi)，活塞和活塞桿組件的阻尼力相對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)較小，這是對(duì)傳統(tǒng)彈簧懸架等效；在壓縮沖程中，一個(gè)單向閥關(guān)閉，活塞和活塞桿組件的阻尼力相對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)的較大，這是對(duì)傳統(tǒng)彈簧懸架等效。2.3 雙氣室懸架結(jié)構(gòu)和工作原理雙氣室油氣懸架缸結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，液壓缸的內(nèi)部有 A、B、C 三個(gè)油腔，C 腔一方面通過(guò)數(shù)個(gè)阻尼孔和單向閥與 B 腔相通，另一方面通過(guò)管道和左蓄能器通過(guò)管道連通，空腔是正確的蓄能器相通。在壓縮沖程中的彈簧，油腔將被壓縮到合適的蓄能器，C 腔的油液因 B 腔容積增大而受到左蓄能器氣體壓縮進(jìn)而通過(guò)阻尼孔和單向閥進(jìn)入 B 腔；在膨脹沖程中的彈簧，油腔由于壓縮阻尼孔進(jìn)入左蓄能器，油對(duì)由于腔體積增大了對(duì)蓄電池的氣體壓縮蓄能器然后進(jìn)入室 A[8]。類(lèi)似于單室懸架液壓缸，在第一種情況下，由于單向閥打開(kāi)，活塞和活塞桿組件相對(duì)缸運(yùn)動(dòng)阻尼力?。辉诤笠环N情形下，由于單向閥關(guān)閉，活塞和活塞桿組件相對(duì)缸運(yùn)動(dòng)阻尼力大。10圖 2.3 雙氣室懸架液壓缸結(jié)構(gòu)2.4 兩級(jí)壓力氣室懸架結(jié)構(gòu)和工作原理圖 4 所示的結(jié)構(gòu)和兩室油氣懸架原理。與兩室油氣懸架和單室油氣懸架相比，連接在一個(gè)腔上蓄能器 1 和蓄能器 2，形成一個(gè)并聯(lián)的關(guān)系。儲(chǔ)能器 1 主氣室，蓄電池 2 補(bǔ)償氣室，在輕載車(chē)，只有主室參加工作，當(dāng)負(fù)載超過(guò)臨界負(fù)荷，補(bǔ)償室開(kāi)始參加工作，彈簧的剛度退化，降低振動(dòng)頻率，從而提高車(chē)輛的乘坐舒適性。圖 2.4 兩級(jí)壓力氣室懸架液壓缸結(jié)構(gòu)11第三章 油氣懸架非線性模型的建立3.1 概述油氣懸架由導(dǎo)向元件，彈性元件和阻尼元件組成，彈簧缸是油氣彈簧的核心，它是由膜式空氣彈簧發(fā)展而來(lái)的。懸架將傳統(tǒng)的彈性元件和阻尼元件組合在一起，以惰性氣體（通常是氮?dú)猓┳鳛閺椥越橘|(zhì)，利用氣體的可壓縮性來(lái)吸收和釋放能量，就是蓄能器，在彈簧缸體內(nèi)采用油液作為減振介質(zhì)，同時(shí)可以傳遞壓力，油液通過(guò)活塞桿上的壓縮閥系和伸張閥系或者外置的阻尼器產(chǎn)生阻尼力用散熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減振動(dòng)。具有傳統(tǒng)懸掛式懸掛在一方面的功能，另一方面，非線性特性和傳統(tǒng)懸架好沒(méi)有的特征，如身體的高度可調(diào)，可調(diào)阻尼等。油氣懸架的特性對(duì)車(chē)輛的行駛平順性及操縱穩(wěn)定性等性能具有直接影響。油氣懸架具有非線性的工作特性，懸架剛度隨著傳遞作用力的增大而增大，可以減少甚至避免非懸架部分對(duì)車(chē)體的撞擊，提高了車(chē)輛的行駛平順性，因此油氣懸架非常適用于行駛工況復(fù)雜的越野車(chē)輛上。為了進(jìn)一步研究及改善油氣懸架對(duì)車(chē)輛的性能，就需要將油氣懸架抽象、簡(jiǎn)化成物理模型，根據(jù)相關(guān)的流體及力學(xué)理論建立起油氣懸架的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而分析油氣懸架阻尼特性和剛度特性，有需要時(shí)還應(yīng)該根據(jù)車(chē)輛的性能對(duì)油氣懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足車(chē)輛對(duì)性能的要求。本章首先介紹單氣室和雙氣室油氣懸架的物理結(jié)構(gòu)并分析油氣懸架的工作原理，建立油氣懸架的物理模型和非線性數(shù)學(xué)模型，最后介紹說(shuō)明了一種新型油氣懸架結(jié)構(gòu)[9] 。3.2 油氣懸架非線性模型的建立3.2.1 單氣室油氣懸架物理模型根據(jù)油氣懸架結(jié)構(gòu)建立其物理模型是建立油氣懸架數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，把活塞桿上的閥系簡(jiǎn)化成可變節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)，孔的面積可以通過(guò)閥片變形的開(kāi)閥面積計(jì)算得到。同時(shí)，考慮到壓縮閥座及復(fù)原閥座上的活塞孔直徑較大，而且長(zhǎng)度較短，因此可以忽略活塞孔的沿程壓力損失。基于上述結(jié)構(gòu)12轉(zhuǎn)化，建立的單氣室油氣懸架模型如圖 3.1 所示。圖 3.1 單氣室油氣懸架物理模型圖中:P1、P2、 P3 分別為無(wú)桿腔、活塞桿腔、無(wú)桿腔油液壓力；Ac、Ar 分別為壓縮閥、復(fù)原閥的等效過(guò)流面積；Pr、Vr 分別表示蓄能器的氣體壓力、氣體體積；Ac0 為活塞桿腔與有桿腔之間的節(jié)流孔總面積；Qr、Qc 分別為復(fù)原行程、壓縮行程無(wú)桿腔與活塞桿腔之間的油液流量[10]。3.2.2 單氣室油氣懸架數(shù)學(xué)模型建立合理的單氣室油氣懸架數(shù)學(xué)模型是非常重要的工作，對(duì)研究油氣懸架非線性特性研究起著至關(guān)重要的作用，只有建立合適對(duì)的數(shù)學(xué)模型，才能進(jìn)一步模擬仿真研究非線性特性，接著才能和整車(chē)模型結(jié)合，研究裝有油氣懸架車(chē)輛整車(chē)的性能表現(xiàn)。在建立單氣室油氣懸架數(shù)學(xué)模型之前，為了簡(jiǎn)化計(jì)算進(jìn)行下列假設(shè):1. 忽略活塞與缸筒之間的油液泄露、活塞桿慣性力及油液流動(dòng)慣性力，活塞桿與缸筒之間的摩擦力設(shè)為常值。2. 不考慮溫度變化對(duì)系統(tǒng)(油液粘度、彈性模量等)的影響，認(rèn)為在拉伸、壓縮過(guò)程中，油氣懸架油液溫度保持不變。3. 認(rèn)為油液是不可壓縮的，油液的體積彈性模量視為常數(shù)[10]。（1）蓄能器蓄能器內(nèi)充滿高壓氮?dú)庾鳛橛蜌鈶壹艿膹椥越橘|(zhì)，相當(dāng)于傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的彈簧。13在車(chē)輛行駛過(guò)程中，隨著活塞桿相對(duì)缸筒的上下運(yùn)動(dòng)，蓄能器中的氣體處于連續(xù)的膨脹和壓縮狀態(tài)。大部分文獻(xiàn)在研究油氣懸架時(shí)一般將氣體看作是理想氣體，建立其數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)采用氣體狀態(tài)方程來(lái)描述。理想氣體狀態(tài)方程是一個(gè)多變過(guò)程，其表達(dá)式為:??0VP?（3-1）式中， P0——理想氣體的初始?jí)簭?qiáng)， Pa；V0——理想氣體的初始體積，m 3；P ——理想氣體的壓強(qiáng)， pa；V——理想氣體的體積，m3；γ--氣體多變指數(shù)；當(dāng)油氣懸架處于壓縮狀態(tài)或者拉伸狀態(tài)時(shí)，蓄能器內(nèi)氣體壓強(qiáng)和溫度是連續(xù)變化的，同時(shí)，在油氣懸架工作過(guò)程中，蓄能器內(nèi)氣體跟外界空氣也有熱量交換，因此，蓄能器內(nèi)氣體的溫度變化是比較復(fù)雜的。氣體多變指數(shù) γ 的理論范圍為 1~1.4，但是實(shí)際上氣體多變指數(shù)是個(gè)與氣體狀態(tài)相關(guān)的變量，大小受到很多因素的影響，比如氣體的溫度、外界激勵(lì)的速度頻率等，很難確定其具具體值。文獻(xiàn)對(duì)油氣懸架氣體多變指數(shù)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，蓄能器內(nèi)氣體多變指數(shù)最高甚至可達(dá)到 1.6~1.8，這跟理論的氣體多變指數(shù)有較大差距。本文對(duì)單氣室油氣懸架建模時(shí)采用理想的氣體狀態(tài)方程，這對(duì)于研究油氣懸架的非線性特性及油氣懸架車(chē)輛的性能研究已經(jīng)足夠。如果需要對(duì)油氣懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)或者其它對(duì)模型精度要求很高的用途時(shí)，則需要結(jié)合油氣懸架的實(shí)際工況充分考慮氣體溫度的影響，采用實(shí)際氣體狀態(tài)方程。對(duì)于式子(3-1)，在定氣體多變指數(shù)前提下，只要求出蓄能器某一時(shí)刻氣體體積，即可求出此時(shí)蓄能器內(nèi)氣體壓力。代入式子(3-1)可得到: （3-2）（3-3）14(2) 復(fù)原閥系該單氣室油氣懸架的復(fù)原閥和壓縮閥集成于活塞閥總成中?；钊y總成結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示。圖 3.2 活塞閥總成結(jié)構(gòu)復(fù)原閥閥系包括復(fù)原閥座、活塞孔、節(jié)流閥片組、墊片等結(jié)構(gòu)，活塞孔孔徑較大，建模時(shí)可以忽略油液流經(jīng)活塞孔的壓力損失。而閥片組一般由多片厚度及直徑相等或者不等的環(huán)形薄片疊加而成，通過(guò)改變閥片的數(shù)量及尺寸厚度可以改變復(fù)原閥的阻尼大小。閥片上有多個(gè)小矩形開(kāi)口，即復(fù)原閥常通節(jié)流縫隙，閥片結(jié)構(gòu)如 3.3 所示 圖 3.3 復(fù)原閥閥片結(jié)構(gòu)復(fù)原閥只在復(fù)原行程工作，活塞桿腔的油液經(jīng)過(guò)復(fù)原閥流入下腔，產(chǎn)生節(jié)流壓力。當(dāng)活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度低于復(fù)原行程開(kāi)閥速度時(shí)，復(fù)原閥不開(kāi)閥，油液僅通過(guò)復(fù)原閥上的常通節(jié)流縫隙產(chǎn)生節(jié)流壓力，此時(shí)油氣懸架的阻尼力較?。划?dāng)活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到復(fù)原行程開(kāi)閥速度時(shí)，復(fù)原閥開(kāi)閥，油液流經(jīng)常通節(jié)流孔及節(jié)流閥片變形開(kāi)口流入無(wú)桿腔，產(chǎn)生的阻尼力較大[11]。1) 開(kāi)閥前15復(fù)原閥閥片剛度比較大，在閥片上開(kāi)設(shè)常通節(jié)流縫隙及預(yù)緊力，可以使車(chē)輛在平坦路面上行駛時(shí)， 減少開(kāi)閥次數(shù)，從而提高油氣懸架的使用壽命。此時(shí)， 復(fù)原閥兩端的壓力差小于閥片的開(kāi)閥壓力，閥片不開(kāi)閥，油液從常通節(jié)流縫隙流入無(wú)桿腔。節(jié)流縫隙面積可根據(jù)公式(3-4)求得。式中：A r0--復(fù)原閥常通節(jié)流面積n--閥片數(shù)量lA--閥片缺口寬度h--閥片厚度根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，復(fù)原閥兩端的壓差與油液流量之間的關(guān)系可表示為[12]:式中， rQ為油液流量；壓差△P 1=P2-P；ρ 為油液密度；Cd 為流量系數(shù)；Ar0 常通節(jié)流縫隙總面積。2) 開(kāi)閥后將閥門(mén)恢復(fù)通過(guò)閥門(mén)的壓 差高于回收閥開(kāi)啟壓力時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)，流體流動(dòng)的環(huán)形節(jié)流間隙經(jīng)常節(jié)流間隙和閥板閥開(kāi)。復(fù)原閥開(kāi)閥后的所形成的節(jié)流縫隙與常通節(jié)流縫隙相同，也為圓環(huán)平面縫隙，縫隙面積 Ar 是閥片變形量的函數(shù)，而閥片變形量 hr (即閥片撓度)由閥片兩端的壓差決定，兩者之間的關(guān)系見(jiàn)表達(dá)式(3-6)。下面研究閥片變形量 hr 與閥片兩端的壓差△ P 之間的關(guān)系。閥片變形受力應(yīng)變圖如圖 3.6 所示。（3-4）（3-5）（3-6）16圖 3.4 閥片受力應(yīng)變圖圖 3.6 中，a 為閥片外半徑， b 為閥片內(nèi)端固定處半徑，h 為閥片厚度，hr 為閥片外端變形量，q 為閥片受到的單位壓力(即為閥片兩端的壓差)，r0 為閥孔內(nèi)徑，認(rèn)為壓差在閥片上為均勻分布。根據(jù)羅氏應(yīng)力應(yīng)變中關(guān)于閥片變形的相關(guān)理論，閥片外端處的變形量為: 1432GDaqFQDaMhbrb???（3-7）式中的閥片參數(shù)可以通過(guò)式子(3.8)—(3.16) 求得：（3-8）]2[172098L-rabCq-rb）（ ??（3-9）)(0Qb（3-10）]21[42balnF???（3-11）}1)(){(23 ?lab（3-12）000 raln ar rG])([4541622021 ????（3-13）])([28bvC（3-14）}1[421{29 a lnab???（3-15）]})()](417 000ralnv r vL??（3-16）)(23vhED?式中，M rb、Q b 分別為 b 處的彎矩和受力，E 為閥片的彈性模量，17h 為閥片厚度，v 為閥片的泊松比，L 為閥片參 數(shù)，D、F 2、F 3、G 11、C 8、C9、L11 與閥片的尺寸及屬性有關(guān)[12]。由于復(fù)原閥是由數(shù)片閥片疊加而成，因此計(jì)算公式(3-16)時(shí)閥片厚度應(yīng)該取閥片組的等效厚度 he ，參考相關(guān)閥片變形文獻(xiàn)，等效厚度 he 由閥片厚度及閥片數(shù)量決定，表達(dá)式如式子(3-17)所示。式中 nn、h n 分別表示厚度為 hn 的閥片數(shù)量為 nn。本文研究的油氣懸架的復(fù)原閥閥片厚度相同。因此，式(3-17)可簡(jiǎn)化為:3e?式中，n、h 分別表示閥片的數(shù)量、厚度。當(dāng)復(fù)原閥開(kāi)閥后，油液的流通面積包括 Ar0 及 Ar 兩部分，復(fù)原閥兩端的壓差與油流量之間的關(guān)系可表示為: ?)(2110crakrdPCQ????式中，Q r 為油液流量，壓差 ，121P???為油液密度，?Cd 為流量系數(shù)，Ar0 為常通節(jié)流縫隙總面，Ar 為復(fù)原閥的環(huán)形開(kāi)口面積。（3）壓縮閥壓縮閥系結(jié)構(gòu)與復(fù)原閥系類(lèi)似，但閥片的數(shù)量要少一些，另外，壓縮閥閥片上沒(méi)有開(kāi)設(shè)常通節(jié)流縫隙，閥片無(wú)預(yù)變形量，因此壓縮閥沒(méi)有開(kāi)閥壓力，節(jié)流阻尼力要比復(fù)原閥小很多。油氣懸架活塞處于壓縮行程時(shí)，壓縮閥工作。無(wú)桿腔的油液壓縮閥進(jìn)入活塞桿腔后，還有一小部分油通過(guò)閥節(jié)流間隙恢復(fù)常通入活塞桿腔。壓縮閥閥片變形后，閥口位置的變形量即為閥片開(kāi)度，形成的節(jié)流縫隙為環(huán)形平面縫隙，閥片變形量也是由閥片兩端的壓差決定。同樣，參照3331.n2e hnh??（3-17）（3-18）18復(fù)原閥計(jì)算方法，得到壓縮閥的流量計(jì)算公式[12]：（3-19）)(phHr??（3-20）caA?2（3-21）?10)(PCQcrdc?式中，Q c 為油液流量，hr 為閥片變形量，為閥片兩端壓差，121P???a 為閥片半徑，Ac 為壓縮閥閥片開(kāi)閥面積，Ar0 為復(fù)原閥常通節(jié)流縫隙面積。由于油氣懸架的壓縮阻尼系數(shù)較小，為了便于計(jì)算，通?？蓪嚎s閥節(jié)流特性看作線性。即： （3-c1KPQ??22）式中，K c 為壓縮閥的流通系數(shù)，Mp /L ，Qc1 為流經(jīng)壓縮閥的流量。式子(3-22)可以化為： （3-?1012PACKrdc???23）式中，K c 為壓縮閥系的流通系數(shù)，單位為 MPa /L。(4) 常通節(jié)流孔油氣懸架活塞桿上開(kāi)設(shè)有數(shù)個(gè)常通孔。在復(fù)原行程，無(wú)桿腔內(nèi)的油液受到壓縮，腔內(nèi)壓力升高，油液經(jīng)過(guò)常通孔流入活塞桿腔，產(chǎn)生一部分的阻尼力；在壓縮行程，無(wú)桿腔容積增大，油液經(jīng)過(guò)常通孔補(bǔ)償無(wú)桿腔內(nèi)的容積，降低油氣懸架發(fā)生空程畸變的可能。本文研究的常通節(jié)流孔長(zhǎng)度和直徑比值 0.5 0。A c0 為常通孔總過(guò)流面積，P 2為孔兩端的壓差， 。）（ 232P???（5） 工作腔當(dāng)油氣懸架工作時(shí)，有桿腔及無(wú)桿腔容積隨著活塞的上下運(yùn)動(dòng)而連續(xù)變化?？梢酝ㄟ^(guò)各個(gè)工作腔的容積變化得到閥系及常通節(jié)流孔的的節(jié)流流量。不考慮油液的可壓縮性，無(wú)桿腔、有桿腔容積變化量及活塞桿腔的體積變化量分別為：（3-25）xAV??1（3-26）3（3-27）?)(12可以求得閥系(壓縮閥或復(fù)原閥)節(jié)流流量 Q1、常通節(jié)流孔的節(jié)流流量 Qc 及活塞桿腔的體積變化量 V2 ：（3-28）xAdt11?（3-29）tc3式中，x 為活塞桿相對(duì)于缸筒的運(yùn)動(dòng)速度，壓縮行程，x 0，Q 1 = Qr，油液從復(fù)原閥經(jīng)過(guò)。（6）油氣懸架輸出力油氣懸架活塞桿和缸筒之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油氣懸架輸出力主要包括來(lái)自蓄能器高壓氮?dú)獾膹椥粤?、油液流?jīng)節(jié)流閥及節(jié)流孔產(chǎn)生的阻尼力及活塞與缸筒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力三部分。假定缸筒固定不動(dòng)，活塞桿相對(duì)于缸筒上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第一定律，可以建立油氣懸架的輸出力方程為：（3-30）fairFAPF???123式中，F(xiàn) 為油氣懸架的輸出力，壓縮為負(fù)，復(fù)原為正。P 1、P 3、P air 分別為無(wú)桿腔壓力、有桿腔壓力及大氣壓力，A 1、A 2、A 3 分別表示無(wú)桿腔截面積、活塞桿腔截面積以及有桿腔截面積，F(xiàn) f 為活塞桿與缸筒之間的摩擦力。P1、P 3 可以通過(guò)下列式子求?。?0121P???3式中，P 2 可通過(guò)式子 (3-25)求得，對(duì)于壓縮行程、復(fù)原行程，P 1 可分別通過(guò)式子(3-5)、式子(3-19)求取。另外，忽略蓄能器中油液與氣體之間作用力的延遲，即 P2 =Pr ，P r 表達(dá)式見(jiàn)式(3-3)[13]。3.2.3 單氣室油氣懸架模型參數(shù)的確定(1) 流量系數(shù)的確定根據(jù)文獻(xiàn)[43] ，油液的流量系數(shù) Cd 油液的密度、動(dòng)力粘度等隨著油液的壓力、溫度等因素變化而變化，很難獲得流量系數(shù) Cd 的精確解。不同的經(jīng)驗(yàn)公式算出的 Cd 有一定的差距，流量系數(shù) Cd 的值一般在 0.60～0.816 范圍內(nèi)。通常在模型精度要求不高或者非特殊極端工況下，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將 Cd 看作為常數(shù)，本文取 Cd=0.62。（2）蓄能器氣體多變指數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[44] ，當(dāng)車(chē)輛遇到較大的路面沖擊時(shí)，油氣懸架快速壓縮或者拉伸，可以把氣體的狀態(tài)變化過(guò)程看作為一個(gè)絕熱的過(guò)程，γ 取 1.4，而當(dāng)油氣懸架緩慢加載過(guò)程中，可以認(rèn)氣體的壓縮或者膨脹過(guò)程為等溫變化過(guò)程，γ 取 1.0。在一般的加載過(guò)程，氣體的熱力狀態(tài)變化過(guò)程介于絕熱及等溫過(guò)程之間，氣體多變指數(shù) γ 可取 1.2～1.3。(3) 油液密度油液密度對(duì)于油氣懸架性能有很大的影響，對(duì)于大多數(shù)實(shí)際的減振器油液來(lái)說(shuō)，油的密度大概在 860 kg/3m 左右。油液密度跟油液的壓力及溫度等因素有關(guān)系，油液壓力越高，油液密度越大，同時(shí)油液密度隨著油液溫度的升高而下降。油液具有熱膨脹性和可壓縮性。對(duì)于大多數(shù)減振器油液，在感興趣溫度范圍內(nèi)(即減振器正常工作溫度范圍)，油液密度可以近似表示為溫度的線性函數(shù)，表達(dá)式可以寫(xiě)成： )(11T?????式中， 為參考溫度下的密度， 為體積熱膨脹系數(shù)，對(duì)于一般油液， 約等1??于 0.0011K (或 1C )。另外，油液的密度受到油液壓強(qiáng)的影響，油液密度與壓強(qiáng)之間的關(guān)系可以表達(dá)21為[13]： )](1[1P?????式中， 為油液的可壓縮率，為體積模量 K 的倒數(shù)。?在常用的溫度及壓力范圍內(nèi)，油液的密度變化較小，可以忽略不計(jì)。本文認(rèn)為油液密度是不變的，取油液密度 =885 kg/m3。 ?3.3 雙氣室油氣彈簧非線性模型油氣彈簧以其良好的非線性特性，受到了眾多設(shè)計(jì)師、制造廠商和消費(fèi)者歡迎。隨著車(chē)輛載荷的增加、速度的提高，改善油氣彈簧在更高的工作壓力下的動(dòng)態(tài)密封性能，延長(zhǎng)其使用壽命和準(zhǔn)確設(shè)計(jì)其減振性能參數(shù)，已經(jīng)成為油氣彈簧設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。本章節(jié)主要對(duì)雙氣室的油氣彈簧進(jìn)行分析研究[14]。3.3.1 雙氣室油氣彈簧物理模型1-活塞桿 2-上蓄能器 3-液壓缸筒 4-下蓄能器5-活塞 6-單向孔 7-阻尼孔圖 3.5 雙氣室油氣彈簧簡(jiǎn)化示意圖本章節(jié)主要對(duì)獨(dú)立式雙氣室油氣懸架進(jìn)行研究分析，簡(jiǎn)化之后得到如 3.5圖所示的模型，它大體由油壓缸和上下兩個(gè)蓄能器組成。油缸中有 A、B 、C 三個(gè)油腔，里面都是油液，A 腔和 B 腔油液通過(guò)阻尼孔 7 及單向閥 6 相連通，而C 腔油液與 A、B 兩腔油液是隔離開(kāi)來(lái)的。上蓄能器 EA 與 B 腔相通，下蓄能器 D 與 C 腔相通，蓄能器內(nèi)充入高壓氣體（一般是氮?dú)猓?，高壓氣體通過(guò)薄膜與液體分離開(kāi)。油氣懸架工作過(guò)程可以分為壓縮行程和復(fù)原行程兩個(gè)部分。在恢復(fù)行程中（即活塞桿向上移動(dòng)） ，一腔流體壓力的增大，空腔的流體通過(guò)節(jié)流孔 7 壓入B 腔，腔 B 和 E 蓄能器連通，B 腔流體壓力在蓄能器 E，使蓄能器 E 內(nèi)的氮?dú)獾玫綁嚎s?；钊蛏鲜?C 腔流體壓力降低，上升運(yùn)動(dòng)，和 C 腔蓄能器壓力在壓力下氮液壓油進(jìn)入 c 腔；在壓縮行程 (即活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí) )，A 腔油液壓力降低，22蓄能器 E 內(nèi)高壓氣體在壓力作用下將油液壓入 B 腔， B 腔油液通過(guò)阻尼孔 7 和單向閥 6 向 A 腔補(bǔ)油。活塞向下運(yùn)動(dòng)使 C 腔油液壓力升高，將該腔油液壓入蓄能器 D，使蓄能器 D 內(nèi)的氮?dú)獾玫綁嚎s。當(dāng)車(chē)輛行駛時(shí)，路面起伏引起活塞在缸筒內(nèi)上、下運(yùn)動(dòng)，這樣，使 A、B兩腔的油液在壓差的作用下往復(fù)地通過(guò)一些阻尼孔和單向閥孔，具有壓差的油液流過(guò)阻尼孔和單向閥孔時(shí)消耗能量，衰減汽車(chē)的振動(dòng)，這一過(guò)程就形成了油氣懸掛系統(tǒng)的阻尼特性。與上、下油腔充高壓氣體蓄能器連接關(guān)閉時(shí)，通過(guò)高壓氮?dú)獾膹椥宰冃嗡惺艿呢?fù)荷，減少車(chē)輛的沖擊面前，這個(gè)過(guò)程對(duì)油氣懸架系統(tǒng)的彈性特性的形成。如圖 3.6 所示，簡(jiǎn)單表明了雙氣室油氣懸架的結(jié)構(gòu)，另外附加了一些設(shè)計(jì)需要的尺寸。m圖 3.6 雙氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.3.2 雙氣室油氣彈簧數(shù)學(xué)模型建模時(shí)，取活塞平衡時(shí)的狀態(tài)為模型的初始位置。設(shè)活塞桿在正弦激勵(lì)作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞的速度為 ，式中 A 和??sin2xAft?? ??2cosxfAft??? 分別為激勵(lì)信號(hào)的振幅和頻率，位移方向取復(fù)原行程(向上)時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)方向f為正。為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)[14]：1) 由于油氣彈簧缸經(jīng)常處于振顫狀態(tài)，且潤(rùn)滑良好，所以忽略摩擦阻力的影響。2) 通常液壓油粘度會(huì)受到溫度的影響，但在溫度變化較小時(shí)，粘度變化不大 [10]。本文不考慮溫度對(duì)液壓油粘度的影響。3) 各密封環(huán)節(jié)工作可靠，系統(tǒng)沒(méi)有內(nèi)泄漏和外泄漏。4) 假設(shè)剛性構(gòu)件沒(méi)有彈性變形。5) 蓄能器密封性能良好，氣體質(zhì)量不變。6) 雙氣室油氣彈簧缸蓄氣在惰性氣體氮?dú)?，大部分的文獻(xiàn)認(rèn)為的特點(diǎn)和23理想氣體的方法，本文認(rèn)為氣是理想的。 。 （即忽略溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響）氣體的狀態(tài)變化過(guò)程可以用兩種方法進(jìn)行描述：理想氣體的多變狀態(tài)方程和實(shí)際氣體的狀態(tài)方程。理想氣體狀態(tài)方程為：（3-31） PVmRT?式中 ——理想氣體的氣體壓強(qiáng)，Pa；P——理想氣體的氣體體積，m 3；V——理想氣體的氣體質(zhì)量，kg；——理想氣體的氣體常數(shù)，J/(kgK)；R——理想氣體的氣體絕對(duì)溫度，K。T氣體的多變狀態(tài)方程為 (3-32)0rrPV?式中 ——?dú)怏w多變指數(shù)。對(duì)于理想氣體，在等溫過(guò)程時(shí) r=1，絕熱過(guò)程r時(shí) r=1.4。而實(shí)際氣體的多變指數(shù)在絕熱過(guò)程中可取到 1.7；——理想氣體初始?xì)怏w壓強(qiáng)，Pa；0P——理想氣體初始?xì)怏w體積，m 3。V當(dāng)氣體密封的容器被壓縮，氣體流量，壓力和溫度，儲(chǔ)能。相反，是能量的釋放。在這一過(guò)程中，由于氣體和其周?chē)h(huán)境的溫度差的能量損失。當(dāng)加載速率較低，在時(shí)間和充分的熱交換氣體的氣體，氣體溫度不變時(shí)，氣體的狀態(tài)變化過(guò)程可以看作是一個(gè)等溫過(guò)程。當(dāng)快速加載時(shí)，氣體來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換，對(duì)應(yīng)氣體的狀態(tài)變化過(guò)程近似為一個(gè)絕熱過(guò)程。在壓強(qiáng)、溫度等變化范圍較大的情況下不能把氮?dú)庾鳛槔硐霘怏w研究，而應(yīng)該使用實(shí)際氣體的狀態(tài)方程來(lái)描述其性質(zhì)，但在壓強(qiáng)和溫度變化不大的情況下，采用理想氣體狀態(tài)方程建模，還是能夠滿足仿真精度的要求[14]。為了研究油氣懸架的性能，建立描述其本質(zhì)的物理模型是理論研究最重要的基礎(chǔ)。基于數(shù)學(xué)物理模型，參考大量文獻(xiàn)的相關(guān)文件，如圖 3.7 所示的模型的建立。24圖 3.7 雙氣室油氣彈簧缸的物理模型3.3.3 雙氣室油氣懸架模型參數(shù)的確定為了能夠較為精確表述油氣彈簧動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，本文在液壓流流動(dòng)過(guò)程中考慮液體的可壓縮性，但是這種可壓縮性只對(duì)壓強(qiáng)的變化產(chǎn)生影響，而對(duì)流速產(chǎn)生的影響忽略不計(jì)。在系統(tǒng)分析中，假設(shè)固定有氣缸，活塞與氣缸壁之間的摩擦力和粘滯阻力，而忽略了活塞桿與壁效應(yīng)。設(shè)油氣彈簧桿筒受到正弦波位移激勵(lì)，式中和分別為激勵(lì)信號(hào)的振幅和頻率[14]。取激勵(lì)信號(hào)向上為正方向（即復(fù)原行程位移為正） ，對(duì)活塞進(jìn)行受力分析，油氣彈簧活塞桿的輸出力方程為： （3-CAFP??32）式中 ——油氣彈簧缸輸出力，N；F——A 腔的圓環(huán)面積，m2；——C 腔圓面積，m2；——A 腔的油液壓力，Pa；P——C 腔的油液壓力，Pa。我們從圖 3.7 中可以看到，A，B 兩腔的油流通過(guò)阻尼孔和單向閥，節(jié)流孔可根據(jù)理論建立的關(guān)系式，一腔流體壓力和 B 腔流體壓力，即25（3-??21012 ()2()ABqPsignxCAsignx???????????????? 33）式中 ——流量系數(shù)，取值為 0.6；C——阻尼孔截面積， m2；01A——單向閥有效過(guò)流面積， m2；2——單位時(shí)間內(nèi) A、B 兩腔間油液流量， m3/s；1q——相對(duì)于氣缸活塞運(yùn)動(dòng)速度，缸體固定，活塞速度（相對(duì)于活塞向上x(chóng)?運(yùn)動(dòng)（復(fù)原行程） ，速度是積極的，另一方面，在壓縮沖程中，速度是負(fù)的） ，m/s；——符號(hào)函數(shù)，定義為()signx? （3-34）10() xsignx???????????考慮油液壓縮性，有：（3-35）??ASASASPeeVd?????（3-36）BSBSBSPee???式中 ——A 腔油液的壓縮量，m3；V?——B 腔油液的壓縮量，m3；——油液的壓縮系數(shù)，取值為， ；e?——平衡狀態(tài)時(shí) A 腔油液體積，m3；AS— —平衡狀態(tài)時(shí) B 腔油液體積，m3；BV— —A 腔的油液壓力，Pa；P— —B 腔的油液壓力，Pa；——平衡狀態(tài)時(shí) A 腔油液壓力，Pa；AS——平衡狀態(tài)時(shí) B 腔油液壓力，Pa；B26流過(guò)單向閥和阻尼孔的液體流量為：（3-37）1ABVqxdt?????蓄能器 E 與活塞桿腔 B 間通過(guò)浮動(dòng)活塞相隔，所以有（3-EP38）取蓄能器 E 腔內(nèi)的氮?dú)鉃檠芯繉?duì)象，它的性質(zhì)與理想氣體相似，因此用理想氣體狀態(tài)方程，由于車(chē)輛懸架振動(dòng)是一個(gè)快速過(guò)程，氣體狀態(tài)變化可認(rèn)為是絕熱的，所以用多變過(guò)程方程式來(lái)描述[15]：（3-rrESEPV?39）式中 ——E 腔氣體平衡位置時(shí)氣體壓力，Pa；SP——E 腔氣體平衡位置時(shí)氣體體積，m3；V——E 腔氣體初始?xì)怏w壓力，Pa；0——E 腔氣體初始?xì)怏w體積，m3；蓄能器 E 腔中氣體的體積可由下式確定（3-()ABESVxV????40）由式（3-34 ）～（3-40 ）可求得 A 腔內(nèi)油液壓力隨位移激勵(lì)的變化。同理，對(duì)蓄能器 D 內(nèi)氣體根據(jù)氣體狀態(tài)方程有 [16]：（3-rrSDPV?41）式中 ——D 腔氣體平衡位置時(shí)氣體壓力，Pa；SP——D 腔氣體平衡位置時(shí)氣體體積，m3；V——D 腔氣體初始?xì)怏w壓力，Pa；027——E 腔氣體初始?xì)怏w體積， m3；0DV考慮液體壓縮性，C 腔油液壓縮量為：（3-??CSCSCSPeeVd??????42）式中 ——平衡位置時(shí) C 腔油液體積，m3；CSV——C 腔油液的壓縮量，m3；?蓄能器 D 腔中氣體體積為：（3-43）DSCVAxV????從圖 3.5，C 與 D 的儲(chǔ)存腔相通，油流從 C D 或 D 腔蓄能器為 C 腔存儲(chǔ)，必須通過(guò)阻尼孔和單向閥，和斷面積的突然變化，也會(huì)產(chǎn)生壓力損失和局部壓力損失，C 關(guān)系腔流體壓力和蓄電池室氣體壓力為 D 之間[17] ：??2222 12034 ()()()()441()Dqqql signxsiPsignxsignxddAi????????? ??????? ???????????????????? ????????? （3-44）式中 ——流量系數(shù)，一般取 0.6；C——C 腔與 D 腔間阻尼孔截面積，m2；03——C 腔與 D 腔間單向閥有效過(guò)流面積，m2 ；4A——C 腔與 D 腔間細(xì)長(zhǎng)圓孔的長(zhǎng)度，m；l——C 腔與 D 腔間細(xì)長(zhǎng)圓孔的直徑， m；d、 ——油管與蓄能器出口油液壓力損失系數(shù)，當(dāng)油液由油管向蓄能器1?2內(nèi)流動(dòng)時(shí)，取 ；當(dāng)油液從蓄能器向油管流動(dòng)時(shí)，取 ； 1? 20.5??——單位時(shí)間內(nèi) C 腔與蓄能器 D 間的油液流量，m3/s；2q（3-45）2CVqAxdt?????——摩擦損失系數(shù)，理論，要留有余地的實(shí)際計(jì)算，這里取（3-44） ，這?是由雷諾茲數(shù)重新計(jì)算（3-46）Re???28式中， ——液壓油運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；?——C 腔與 D 腔間細(xì)長(zhǎng)圓孔內(nèi)油液平均流速， m/s，用下式計(jì)算?（3-24qd???47）（3-41 ）的~（3-47）可以通過(guò) C 室流體壓力，由式（3-33）可以確定，液壓缸的輸出力 F。由此，式（ 3-33）～（3-47）組成了描述油氣彈簧性能的復(fù)雜非線性數(shù)學(xué)模型?？梢钥吹降氖歉鼜?fù)雜的，難以 F 和直接力的位移和速度的表達(dá)式確定，該模型可用于分析的剛度，阻尼特性，油氣懸架的頻率特性，由此可以分析舒適性，舒適性和車(chē)輛的其它性能[]17。29第四章 油氣懸架系統(tǒng)特性分析4.1 概述油氣懸架的特性是非線性的，隨傳力懸架剛度迅速增加，因此油氣懸架變剛度特性降低的可能影響身體或身體的非懸掛部件，提高了車(chē)輛的平順性；車(chē)輛的油氣懸架阻尼特性可以快速衰減振動(dòng)的路面快速?zèng)_擊面前。對(duì)油氣懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油氣懸架的非線性的影響主要體現(xiàn)在對(duì)油氣懸架的彈性力和阻尼力的影響。阻尼特性和剛度特性除了與輸入信號(hào)的幅值和頻率有關(guān)，還取決于油氣懸架自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 油氣懸架系統(tǒng)參數(shù)對(duì)油氣懸架的非線性的影響，都具有提高油氣懸架性能和油氣懸架設(shè)計(jì)中的重要意義。本章首先分析了參數(shù)對(duì)油氣懸架的非線性特性，根據(jù)油氣懸架的非線性推導(dǎo)和分析油氣懸架剛度和阻尼特性的工作原理，并研究了油氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其非線性特性的影響。4.2 非線性特性影響因素油氣懸架的非線性特性包括非線性剛度特性及非線性阻尼特性，分析油氣懸架系統(tǒng)參數(shù)對(duì)油氣懸架非線性特性的影響對(duì)研究油氣懸架車(chē)輛動(dòng)力學(xué)具有重要的作用。影響油氣懸架系統(tǒng)特性的參數(shù)主要有以下幾類(lèi):（1）油氣懸架的外界環(huán)境參數(shù)，主要包括外界激勵(lì)信號(hào)、外界環(huán)境的溫度等。蓄能器內(nèi)氣體壓力的變化及阻尼作用的大小受到外界激勵(lì)的幅值和頻率的影響，另外，外界環(huán)境與油氣懸架內(nèi)部溫度差會(huì)影響到蓄能器氣體多變指數(shù)的大小及缸內(nèi)油液的工作特性。（2） 油氣懸架缸結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括活塞桿的直徑、缸筒的直徑、閥系結(jié)構(gòu)尺寸、常通節(jié)流孔等。這些參數(shù)主要是在油氣懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工決定的。（3）蓄能器的工作參數(shù)，包括蓄能器的初始充氣壓力、初始充氣體積及氣體多變指數(shù)。油氣懸架的彈性力主要是由蓄能器中的氣體產(chǎn)生，氣體壓力隨著活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化，因此蓄能器的相關(guān)參數(shù)主要影響油氣懸架的剛度特性。從上面分析可以看出，油氣懸架輸出特性的影響因素很多，本文主要研究油氣懸架缸結(jié)構(gòu)及蓄能器的初始參數(shù)對(duì)油氣懸架非線性特性的影響304.3 剛度特性油氣懸架剛度特性是一個(gè)油氣懸架的重要特征，是油氣懸架汽車(chē)平順性直接相關(guān)。剛度特性是指活塞桿上受到的彈性力與活塞相對(duì)于缸筒行程的關(guān)系，剛度特性可以分為靜剛度特性和動(dòng)剛度特性[5]。靜剛度特性是指活塞桿相對(duì)于氣缸活塞桿緩緩移動(dòng)，活塞桿的相對(duì)行程和彈性力之間的關(guān)系；動(dòng)剛度特性是指活塞桿相對(duì)于缸筒快速移動(dòng)時(shí)，活塞桿所受到的彈性力與活塞桿相對(duì)行程之間的關(guān)系。對(duì)于油氣懸架系統(tǒng)而言，當(dāng)活塞桿相對(duì)于缸筒緩慢移動(dòng)時(shí)，氣體變化過(guò)程可看作等溫過(guò)程，氣體多變指數(shù)取 γ=1，這時(shí)可得到油氣懸架的靜剛度特性；當(dāng)活塞桿相對(duì)于氣缸快速移動(dòng)的過(guò)程中，氣體的變化可以被視為一個(gè)絕熱過(guò)程中，氣體多變指數(shù)和 γ= 1.4，然后可以得到油氣懸架剛度特性。由于車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)特性的研究為動(dòng)態(tài)過(guò)程，且軍用越野車(chē)輛行駛路面較差，因此，本文主要是研究油氣懸架的動(dòng)剛度特性。油氣懸架的彈性力主要是由蓄能器內(nèi)的惰性氣體產(chǎn)生，活塞桿相對(duì)于缸筒上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣體的體積隨之壓縮或者膨脹，即氣體壓力隨之變化[]17。4.3.1 油氣懸架剛度特性公式推導(dǎo)氣室氣體體積、壓力隨著活塞桿相對(duì)位移變化關(guān)系為:（4-1）xA-Vsr）（ 31??（4-2）?rsP式中，V r、P r 分別為氣體體積及氣體壓力，V s、P s 分別為平衡位置氣體體積及氣體壓力，A 1、A 3 分別為無(wú)桿腔截面積、有桿腔截面積。x 為活塞桿相對(duì)位移，x＞0，活塞桿位置相對(duì)于平衡位置向上；x＜0，活塞桿位置相對(duì)于平衡位置向下。油氣懸架活塞桿受到的彈性力為: （4-3）)(31AP-Frs??式中，F(xiàn) s 為活塞桿所受彈性力，負(fù)值表示活塞桿受到相對(duì)于缸筒向上的彈性力。將 Fs 對(duì) x 求導(dǎo)可以得到油氣懸架的剛度 K 表達(dá)式: （4-122][???xAVPdxssr4）