答辯稿-越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設計

1、背景：懸架系統(tǒng)應具有承受車身重量，承受并緩和車輛必要的離地間隙等功能。傳統(tǒng)汽車上使用的是由彈簧和阻尼組成的被動懸架。雖然其結構簡單、性能可靠，成本低且不需附加能量，但是系統(tǒng)特性如彈簧剛度、阻尼系數(shù)都是不可調的，不能適應各種道路;而且其只能是在滿足主要性能要求的基礎上犧牲次要性能來適應不同的使用要求，不能同時獲得較好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性，特別是對于需要經常在野外作業(yè)的特種車輛，被動懸架的有限行程及被動適應地面的能力在一定程度上限制了車輛的通過性，影響了車輛的越野性能。因此，世界各國從上世紀50年代開始了主動、半主動懸架的研究。意義：油氣懸架以油液傳遞壓力，以惰性氣體(通常為氮氣作為彈性介質，

2、懸架缸內部的節(jié)流孔、單向閥等代替了通常的減振器元件，使油氣懸架集彈性元件和減振器功能于一體，徑向尺寸小，對整車的布置有利；具有變剛度特性，即剛度隨著簧載質量的增加而增加，既能提高車輛在一般路面上的行駛平順性，又能防止在大起伏路面上行駛時出現(xiàn)懸架被擊穿的情形；車輛可得到較低的固有振動頻率，從而改善駕駛員的勞動條件和提高平均車速；改變懸架缸的充油量和蓄能器內氣體的壓力可得到不同的變剛度特性，從而可以使油氣懸架的主要部件在不同噸位的汽車上通用；便于實現(xiàn)車身高度的調節(jié)；油氣懸架的彈性元件與鋼板彈簧、螺旋彈簧等其他彈性元件相比較還有結構緊湊、承載能力大、本身重量輕(可比鋼板彈簧輕50%，比扭桿彈簧輕20

3、%、緩沖減震性能好等優(yōu)點，特別適合于重型車輛。設計主要內容：越野車油氣懸架系統(tǒng)結構形式與原理的選擇；油氣懸架系統(tǒng)剛度特性，阻尼特性，結構強度等的分析計算；越野車油氣懸架系統(tǒng)密封的設計。雙氣室油氣彈簧原理: 液壓缸的內部有A、B、C 三個油腔，C腔一方面通過數(shù)個阻尼孔和單向閥與B 腔相通，另一方面還通過管路與左蓄能器相通，A 腔通過管路僅與右蓄能器相通。當活塞及活塞桿相對缸筒收縮時，A腔的油液會受到壓縮而進入右蓄能器，C 腔的油液因B 腔容積增大而受到左蓄能器氣體壓縮進而通過阻尼孔和單向閥進入B 腔；相反地當活塞及活塞桿相對缸筒伸張時，B 腔的油液因受到壓縮而通過阻尼孔進入左蓄能器，右蓄能器的油

4、液因A 腔容積增大而受到右蓄能器氣體壓縮進而進入A腔。油氣懸架實現(xiàn)主要功能的過程:（1）剛性閉鎖：當電磁閥Y1至Y16均處于失電狀態(tài)時，電磁閥與氣控閥均處于彈簧作用腔，相應油路為截止狀態(tài)，懸架油缸的大腔與蓄能器連接斷開，此時盡管懸架油缸的小腔仍與蓄能器相連，但由于油液的不可壓縮性（極小壓縮量），懸架油缸不能產生伸縮運動，整個懸架機構處于剛性狀態(tài)。因剛性閉鎖時車輛震動所產生的能量只能由車輪吸收，故此功能只有在車輛停駛或極低車速時才能使用。（2）彈性承載：當電磁閥Y1 至Y12 、Y15 與Y16 均失電處于彈簧作用腔而截止，Y 1 3 得電，控制單元一、二中的氣控閥接通時，一側懸架油缸的大、小油

5、腔分別與另一側懸架油缸的小、大油腔互相溝通，且與相應的蓄能器相相連，懸架油缸可自由伸縮并壓縮蓄能器內氮氣，起到緩沖和吸收振動能量的作用，整個懸架機構既處于剛性狀態(tài)。當懸架機構處于彈性承載狀態(tài)時，因同一軸兩側的油缸油腔相互串連，此時若車輛轉彎而使兩側車輪的載荷發(fā)生變化，則載荷增大側的懸架壓縮，其懸架油缸大腔壓力增大，因該腔與另一側懸架油缸的小腔相連，故另一側懸架油缸的小腔的壓力亦隨之增大，這樣另一側懸架也相應地壓縮，降低了車輛的側傾角，從而能保證車輛具有良好的行駛穩(wěn)定性。（3）升降功能：當電磁閥Y13 得電，控制單元一、二中的氣控閥接通時，同時接通Y2、Y4、Y6、Y8、Y10、Y12 （或Y1

6、、Y3、Y5、Y7、Y9、Y11），則可實現(xiàn)車架的整體升高（或降低）。若同時接通Y 2 、Y 6 、Y 1 0 （或Y1、Y5、Y9），則可實現(xiàn)該側車架的升高（或降低）。若同時接通前軸懸架控制單元中相應的電磁閥，則可實現(xiàn)車架的前高后低（或前低后高）。故此功能可大大提高車輛的通過性能參數(shù)，如接近角、離去角及最小離地間隙等，同時也可以滿足車輛在特殊路面上的側傾要求。油氣懸架技術已不是一般意義上的被動懸架。（4）軸荷平衡：當懸架處于彈性承載狀態(tài)時，電磁閥Y 1 4 得電，通過控制單元二中氣控閥的接通，一二軸與三四軸的懸架油缸油路在節(jié)流作用下接通，其內部的壓力得到平衡，因此一、二、三、四軸的軸荷也相應

7、地得到平衡。（5）車軸提升：當電磁閥Y13 失電時，接通電磁閥Y6與Y 8 ，可實現(xiàn)三、四軸的提升離地，此時車輛只有一二五六軸著地。當電磁閥Y 1 3 得電時，接通電磁閥Y 1 5 與Y 1 6 ，可實現(xiàn)三、四軸的下放著地。在三四橋提升離地的狀態(tài)下，車輛可實現(xiàn)增加一二五六驅動軸的附著力及配合其他特殊工況。（如果講不明白，就打開懸架系統(tǒng)原理解釋）主要基本尺寸計算：為設計方便，參考遼寧工程技術大學優(yōu)秀碩士論文汽車油氣彈簧特性仿真研究等相關資料，以及畢業(yè)設計任務書的要求，預設各項參數(shù)，并進行相關計算；假設當主活塞移動到最大壓縮行程的極限位置時，則 C 腔的油液變化量全部流入蓄能器 D，那么，蓄能器

8、D 的初始體積應該滿足要求，并預設蓄能器D的初始體積；假設當主活塞移動到最大拉伸行程的極限位置時，則 A 腔的油液變化量全部流入蓄能器 E，那么，蓄能器 E 的初始體積應該滿足要求，并預設蓄能器E的初始體積。以上各計算參數(shù)應該在以后的特性仿真過程中將進行調整，以達到使用要求，但是據(jù)我所知：由于種種原因，我國的汽車絕大部分采用被動懸架，在液壓主動懸架的研究方面起步較晚，與國外的差距很大，進入21世紀后，一些高校才正式對液壓主動懸架陸續(xù)展開研究工作，所以根據(jù)我的任務書中的要求，我不知道特性仿真的正確結果是什么樣子的，而且，我之前沒接觸過Matlab Simulink ，短時間內來不及進行剛度、阻尼

9、特性仿真。數(shù)學模型解釋：第一個式子為活塞桿輸出力方程；第二個式子為實際氣體的狀態(tài)方程，即1940年提出的 BWR(Benedicy-Web b-Rubin多常數(shù)半經驗方程，我沒查到原文，引自遼寧工程技術大學優(yōu)秀碩士論文汽車油氣彈簧特性仿真研究；第三個式子為蓄能器E腔的氣體比容計算方法；第四個式子E腔中氣體體積確定方法，車輛滿載平衡時 變化量；第五個式子變化量的計算方法；前五個式子可以得到E腔的壓強隨位移激勵壓強的x的變化；第六個式子不解釋；第七個式子，A、B兩腔通過單向閥和阻尼孔相通，根據(jù)節(jié)流小孔理論，參考液壓與氣壓傳動教材第一章第六節(jié)內容；第八個式子A、B兩腔之間油液流量計算公式不解釋；第九

10、個式子，設活塞相對于缸筒向上運動（復原行程）時，速度為正，反之，在壓縮行程，速度為負；第十個式子的解釋同第二個式子；第十一個式子同第三個式子；第十二個式子同第四個式子；第十三個式子同第第五個式子，D、E兩腔氣體體積變化方向相反，因此有負號；第十到第十三個式子可以得到 D 腔中氣體的壓強隨位移激勵 x的變化；第十四個式子，C腔與蓄能器D相通，油液從C腔流入蓄能器D或是從蓄能器D流入C腔，之間須通過阻尼孔和單向閥，而且由于斷面積突然變化，也會產生沿程壓力損失和局部壓力損失，參考液壓與氣壓傳動教材第一章第六節(jié)內容；第十五個式子，C、D兩腔之間油液流量計算公式，不解釋，負號還是因為D、E兩腔氣體體積變

11、化方向相反；第十六、十七式子，參考液壓與氣壓傳動教材第一章第六節(jié)內容；第十八個式子，C 腔與 D 腔間細長圓孔內油液平均流速計算方法，不解釋；第十式到第十八式可確定C腔內油液壓力，將求出的壓強、代入第一個式子，即可得液壓缸的輸出力F。由此建立復雜非線性數(shù)學模型。剛度特性解釋：剛度特性是指活塞桿上所受的力（不包含阻尼力）與活塞相對于液壓缸行程的關系。第一個式子，不考慮阻尼影響，則,；第二、三個式子，為了計算方便，假設蓄能器內氣體按絕熱狀態(tài)變化，利用理想氣體多變狀態(tài)方程，得到D、E兩腔內氣體多變狀態(tài)方程；第四、五個式子，確定D、E兩腔內氣體體積，前面解釋過；第六個式子，懸掛質量為M，靜平衡狀態(tài)蓄能

12、器內的氣體壓力計算公式；前六個式子推導出活塞桿的輸出力F的表達式，對F的表達式求導得到油氣彈簧的剛度K的表達式。阻尼特性解釋：阻尼特性是指活塞桿上所受的阻尼力（不包含彈性力）與活塞相對于液壓缸速度的關系。復原行程中，單向閥關閉，油液只經阻尼孔流動，第一個式子，參考液壓與氣壓傳動教材第一章第七節(jié)內容；第二個式子，復原行程阻尼力計算公式；第三、四個式子，A、B腔和C、D腔之間的液壓差計算公式，參考液壓與氣壓傳動教材第一章第六節(jié)內容；前四個式子可得復原行程阻尼力表達式；壓縮行程中，單向閥開啟，油液同時流經阻尼孔和單向閥，第六個式子增加了通過單向閥的流量；第七個式子，同第五個式子；將第五個式子和第七個式子合并，得到第八個式子，對第八個式子求導，得到油氣彈簧的阻尼系數(shù)表達式。強度校核解釋：螺紋連接強度計算，參考機械設計第五章第六節(jié)內容，緊螺栓連接強度計算；缸體壁厚校核，參考臧克江主編的化學工業(yè)出版社出版的液壓缸第五章第一節(jié)，液壓缸結構強度校核。結論：油氣彈簧是油氣懸架的主要部件，其性能對油氣懸架的性能起決定性作用。因此，對油氣彈簧的設計研究具有重要意義。本文建立了帶反壓氣室油氣彈簧的物理模型和數(shù)學模型，并對其剛度特性和阻尼特性進行了分析計算。另外，本文還對油氣彈簧的密封方案進行了一定的討論選擇。油氣懸架對于改善汽