新型單氣室油氣彈簧的設計與仿真

新型單氣室油氣彈簧的設計與仿真

為了提高車輛的行駛速度，適應不利道路條件，提高駕駛員疲勞，大多數(shù)山地和工程車輛都安裝了油氣框架。彈簧是油氣框架的重要組成部分。彈簧不僅具有彈簧的剛性作用，還具有通用減速器的阻力尼操作。與其他彈簧相比，減速器可以去除減速器，從而簡化支撐結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的提升式振動彈簧獨特，具有非線性剛度的特點。根據(jù)不同的路面，不同的屋頂高度可以實現(xiàn)車輛的平滑度和彎曲穩(wěn)定性。在不同的車輛負荷下，車輛具有相同的頻率特性，可以改善車輛的平滑度。近年來，油氣懸浮液技術(shù)取得了很大進展。目前廣泛應用的油氣彈簧大多為單氣室式,且氣室外置裝在一個球型蓄能器中.這種形式的油氣彈簧結(jié)構(gòu)較為復雜,不利于懸架系統(tǒng)的空間布置,外置氣室還存在如何防護及價格昂貴等問題.針對上述問題,筆者提出一種新型油氣彈簧結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)不同于任何現(xiàn)有的油氣彈簧.它結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,可靠性高,可以使車輛在不平路面上的平順性顯著提高.1彈簧結(jié)構(gòu)和工作原理1.1橡膠膜代替浮動栓塞有利于防止油液乳化所研究的油氣彈簧結(jié)構(gòu)不同于普通單氣室油氣彈簧,它主要由工作缸筒、活塞、活塞桿、阻尼閥系和氣囊組成,如圖1所示.該油氣彈簧把氣室內(nèi)置于活塞桿中,可以大大節(jié)省油氣彈簧的體積,減小在整車上的布置難度,同時還能保證氣室的容積,避免油氣彈簧剛度隨位移產(chǎn)生過大變化.氣腔與油液通過橡膠膜來分隔,這樣可使油液與氣體分離,防止油液的乳化.與使用浮動活塞的油氣彈簧結(jié)構(gòu)相比,采用橡膠膜代替浮動活塞可以避免過大的摩擦,提高系統(tǒng)的響應速度.1.2油氣彈簧的剛度特性當油氣彈簧受力拉伸時,下腔(環(huán)形帶)油液首先受到壓縮,使得油液壓力迅速增高,部分油液經(jīng)過活塞桿上的阻尼孔進入活塞桿腔,產(chǎn)生了一部分阻尼作用.同時,上腔體積增大,壓力降低,活塞桿內(nèi)的氣室膨脹,擠壓腔內(nèi)的油液,油液通過復原閥系流回上腔,補充上腔,復原閥系產(chǎn)生了大部分的阻尼作用.所以油氣彈簧在復原行程時,是由氣室產(chǎn)生的彈性力和由復原閥系與常通孔產(chǎn)生的阻尼力共同作用的結(jié)果.當油氣彈簧受力壓縮時,油氣彈簧的壓縮行程與上述過程相反.油氣彈簧的剛度特性主要由油氣彈簧內(nèi)置氣室所產(chǎn)生,其油液在剛度特性中只充當傳力介質(zhì).它的阻尼特性主要由活塞桿壁上的常通阻尼孔和壓縮、復原閥系所產(chǎn)生.2油氣彈簧amesim模型的建立為了研究新型油氣彈簧的性能,采用仿真和實物試驗相結(jié)合的方法.1)建立能夠描述其本質(zhì)的物理模型.這是理論研究的主要基礎(chǔ),為了降低研究的復雜程度,同時突出主要研究方向,不妨將上述油氣彈簧的阻尼孔簡化成一固定節(jié)流孔,將鋼球的開閉結(jié)構(gòu)簡化成一單向閥,并忽略活塞與工作缸壁之間、限位閥開啟等造成的油液泄露.根據(jù)上述原則簡化后的油氣彈簧物理模型,如圖2所示.2)建立油氣彈簧動力學模型.油氣彈簧是一個復雜的液壓組件,因此在動力學建模時為了保證精度,采用機電液專業(yè)仿真軟件AMESim.該軟件對液壓件能夠進行詳細、準確地建模.在對油氣彈簧關(guān)鍵元件進行參數(shù)測試等基礎(chǔ)上,根據(jù)上述等效物理模型搭建了新型油氣彈簧動力學模型,模型如圖3所示.建立油氣彈簧AMESim模型所需的結(jié)構(gòu)參數(shù):活塞直徑為70mm;活塞桿直徑為60mm;活塞行程為131mm;氣室初始容積為0.35L;初始充氣為1.8MPa;平衡載荷為10.38kN;運動黏度為5×10-5m2·s-1;彈性模量為1700MPa;油液溫度為40℃;充氣類型為氮氣.3)確定試驗方法.可參照減振器性能試驗國家標準,選定油氣彈簧外特性試驗輸入為正弦激勵,試驗初始位置為整個活塞行程d的中間位置,輸出為油氣彈簧兩端的反力F,輸入振幅為15mm,振動頻率f分別為0.53,2.74,5.52Hz的3組信號.將該油氣彈簧外特性試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比,如圖4所示.從圖4可以看出,輸入不同頻率的正弦激勵(幅值相同)得到仿真和試驗外特性基本一致,誤差較小,表明所建油氣彈簧AMESim模型具有足夠的精度.在油氣彈簧的試制過程中,可以利用該模型預測油氣彈簧的外特性,并研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對油氣彈簧性能的影響.利用該模型,對油氣彈簧的剛度k進行了仿真,如圖5所示.從圖5可以看出,該油氣彈簧具有非線性的剛度特性,隨著壓縮行程增大,油氣彈簧的剛度快速增加,不同于普通彈簧的線性剛度.3車輛仿真分析搭建了某型車1/4車輛模型,該車的質(zhì)量參數(shù):后軸簧下質(zhì)量為297.5kg,空載軸荷為1800kg,滿載軸荷為2800kg.對是否裝有該油氣彈簧的車輛平順性進行了仿真分析,如圖6所示,將建立的油氣彈簧AMESim模型導入1/4車輛模型中.仿真輸入信號為0.05m的單凸起激勵.機械式懸架的螺旋彈簧剛度為439.5N·mm-1.因油氣彈簧兼有剛度和阻尼特性,能起到承載作用,故與之匹配的螺旋彈簧剛度可以適當取小.采用剛度為140N·mm-1的螺旋彈簧,選取簧上質(zhì)量(車身)的加速度和懸架動行程這2個響應量作為1/4車輛模型振動特性好壞的評價依據(jù),并分析了2種懸架的偏頻,結(jié)合這些因素來研究該油氣彈簧對車輛平順性的影響.選擇空載和滿載2種工況進行仿真分析.3.1比合質(zhì)量的油氣懸架振動分析當載荷為空載時,2種懸架形式的車身加速度a和懸架動行程d1仿真結(jié)果如圖7,8所示.從圖7,8可以看出,油氣懸架車身加速度和懸架動行程振動幅值都比機械式懸架的小,振動衰減也更迅速.圖5中,油氣彈簧的剛度特性是非線性的,空載工況下,油氣彈簧工作于小剛度區(qū)域,并且與之匹配的螺旋彈簧剛度也較小,故油氣懸架總剛度小,所以油氣懸架空載時相對阻尼系數(shù)比較大,振動衰減較快.同時,彈簧剛度下降帶來的頻率降低等優(yōu)點也顯現(xiàn)出來,懸架固有頻率為式中:k1為懸架的剛度,N·m-1;m1為懸架的簧上質(zhì)量,kg.由式(1)可計算出空載平衡時,油氣懸架試驗車后懸架偏頻為2.10Hz;機械式懸架試驗車后懸架偏頻為2.68Hz.3.2u3000精密度與剛度滿載時,仿真結(jié)果如圖9,10所示,油氣懸架的車身加速度和懸架動行程響應都與機械式懸架相差不大,振動衰減也較迅速.滿載時油氣彈簧的阻尼較大,雖懸架總剛度有所增加,但其相對阻尼系數(shù)總體上還是與機械式懸架近似,故滿載時2種懸架減振效果近似.由式(1)計算得滿載平衡時油氣懸架試驗車后懸架偏頻為2.22Hz,機械式懸架試驗車后懸架偏頻為2.08Hz.該滿載平衡工況下,油氣彈簧的剛度較大,使得固有頻率較機械式懸架的略高.但與空載時的偏頻相比,僅僅變化了0.12Hz,變化率為5.7%.而機械式懸架空滿載偏頻變化高達0.60Hz,變化率高達-22.4%.4對車輛運動特性的影響1)利用AMESim建立的油氣彈