山地牽引車充氣液力減振器特性計算與試驗研究

肖啟瑞，王波群，易東旭

(1.廣東機電職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州510515;2.廣汽集團汽車工程研究院底盤工程部，廣東廣州510000)

雙筒液壓減振器適合于良好工況的公路車輛，結(jié)構(gòu)較復雜，背壓偏低，容易出現(xiàn)高速空程性畸變現(xiàn)象，不能滿足野外山地牽引車野外惡劣工況對減振器的復雜要求。單筒儲氣液力減振器具有結(jié)構(gòu)相對簡單、質(zhì)量輕、工藝要求高、阻尼特性優(yōu)越等特點?；诖?，針對某型號山地牽引車儲氣液力減振器進行分析與研究。

1 儲氣液力減振器數(shù)學模型

圖1 單筒儲氣液力減振器結(jié)構(gòu)

儲氣液力減振器工作原理如圖1所示。令活塞上腔的壓強為pe，活塞下腔的壓強為pc，氣室壓強為pa。處于復原行程時，活塞相對缸筒向上運動，上腔容積減小，下腔容積增加，從理論上講，氣室容積也應隨之增加以保證液體充滿下腔，防止真空的出現(xiàn)進而在壓縮時形成“空程”，引起外特性畸變。分析這個過程的缸內(nèi)液體流量關(guān)系可知下腔容積的變化量由兩部分組成:

(1)由上腔流入下腔的流量:

式中:vp為活塞桿運動速度;

Ap為活塞有效面積;Ag為活塞桿截面積。(2)氣室容積變化量

式中:ua為氣室活塞運動速度;

Aa為氣室活塞有效面積。

以上兩部分之和組成下腔容積的變化量，可以得到式 (1)和式 (2):

將式 (1)整理可得:

對式 (3)求積分可得:

其中:sa、sp分別為氣室活塞和主活塞的位移，可以由速度積分得到。由于主活塞上有一系列節(jié)流孔系，工程上一般將節(jié)流孔系近似視為細長孔，所以由上腔流入下腔的流量Qec可以用下式進行計算［1－2］:

式中:Cd為流量系數(shù)，可取0.6～0.68;

A為節(jié)流面積;

Δp為兩腔的壓強差;

ρ為液體密度。

當主活塞運動時，氣室活塞也隨之運動，所以氣室的容積也發(fā)生相應變化，氣體內(nèi)部壓強也隨之變化，氣體的狀態(tài)變化可以用多變過程進行描述，一般有如下關(guān)系［5］:

式中:pa0為氣體初始壓強;

V0為氣室初始容積;

pa為氣室變化時氣體壓強;

Va為氣室變化時容積;

n為氣體多變指數(shù)，取1.7～1.83。在氣室活塞劇烈運動過程中，減振器下腔壓強pc準確表達困難，但當氣室活塞處理相對平衡時，可以認為pc與氣體壓強pa近似相等，即pa=pc。復原行程時，根據(jù)主活塞受力分析可得:

式中:f為主活塞與工作筒壁的摩擦力，為了準確起見，根據(jù)經(jīng)驗公式具體計算:

式中:Hr為活塞桿與缸筒接觸長度;pn為活塞桿所受徑向壓強;

δ為油膜厚度;

γ為液體動力黏度。

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注意到，車用筒式減振器節(jié)流孔系一般由常通孔系和閥片孔系組成。常通孔系節(jié)流面積為常數(shù)，但閥片孔系中節(jié)流閥片開度與閥片兩側(cè)的壓差成正比，即閥片孔系節(jié)流面積與壓差成正比，壓差越大，節(jié)流面積越大，呈現(xiàn)動態(tài)變化過程。為準確描述這一過程，對節(jié)流面積作如下數(shù)學處理:

式中:Af為復原閥常通孔系節(jié)流面積，對某一具體減振器為常數(shù);

dAf為閥片孔系節(jié)流面積，dAf=2πrx，r為閥片外徑，x為閥片在外徑處的變形量即撓度。

x為閥片兩側(cè)壓差Δp的函數(shù)，即x=fΔ()p。由于閥片厚度較小，而其變形撓度相對較大，應理解為大撓度變形，解析法復雜，計算量太大，不適用于工程計算。文中應用有限元法對閥片在不同壓強下的撓度進行多次計算，得到對應閥片變形撓度值，再利用多項式擬合得到兩者之間近似函數(shù)關(guān)系式［3］。最后可得較完整的單筒儲氣液力減振器復原行程阻尼力數(shù)學模型:

2 儲氣液力減振器特性仿真與試驗分析

根據(jù)上述理論分析所建立的該單筒儲氣液力減振器復原行程阻尼力數(shù)學模型，下面就可在Simulink中建立仿真模型。結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 儲氣液力減振器數(shù)值結(jié)構(gòu)參數(shù)

在模型中輸入速度正弦波的半個周期，峰值振動速度0.52 m/s［4］，完成兩個行程的仿真后，可得到該減振器的示功特性和速度特性，分別如圖2和圖3所示。

圖2 減振器示功仿真曲線

圖3 減振器速度特性

圖4 減振器示功試驗曲線

圖5 激振速度1.14 m/s減振器示功特性

3 單筒儲氣液力減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響

對于單筒儲氣液力減振器，為研究充氣壓強對減振器性能的影響，現(xiàn)取不同壓強進行研究。

圖6 不同充氣壓強對減振器速度特性的影響

從圖6可以看出:初始充氣壓強對減振器性能有一定影響，當充氣壓強升高時，復原和壓縮行程的阻尼力都會提高，但幅度不大。通過仿真與樣件試驗，確定該減振器充氣壓力為0.8 MPa。

由圖7可以看出:復原閥孔徑對復原行程阻尼力影響很大，當每個孔徑增大0.5 mm時，最大復原阻尼力會減小至580.72 N。由圖8可以看出:壓縮閥孔徑對壓縮行程阻尼力影響很大，當每個孔徑減小0.5 mm時，最大壓縮阻尼力會升高至210.82 N。

圖7 不同復原閥孔徑對減振器速度特性的影響

圖8 不同壓縮閥孔徑對減振器速度特性的影響

4 結(jié)論

(1)仿真結(jié)果與試驗曲線基本吻合，仿真模型可用于減振器較精確的模擬計算。得到了該型減振器的速度特性與示功特性。最大復原阻力與壓縮阻力比為5.3，具有較理想的阻力特性。壓縮阻尼力較小，可有效減小野外壞路面對車輛的沖擊;復原阻尼力隨速度增加迅速升高，在1.14 m/s高速振動不會發(fā)生空程畸變。

(2)詳細討論振動速度、節(jié)流孔徑、充氣壓強、阻尼閥直徑等參數(shù)對減振器性能影響。儲氣液力減振器可適應較高振動速度，具有良好的阻尼特性，適用于工況復雜的山地牽引車。

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