關(guān)于油氣彈簧剛度特性及影響因素的研究
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作者：鄭曉敏
油氣彈簧的剛度和阻尼特性是影響其性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素，它們直接影響油氣彈簧的減振性能，而油氣彈簧剛度和阻尼特性主要取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取。因此研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于提高油氣彈簧性能進(jìn)而提高車輛行駛過程中的平順性有著重要意義。為了提高油氣彈簧的剛度特性，分析影響油氣彈簧剛度的因素，本文以一種平臺(tái)車用單氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)該油氣彈簧的剛度特性進(jìn)行分析，根據(jù)理論分析建立Simulink模型進(jìn)行模擬，分析各種參數(shù)對(duì)油氣彈簧剛度產(chǎn)生的影響，為提高油氣彈簧剛度性能提供指導(dǎo)。
1 油氣彈簧工作原理
油氣彈簧是用油液來傳遞壓力，用壓縮氣體（通常為氮?dú)猓┳鳛閺椥越橘|(zhì)的一種彈性元件。圖1為油氣彈簧的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，當(dāng)活塞桿相對(duì)于外缸筒運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，節(jié)流閥片兩端產(chǎn)生的壓力較小，不能使節(jié)流閥片開啟，此時(shí)油液流過節(jié)流縫隙產(chǎn)生阻尼力；當(dāng)活塞桿相對(duì)于外缸體的速度達(dá)到一定值時(shí)，節(jié)流閥片發(fā)生形變使閥片開閥，此時(shí)節(jié)流縫隙增大，油液流過增大后的縫隙產(chǎn)生阻尼力。在運(yùn)動(dòng)過程中氣室內(nèi)的壓力會(huì)隨著活塞桿與外缸體相對(duì)位移發(fā)生變化。
2油氣彈簧剛度模型的建立
圖1中，F(xiàn)為作用在活塞桿上的力，X為活塞桿與缸筒相對(duì)位移，Ho為氣室內(nèi)氣體的初始高度，D為外缸體的內(nèi)徑，di為活塞桿的外徑，do為活塞桿的內(nèi)徑，S。為氣室的橫截面積，p。為氣室的壓力，A，為上油室的面積，p。為上油室壓力，A，為下油室的面積，p。為下油室壓力。當(dāng)活塞桿與缸體發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，油氣彈簧缸體內(nèi)各腔體積發(fā)生變化，氣室內(nèi)氣體的體積變化如下：
其中：X。為氣室中氣體的位移。
上油室油液體積變化為：
下油室中油液體積變化為：
根據(jù)關(guān)系式：
通過式(10)可以看出，油氣彈簧的剛度K主要受氣室的初始?jí)毫�、氣室的初始高度、活塞桿的外徑、活塞桿的內(nèi)徑以及氣體的多變指數(shù)的影響，可以通過改變這些結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析它們對(duì)油氣彈簧剛度特性的影響。
3油氣彈簧的剛度特性
剛度特性是評(píng)價(jià)油氣彈簧性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映了氣室中氣體對(duì)活塞桿的作用力與活塞桿相對(duì)缸體位移的關(guān)系，因而研究剛度特性具有重要的意義。油氣彈簧的初始參數(shù)如表1所示。
因?yàn)閷?shí)際中油氣彈簧受到的激勵(lì)信號(hào)無法用某個(gè)具體的信號(hào)函數(shù)準(zhǔn)確代替，為了便于分析，本文采用正弦位移信號(hào)，具體表達(dá)式如下：
其中：A為振幅；f為時(shí)間；廠為信號(hào)頻率。
根據(jù)建立的剛度模型用MATI。AB/Simulink進(jìn)行模擬，選取激勵(lì)信號(hào)參數(shù)A=30 mm，f=0.5 Hz，選取半個(gè)周期觀察，活塞桿與外缸體相對(duì)位移不斷減�。磯嚎s）過程后得到的油氣彈簧剛度曲線如圖2所示。
由圖2可知：油氣彈簧的剛度隨位移呈非線性變化，當(dāng)活塞桿相對(duì)于外缸體位移較小時(shí)，油氣彈簧剛度值較小，剛度值的變化也較��；當(dāng)繼續(xù)增大相對(duì)位移時(shí)，剛度值增大，剛度值的變化較快。
3.1 氣室初始?jí)毫?duì)剛度的影響
改變初始?jí)毫Ψ謩e為4 MPa、5 MPa、6 MPa，其余初始參數(shù)不變，得到的結(jié)果如圖3所示。
從圖3中可知：油氣彈簧的剛度會(huì)隨著氣室初始?jí)毫Φ脑龃蠖龃�，并且剛度�?huì)隨著活塞桿與外缸體相對(duì)位移的增大而增大，可見改變氣室的初始?jí)毫梢哉{(diào)節(jié)油氣彈簧的剛度。
3.2 氣室的初始高度對(duì)剛度的影響
改變氣室的初始高度分別為100 mm、150 mm、200 mm，其余條件不變，得到的結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知：氣室的初始高度增加會(huì)導(dǎo)致油氣彈簧的剛度減小，隨著氣室初始高度的增加，在活塞桿與缸筒相對(duì)位移增大的過程中，剛度值的變化越來越小。
3.3 活塞桿內(nèi)徑對(duì)剛度的影響
改變活塞桿的內(nèi)徑分別為50 mm、60 mm、70 mm，保持壁厚4 mm不變，其余條件不變，得到的結(jié)果如圖5所示。
從圖5中可知：隨著活塞桿內(nèi)徑增加，油氣彈簧剛度增加，但是剛度值趨勢(shì)變化并不大，可見適當(dāng)改變活塞桿內(nèi)徑并不會(huì)對(duì)油氣彈簧剛度產(chǎn)生較大影響。
3.4 活塞桿壁厚對(duì)剛度的影響
保持活塞桿內(nèi)徑50 mm不變，改變活塞桿壁厚分別為4 mm、5 mm、8 mm，則活塞桿外徑分別變成58mm、62 mm、66 mm，其余條件不變，模擬后得到的結(jié)果如圖6所示。
由圖6可知：隨著活塞桿壁厚值增大，油氣彈簧的剛度增大，當(dāng)壁厚變化不大時(shí)，隨著活塞桿與缸體相對(duì)位移的增加，剛度值變化不大；當(dāng)壁厚值變化較大時(shí)，隨著位移的增加，剛度值變化較大，所以稍微改變活塞桿壁厚不會(huì)對(duì)油氣彈簧的剛度產(chǎn)生較大影響，而較大改變活塞桿壁厚則會(huì)明顯影響油氣彈簧的剛度。
4結(jié)論
(1)油氣彈簧具有非線性剛度的特性，結(jié)構(gòu)參數(shù)可以對(duì)油氣彈簧剛度產(chǎn)生較大影響。
(2)油氣彈簧剛度隨著氣室初始?jí)毫Φ脑龃蠖龃�，并且隨著壓縮過程中相對(duì)位移的增大剛度增加越快；氣室的初始高度增加，油氣彈簧的剛度會(huì)減小，氣室初始高度增加后，隨著壓縮過程中相對(duì)位移的增加，剛度變化則越來越不明顯。
(3)隨著活塞桿內(nèi)徑增加，油氣彈簧剛度增加，但是剛度增加并不大，適當(dāng)改變活塞桿內(nèi)徑不會(huì)對(duì)油氣彈簧剛度產(chǎn)生較大影響；隨著壁厚值的增大，油氣彈簧的剛度增大，當(dāng)壁厚變化不大時(shí)，隨著位移的增加，剛度值變化不大，當(dāng)壁厚值變化較大時(shí)，隨著位移的增加，剛度值變化較大。
5摘要：基于某平臺(tái)車用油氣彈簧減振器的結(jié)構(gòu)，建立了油氣彈簧剛度的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/Simulink軟件仿真分析各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油氣彈簧剛度產(chǎn)生的影響，為優(yōu)化油氣彈簧的剛度性能提供理論指導(dǎo)。
