阻尼孔及单向阀对车辆油气悬架减振特性的影响

张赟熙

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

悬架刚度是衡量悬架抵抗变形能力的一种量度，等于悬架承受的载荷与该载荷引起的悬架变形的比值。悬架刚度分为悬架线刚度和悬架角刚度[1]。与传统型板簧悬架相比，油气悬架刚度和阻尼的非线性特征对整车行驶平顺性的改善效果十分显著。而在油气悬架对车辆行驶平顺性和操作稳定性的影响的研究中，马丽哲[2]研究了多轴应急救援车辆的行驶平顺性，设计了整车油气悬架系统控制器；
石鹏飞[3]提出了一种行车稳定减振策略，并通过MATLAB/Simulink 软件对系统的刚度特性和减振性能进行分析；
王帅等[4]建立了1/4 车的半主动控制算法数学模型，通过对半主动悬挂和主动悬挂进行仿真对比，研究了可调最值阻尼系数对车辆平顺性变化的影响；
张雷等[5]建立了Simulink/AMESim 联合仿真模型，并进行仿真试验，验证了显著降低制动模式切换时的冲击能提升车辆制动平顺性和乘坐舒适性；
魏振鲁等[6]设计了可以提高平衡性的油气悬架，在车辆的行驶过程中保证操作稳定性；
游专等[7]通过搭建某载重汽车的1/2 悬架的AMESim 系统模型，分析了汽车在正常行驶工况和越障工况下油气悬架分别对路面随机激励和障碍物的响应特性；
张小江等[8]设计了一套新型油气悬架系统，利用能量法获取了新型油气悬架无阻尼条件下在平衡位置自由振动的相图，得到了悬架自由振动频率与振幅间的非线性关系。

另外，在单蓄能器油气悬架的研究中，马超等[9-10]运用AMESim 建立了油气悬架模型，分析了同侧耦合油气悬架系统的初始充气压力对自卸车车身质心加速度和车辆总加权加速度均方根值等指标的影响规律；
刘海波[11]建立了油气悬架的数学模型，分析不同参数对油气悬架阻尼孔两端的压差变化情况和活塞杆的受力情况的影响；
刘金强等[12]针对连通式油气悬架系统进行了侧倾刚度和垂直刚度的理论计算、仿真和实验测试，分析了悬挂缸不同安装角度的侧倾和垂直刚度特性；
孙船斌等[13]研究了蓄能器的初始充气压力和体积、阻尼孔径和油管内径等悬架参数对行驶平顺性的影响。在连通式油气悬架的研究中，孙延彬[14]研究了一种可以提高悬架侧倾刚度，同时提供较小的俯仰及扭转刚度的混合型连通式油气悬架；
田文朋等[15]建立了Carsim 整车模型，分析了不同耦合形式的油气悬架对车辆稳定性的影响。

本研究主要因为一些农业车辆在行驶过程和加载过程中的工作环境较为恶劣，车辆作业时受到的冲击会使车辆的油气悬架和轮胎部件严重损坏，其中，影响车辆刚度的因素可能主要和阻尼孔直径、单向阀直径等有关[16]。因此，为提高车辆行驶平顺性以及车辆整体使用寿命，本文设计一种双蓄能器油气悬架系统，通过AMESim 软件搭建油气悬架模型，分析阻尼孔直径以及单向阀直径对悬架系统输出特性的影响[17]。

1.1 油气悬架结构

本研究所用的油气悬架主要由活塞、活塞杆、阻尼孔、单向阀、高压蓄能器、低压蓄能器等组成[18]。上固定端连接的是车身，下固定端连接的是车桥。由于油气悬架本身结构复杂，因此需要将气室内的气体按照理想气体处理。单气室双蓄能器油气悬架结构简图如图1所示。

图1 两级压力式双蓄能器油气悬架结构简图

1.2 油气悬架工作原理

图1 所示的油气悬架油缸的工作过程可以分为压缩行程和复原行程两部分：

1）当悬架处在压缩行程时，活塞及活塞杆相对于缸筒向上运动，此时，油腔E 内的油液体积变小、压力变大，油腔D 内的油液体积变大、压力变小，单向阀打开，油腔E 里的液压油受到压缩向两个方向流动，一部分液压油通过单向阀和阻尼孔流入油腔D；
另一部分液压油经过橡胶软管流入低压蓄能器，使蓄能器气室受到压缩，体积变小，压力升高。如果压力达到高压蓄能器初始压力，高压蓄能器打开，液压油经过橡胶软管流入高压蓄能器[19]。

2）当悬架处在复原行程时，活塞及活塞杆相对于缸筒向下运动，此时，油腔E 内的油液体积变大、压力变小，油腔D 内的油液体积变小、压力变大，单向阀关闭，油腔D 中的液压油通过阻尼孔流入油腔E，高压蓄能器与低压蓄能器中的部分液压油经过橡胶管道流入油腔E。当压力低于蓄能器初始压力，高压蓄能器关闭[20]。

为系统中的每个图形模块选择合理的子模型，根据某农用车辆实际结构参数来创建仿真模型，如图2所示，其主要参数如表1所示。

表1 AMESim模型参数

图2 油气悬架模型

在对油气悬架进行仿真分析时，考虑到其本身结构比较复杂，进行如下简化处理：

1）忽略缸内油液压力对结构件变形的影响；

2）气室内的气体按理想气体处理；

3）忽略油液中的气体对油液体积模量的影响。

综合公式构成系统输出模型可知，对系统影响较大的参数主要是阻尼孔直径和单向阀直径。因此，接下来研究阻尼孔直径和单向阀直径对系统的影响[21]。

3.1 阻尼孔直径对系统特性的影响

运用AMESim 批处理命令，先让悬架系统在没有外部激励的情况下达到静平衡（时间10 s）。保持其他结构参数、初始气体体积、初始压力及刚度阻尼不变，分别对阻尼孔直径D等差取5 个值进行仿真，取值范围在13 mm~17 mm 之间，设置阻尼孔的直径分别为13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm。然后添加一个时间为1 s、载重为10 t的装载激励，进行批处理仿真。仿真结果如图3所示。

图3 不同阻尼孔直径悬架输出特性曲线

从仿真结果可以看出，随着阻尼孔直径的增加，阻尼力减小，车身垂直相对位移峰值、相对速度峰值随之增加；
但随着阻尼孔直径的增加，车身垂直加速度峰值和油缸压力也会随之增加。综合分析，增大阻尼孔直径，油缸压力会随之增大，对油缸会产生危害；
但减小阻尼孔直径，行驶稳定性会受一定影响，所以应根据实际情况和具体需求适当调整阻尼孔直径[22]。

3.2 单向阀直径对系统特性的影响

保持其他结构参数、初始气体体积、初始压力及刚度阻尼不变，分别对单向阀直径d等差取5 个值进行仿真，取值范围在13 mm~17 mm 之间，设置单向阀的直径分别为13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm，进行批处理仿真。仿真结果如图4所示。

图4 不同单向阀直径悬架输出特性曲线

从仿真结果可以看出，单向阀直径变大时，系统在压缩段的阻尼持续变小，振动和冲击都有弹性气体吸收；
而在伸张段阻尼恢复，不受单向阀变化的影响，由阻尼孔的阻尼来减振。理论上单向阀直径越大，悬架的振动特性越好，但随着单向阀直径的增加，相对位移、相对速度、车身垂直加速度和油缸压力也会随之增加，不过实际设计时单向阀的开度不可能无限大，设计时需要综合考虑各方面因素。

油气悬架系统在工作时，活塞杆和缸筒的相对位移、相对速度、车身垂直加速度以及油缸压力由悬挂所受激励、载荷及悬挂自身特性综合决定，当改变阻尼孔直径和单向阀直径的大小时，汽车平顺性以及稳定性有所变化。从图3、图4 中可以看出，阻尼孔直径对系统的影响要略大于单向阀直径对系统的影响，当阻尼孔直径和单向阀直径增大时，相对位移峰值、相对速度峰值、车身垂直加速度峰值和油缸压力会随之增大，但所受的冲击也会随之增大，而且实际设计时阻尼孔和单向阀的开度不可能无限大，所以设计时需要综合考虑各方面因素[23]。

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