油气弹簧的刚度特性研究

王光宇 陆俊宇

摘 要：介绍了油气弹簧的结构及其工作原理，研究其刚度特性，并建立了数学模型利用Simulink进行仿真。分析氮气腔初始压力、高度对刚度特性影响。结果表明，油气弹簧的刚度值随着氮气腔的初期压力值的变大而提高，氮气腔初期高度值越大，刚度曲线越加平稳，刚度值变小。

关键词：油气弹簧;刚度;仿真分析

一、 前言

油气弹簧是油气悬挂的关键部位，它的性能影响着车辆的操纵稳定性和行驶平顺性。油气弹簧刚度特性是车辆悬挂系统的重要特性，它们取决于物理和结构参数的选取，文中从油气弹簧的实际结构出发，对弹簧的刚度特性进行分析，建立数学模型，利用Simulink软件编程进行仿真，分析各参数对油气弹簧刚度特性的影响，为油气弹簧的性能改善提供了参考。

二、 油气弹簧工作原理

油气弹簧是将油液作为介质用来传递压力，用压缩气体（通常为氮气）作为弹性介质的一种弹性元件，如图1所示为油气弹簧结构图，在油气弹簧的上连接体装有充气孔，可以向油气弹簧内充入气体。下连接体设有冲油孔，可以向油气弹簧冲入液体。在油气弹簧活塞杆底部安装有节流阀系，当活塞杆与外缸体相对移动加快时，它们之间的相对速度增大，油液经节流缝隙流过，使节流阀片弯曲变形，节流缝隙增大，产生节流阻尼力，当它们相对移动缓慢时，它们之间的相对速度缓慢，油液经初始设计的节流缝隙，产生阻尼力，当相对速度达到一个固定值时，弯曲变形量与节流阀片相等，实现阀片开阀。

三、 数学模型建立

设活塞杆受到的离心力为F，移动的位移为x，缸体的内径为D，活塞杆氮气腔的初期高度为h0，活塞杆的外径为d，根据相关参考文献建立油气弹簧弹性力数学模型。

当油气弹簧在离心力作用下处于伸出工作状态时，活塞杆和缸体之间会产生明显的相对运动。此时，活塞杆氮气腔，活塞杆上油腔和缸体下油腔体积变化方程如下：

ΔvA=π4d2xa ΔvB=π4d2xa ΔvC=π4D2x（1）

式中，ΔvA为活塞杆内氮气腔体积变化值;ΔvB为活塞杆上油腔体积变化值;ΔvC为缸体下油腔体积变化值;xa为氮气腔位移值。

在油气弹簧活塞杆伸张过程中，活塞杆上油腔的体积变化值和缸体下油腔体积变化值相等。即：

ΔvC=ΔvB（2）

π4d2xa=π4D2x（3）

油液具有不可压缩性，根据方程（2）、（3）推断活塞杆氮气腔气体的位移xa=D2d2x（4）

根据理想气体状态方程，可以知道：

PA0SnAhn0=P1SnA（h0-xa）n（5）

SA是氮气腔面积;氮气腔初始预留压力为PA0

令k=D2d2，整理上式得出：

P1=PA0hn0（h0-xa）n

=PA0hn0（h0-kx）n

所以有活塞杆氮气腔的负载力F与位移x关系如下：

F=P1SA=PA0SAhn0（h0-kx）n（6）

对式（6）进行求导，可以得到刚度K：

K=dFdx=nPA0SAk（h0-kx）n+1（7）

四、 刚度特性仿真分析

首先选取油气弹簧的初期参数，见表1所示。

将正弦信号进行简单的处理，下面式子（14）为本次论文采用的激励信号：

x（t）=Asin2πft（8）

式中：A为幅值;t为时间;f為信号频率。

在SIMULIINK软件中创建油气弹簧氮气腔刚度特性曲线模型，如图1所示。

选取式14的外部激励信号，取激励信号的幅值A=10mm，频率f=1.5HZ，在SIMULINK的功能模块中带入相应参数，进行仿真分析，得到氮气腔的刚度-位移曲线如图3所示。

由图3可知，活塞杆向外伸出初期阶段速度较慢，小位移，刚度值很小且变化缓慢。随着活塞杆运动速度较大，此时油气弹簧的刚度性能有显著的提高。

通过改变氮气腔初期压力，得到初期压力对油气弹簧刚度的影响，当初期压力分别为0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa时的刚度特性曲线如图4。

由图4可知：油气弹簧的刚度值随着氮气腔的初期压力值的变大而提高。当两者之间的相对位移逐渐提高直至大于某个范围的时候，刚度值变化的速率越来越陡。

通过改变氮气腔初期高度，得到初期高度对油气弹簧刚度的影响，取氮气腔的初始压力值为0.1MPa，其他参数不变，当氮气腔初期高度分别为20mm、25mm、30mm时的刚度特性曲线如图5。

由图可知：油气弹簧氮气腔初期高度值越大，刚度曲线越加平稳，刚度值变小。

五、 结论

油气弹簧的刚度值随着氮气腔的初期压力值的变大而提高，氮气腔初期高度值越大，刚度曲线越加平稳，刚度值变小，实际工程中，可以改变充油量来调节氮气腔的参数，得到合适的刚度特性。

参考文献：

[1]孙涛，喻凡，邹游.工程车辆油气悬架非线性的建模与仿真研究[J].系统仿真学报，2005，17（1）：210-213.

[2]阮春红，左军，曹树平.重型越野车油气弹簧的结构设计与静特性分析[J].机床与液压，2001，1（1）.

[3]李明.详解MATLAB在最优化计算中的应用[M].北京：北京电子工业出版社，2011.

作者简介：

王光宇，辽宁铁道职业技术学院;

陆俊宇，辽宁科技大学。