油气弹簧的阻尼特性研究

王光宇

摘 要：介绍了油气弹簧的结构及其工作原理，研究其阻尼特性，并建立了数学模型利用Simulink进行仿真。分析初期节流缝隙宽度和节流缝隙长度对阻尼特性的影响。结果表明;油气弹簧的阻尼力与节流缝隙宽度成反比，与节流缝隙长度成正比。

关键词：油气弹簧;阻尼;仿真分析

0 前言

油气弹簧的阻尼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[1]，文中从油气弹簧的实际结构出发，对弹簧的阻尼特性进行分析，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阻尼特性的影响，为油气弹簧的性能改善提供了参考。

1 油气弹簧工作原理

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。

2 数学模型建立

油气弹簧活塞杆运动时，上油腔的油液经过节流阀系流到下油腔，产生阻尼力，以此来研究阻尼特性。首先确定阻尼力的大小：

（1）

为油气弹簧实际挤压面积;

为上下油腔压差。

根据相关理论资料和经验[2]，创建阻尼力数学模型如下：

当油液流动速度小于开阀速度时，节流阀片的形变值满足下面方程式：

（2）

式中：，为油气弹簧节流阀片弹性模量，t0为节流阀片厚度。

令 ，可以得到：

（3）

rb为节流阀片外圆半径，ra为节流阀片内圆半径。

则：

（4）

根据上面推导，得知节流阀片两侧面间压差：

（5）

在节流阀片作用下，由两端压差产生的阻尼力：

（6）

3 仿真分析

3.1 阻尼特性仿真分析

首先选取油气弹簧的初期参数，见表1所示。

油气弹簧阻尼特性是油气弹簧特性研究中非常重要的一个部分[3]，利用Matlab Simulink软件编程对节流缝隙宽度和长度阻尼力数学模型进行仿真。

仿真过程中，通过改变节流缝隙宽度、长度来研究节流缝隙对阻尼特性的影响。取外界激励信号频率为0.5 Hz，图2为仅改变初期节流缝隙宽度得到的阻尼特性曲线，初期节流缝隙宽度分别取0.53 mm、0.63 mm、0.73 mm;图3为仅改变节流缝隙长度得到的阻尼特性曲线，節流缝隙长度分别取0.42 mm、0.52 mm、0.62 mm。

由图2可知，阻尼力随着初期节流缝隙宽度的变大而减小，两者之间成反比例关系。

由图3可知，阻尼力随着节流缝隙长度的变大而增大，两者之间成正比例关系。

4 结论

阻尼力与初期节流缝隙宽度成反比，与长度成正比。实际工程中，可以改变初期节流缝隙参数进行阻尼力调节，从而得到合适的阻尼特性，保证机构的良好稳定。

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]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.

[3]周长城，郑志蕴，顾亮.油气弹簧阻力特性计算机仿真系统仿真学报，2006，18（8）：2303-2306.