新型集成式双气室油气阻尼器的联通工作模式动力学特性分析

李锐泓，杨帆，林德昭，赵峰，杨阳

(1.华侨大学机电与自动化学院，福建厦门 361021；2.厦门腾威胜检测科技有限公司,福建厦门 361006)

0 前言

油气阻尼器是通过压缩气体来实现储/释能效果,运用气体压缩特性使系统刚度呈现非线性变化的特性。此外，油气阻尼器还能通过油液互连的方式将两个独立的油气阻尼器进行连通，从而较好地分配各轴所受到的载荷。当将其联通模式应用在车辆悬架上时可以达到提高车辆驾乘舒适度和操纵稳定性的作用，还能够较好地避免传统机械式互连悬架的许多缺陷，例如传统机械式互连悬架需要增加额外的机构，这会导致悬架整体质量的增加，不利于平衡驾乘舒适性与操纵性之间关系等。此外，传统的油气阻尼器采用外置气室的结构，因此在实际应用中需要占用较大的空间，对于结构的优化设计会造成较大阻碍。基于此，WU提出一种集成式油气阻尼器的联通工作模式(类型(a)结构)，如图1(a)所示。该结构的主要特点为：(1)采用了内置气室的结构，从而极大地提高了结构设计的紧凑性；(2)有效地增加阻尼器实际的工作面积，使油气阻尼器在较低的初始充气压力下能达到更高的承载能力。在此基础上，CAO等通过数学建模及仿真分析的方式，在考虑了油液可压缩性的基础上对此类型(a)结构的动力学特性进行了研究并将其应用于车辆悬架系统中，验证了这种结构可以明显提高车辆的抗侧翻性能、抗俯仰性能、操纵性和平顺性。近年来，LIN等通过样品实验研究及AMESim仿真相结合的方式，详细分析了WU与CAO等所提出的类型(a)结构的动力学特性，结果表明：WU提出的结构在同步运动测试的压缩行程中容易出现输出力畸变的现象，这就导致系统在工作过程中输出力会突然产生阶跃。造成这现象的原因是油液在两个连通的油气阻尼器之间流动时会受到液压连通管道最大流量的限制，使流体流动产生延迟或阻塞，导致油液无法及时补充到相应的油腔中，严重影响阻尼器的有效工作范围。基于此，LIN等在WU所提出的类型(a)结构的基础上，提出了一种带阻尼孔的集成式油气阻尼器的联通工作模式(类型(b)结构)，其结构的区别在于：在主活塞上增设了阻尼孔，如图1(b)所示。虽然该结构能够有效解决同步测试的压缩行程中出现的输出力畸变的问题，但由于增设了阻尼孔，相较于WU的结构，系统刚度将大幅下降。

综合上述的问题，本文作者将基于文献[10]的类型(a)结构，提出一种基于集成式双气室油气阻尼器的联通工作模式(类型(c)结构)。其结构区别在于：环状油腔中增加一个附加的储能气室，如图1(c)所示。本文作者主要目的是验证所提出的类型(c)结构:(1)相较于文献[10]的结构，能够改善输出力畸变的问题；(2)同时相较于文献[14]的结构，能够提升其系统的刚度。结合实验数据,在忽略该结构中浮动活塞和环状活塞摩擦力带来的影响的情况下，建立本构模型,并借助AMESim仿真软件建立相应的仿真模型，验证该新型结构的可行性，并为下一步实验研究打下基础。首先通过类型(a)结构的实验结果来验证AMESim仿真模型的准确性；其次，在此基础上将文献[14]建立的类型(a)和类型(b)与文中建立的类型(c)油气阻尼器联通工作模式的输出力特性进行对比，最后对比并分析类型(c)的结构参数对其输出力特性的影响。图1仅为阻尼器联通模式的工作简图，详细的结构尺寸见后文；图1(c)的环状油腔中设有止动块以保证辅助气腔的初始充气压力及最大体积。

图1 3种油气阻尼器联通工作模式的简图

1 数学模型的建立

油气阻尼器的联通工作模式的数学建模，主要是基于流量守恒、受力平衡以及气体状态方程，建模过程可参见文献[10,14-16]。文中提出的类型(c)结构是在类型(a)结构的基础上新增了一个环状气室，因此需增加环状气室的气体状态方程、流量守恒关系以及相关的力平衡关系，如式(1)—(4)所示：

(1)

(2)

(3)

5=50-·5

(4)

为了能够对比系统的刚度特性，根据文献[17]可知油气阻尼器的刚度是由气体弹簧的恢复力产生，因此系统刚度可表示为

(5)

式中：s为支柱中气体弹簧产生的弹性力；为支柱中相对运动的位移。

2 实验设置及基于AMESim软件的建模

这一节的主要目的是通过现有的实验条件与实验数据来验证文中所建立的类型(c)结构的AMESim仿真模型的准确性，为下一节基于仿真模型的动力学分析与比较建立基础。课题组已建立了类型(a)和类型(b)的AMESim仿真模型并对其进行了实验验证。对类型(c)结构进行分析，由于类型(c)结构中环状活塞的最大位移受到止动块的限制，所以当环状气室的初始充气压力大于运动过程中产生的最大压力时，环状活塞在运动过程中将压在止动块上固定不动，而环状气室在运动过程中将不会参与到实际的工作中，此时类型(c)与类型(a)结构的动力学特性相同。因此将通过在类型(c)结构的环状气室中充入3.0 MPa(主气室压力0.44 MPa)的初始充气压力来与类型(a)结构的实验与仿真结果进行对比，以此验证针对类型(c)结构所建立的AMESim仿真模型的准确性。

2.1 实验与仿真参数设置

此实验平台的建立是基于MTS849及MTS248的动态测试系统，并通过NI数据采集卡对实验数据进行实时采集，其中包括输出力、各个腔室的压力和活塞杆的位移等。通过对类型(a)结构进行实验，可以得到实验结果，以便接下来对所建立的AMESim仿真模型进行验证。在实验中输入的激励信号可以表示为

=cos(2π+) (=L,R)

(6)

式中：和分别为输入信号的幅值与频率；代表连通的两个油气阻尼器之间相差的相位，用于区分同步与异步测试。

实验由两部分组成:同步测试和异步测试。在同步测试中，的取值均为0；在异步测试，的取值为-π/2，的取值为π/2。

实验中的结构及相关参数设置如表1所示，实验具体步骤见文献[14]。

表1 实验及仿真的参数设置

2.2 建立AMESim模型

为了更好地与现有的相关文献进行比对,以验证所建立模型的准确性，文中集成式双气室油气阻尼器的仿真参数按照LIN等建立的类型(a)和类型(b)结构的AMESim仿真模型进行设置，具体的仿真模型如图2所示。

图2 基于AMESim软件建立的仿真模型

2.3 模型的有效性验证

仿真验证中主要目的是验证所建立的类型(c)结构仿真模型的准确性。利用上述当类型(c)的环状气室初始充气压力大于运动过程中产生的最大压力时，环状活塞的最大位移受到止动块的限制，在运动过程中将保持固定不动，所以环状气室在运动过程中将不会参与到实际工作，此时类型(c)与类型(a)结构的动力学特性相同的特点，把建立的类型(c)结构的仿真模型与类型(a)结构的实验数据以及仿真数据进行比较，以证明该基本模型的准确性。实验结果与仿真对比如图3所示。

图3 仿真结果与实验结果输出力之间的对比

通过以上对比，可以发现当类型(c)结构的环状气室初始充气压力为3.0 MPa时，其仿真结果与类型(a)结构的仿真所表现出的现象几乎完全一致，从而证明了所建立的AMESim仿真模型的准确性。在下一节中，将借助所建立的AMESim仿真模型对三类油气阻尼器联通工作模式的动力学特性展开进行研究。

3 讨论

基于前一节已证明所建立的AMESim仿真模型的准确性的基础上，将对这3种油气阻尼器联通工作模式的动态特性进行分析与对比。由于本文作者的研究目的是为了探究双气室油气阻尼器的联通工作模式的动力学特性和与其他两种结构的区别，因此仿真中阻尼器的结构参数都是参照类型(a)实验中的结构参数进行设置，另外在3种类型油气阻尼器联通工作模式的仿真对比中，所有的仿真参数均保持一致。因为类型(a)存在严重的畸变与负压现象,所以实验与验证的过程中幅值和频率会受到一定的限制。

3.1 与类型(a)联通结构动力学特性的对比

如前所述，LIN等已验证类型(a)结构在同步测试中会出现输出力畸变以及负压力的现象，而本文作者所提出的类型(c)结构，正是为了改善这一现象。图4中对比了同步测试中类型(a)与类型(c)结构在不同峰值速度(0.1、0.2、0.3、0.4 m/s)下的输出力与位移的变化曲线。在图4中，环状气室的初始充气压力为0.44 MPa，其余参数与表1中一致。

图4 不同峰值速度下同步测试中的输出力与位移的关系

对比图4中的仿真结果，可以观察到：(1)整体上类型(c)结构的系统刚度小于类型(a)结构,这主要是由于增加了环状气室，使得系统的刚性有所降低；(2)随着峰值速度的增大，类型(a)结构在其压缩行程中开始出现输出力畸变的问题，在如图4峰值速度大于0.2 m/s的情况下，类型(a)结构的输出力畸变情况逐渐加剧，甚至在0.4 m/s的情况下输出力曲线随时间变化，输出力越来越大，无法稳定地输出，严重影响了该阻尼器的正常工作，相比之下类型(c)结构在相同的情况下并没有出现输出力畸变的问题，而且在不同激励信号下,动力学特性曲线较为稳定,由此可以说明增加的环状气室结构可以明显改善同步试验中输出力畸变问题；(3)相较于类型(a)结构，类型(c)结构的负压力现象有所改善，但是在拉伸过程中仍会出现负压力的现象，其主要的原因是在文中建立的AMESim仿真模型中忽略了环状活塞摩擦力的影响，因此在活塞运动过程中，环状活塞将根据压力的变化而直接开始运动，所以环状油腔中的油液无法第一时间通过连通管道流向另一支柱的主油腔，从而使得主油腔的压力小于环状油腔中的压力，从而出现了负压力的现象，因为实际的实验中会有摩擦力存在，所以该现象在实际应用中未必会出现。

3.2 与类型(b)联通结构动力学特性的对比

LIN等提出在主活塞上增加阻尼孔的方案,虽能有效地改善类型(a)悬架结构存在的输出力畸变等弊端，但同时也带来了刚度下降的问题，尤其是在异步激励信号的情况下。图5对比了类型(b)与类型(c)悬架结构在相同幅值(7.96 mm)下低、中速情况的输出力。图5中，环状气室的充气压力为0.44 MPa，其余参数与表1一致。

图5 不同峰值速度的异步测试中输出力与位移的关系图

通过图5可以明显观察到：(1)类型(c)结构在整体的异步试验中的输出力斜率比类型(b)结构大，即类型(c)结构能够输出较大的系统刚度(依据公式(5))；(2)通过仿真中几个频率之间的对比也可以明显地看出在异步测试中，类型(c)结构的输出力斜率较稳定，能够在频率增大的情况下保持相对稳定的系统刚度。该特性在实际应用时，可以避免由于频率的变化而导致输出力产生较大变化，有利于阻尼器在实际中的应用。

3.3 类型(c)结构参数对系统的影响

在集成式油气阻尼器的联通工作模式中，阻尼器的各项参数都可能会对系统的输出力特性造成较大影响。如增加连接的液压管路长度(减小液压管路口径)来增大液阻，从而提高系统刚性。在文中所提出的类型(c)结构中，所增加的环状气室将起到重要作用，因此将在讨论液压管路长度与口径对系统动力学特性的影响外，重点分析环状气室的容积以及初始充气压力对系统动力学特性的影响。

3.3.1 液压连通管道参数的影响

在油气阻尼器联通工作模式中，液压管路起了一个关键的联结作用，因此对比不同液压管路参数对悬架输出力的影响，在图6和图7中分别对比了不同长度(2.5、3.5、4.5 m)和不同直径大小(4、5、6 mm)的液压连通管道在相同激励情况下的同步和异步测试中，输出力与位移之间的关系。

图6 不同长度的液压连通管路的输出力对比

图7 不同直径的液压连通管路的输出力对比

由图6和图7可以看出随着液压连通管路长度的增加或是直径的减小，无论是在同步测试还是异步测试中，输出力都会随之增加，其变化趋势不会因测试的频率或者幅值发生变化，因此在后文的对比中将取其中一个相同的幅值和频率来进行对比。输出力增加的原因是当连通管道的长度增加或直径减少时，管道中的流量会受到限制，相应的流量关系如图8和图9所示，其余测试中的流量趋势均相同。当流量受到限制时就会导致阻尼器在运动过程中，油液无法及时流到相应的油腔中，所以此时该系统中的油液会直接推动浮动活塞和环状活塞分别挤压主气室和环状气室中的气体，使得系统整体压力上升，导致油气阻尼器输出力上涨。根据这一特性，设计时油气阻尼器就可以根据实际需要通过改变管道的长度来调整输出力的范围，以适应不同负载的需求。

图8 不同长度的液压连通管路的流量对比

图9 不同直径的液压连通管路的流量对比

3.3.2 环状气室容积对输出力影响

由于类型(c)结构与其余两种油气阻尼器的联通工作模式之间最大的区别就是增加了一个额外的环状气室，因此改变环状气室的容积也将会对系统整体产生一定的影响。图10中将会对比环状气室不同体积(80 000、120 000、160 000 mm)对系统整体输出力的影响。

由图10可以看出：随着环状气室体积减少，在同步测试中系统输出力逐渐下降。这是由于在油气阻尼器工作过程中，变化的体积是保持不变的，当辅助气室的初始体积减少时，根据方程(3)的气体状态方程，在相同的激励条件下，系统中的压力会升高，导致油气阻尼器的输出力增大。

图10 环状气室不同容积下输出力的对比

3.3.3 环状气腔初始充气压力对系统动力学特性的影响

除了上一节提到的环状气室体积对系统输出力特性的影响之外，环状气室的初始充气压力同样也会对系统整体产生一定的影响。图11中将会对比环状气室不同初始充气压力(0.44、0.60、0.80 MPa)对系统整体输出力的影响。

图11 环状气室在不同初始充气压力下输出力对比

由图11可以看出：随着环状气室初始充气压力的增加，不论是在同步或异步测试中，油气阻尼器的输出力都在逐渐地增加。因此当集成式双气室油气阻尼器实际应用中，可以根据实际的负载来调整初始充气压力的大小以达到最佳的使用效果。同样地，在同步测试中会出现输出力畸变的问题，这是由于随着初始充气压力增大，类型(c)结构逐渐地转化为类型(a)结构而导致的。

4 结论

针对两类(类型(a)和类型(b)结构)油气阻尼器联通工作模式的优缺点，提出一种基于集成式双气室油气阻尼器的联通工作模式。在建立本构模型的基础上，基于现有的实验数据，通过AMESim仿真软件建立三类油气阻尼器联通工作模式的仿真模型。通过仿真模型结合实验数据验证了所提出的集成式双气室油气阻尼器的联通工作模式能够在提供足够刚度的基础上，有效地改善输出力畸变以及负压力的现象，并能够提供稳定的输出力曲线。在此基础上，本文作者深入分析了集成式双气室油气阻尼器的联通工作模式的参数对系统性能的影响，重点讨论了辅助气室的容积以及其初始充气压力、连通管路的物理参数(长度与口径)对系统动力学特性的影响。文中的研究验证了所提出的集成式双气室油气阻尼器联通工作模式的有效性，为下一步的结构设计与实验提供一定的基础。