装甲车用双气室油气弹簧刚度特性分析与研究

任 侠,邢永海,侯占威,高志远,许 婷,李松梅

(青岛科技大学 机电工程学院,山东 青岛 266061)

刚度特性是油气弹簧悬架系统的重要性质,会直接影响车辆的平顺性和驾驶人员的安全性,因此对刚度特性的研究尤为重要[1]。

当前,国内外学者主要对单气室油气弹簧及油气悬架系统进行了刚度特性分析和非线性模型创建的研究[2-7],而对双气室油气弹簧的研究不足,但单气室油气弹簧及其悬架系统并不能很好地满足装甲车辆的减震需求。为提高双气室油气弹簧刚度特性,提高装甲车辆在不同路面的行驶平顺性和驾驶安全性,本研究以一种新型双气室油气弹簧为研究对象,通过分析其工作原理建立出该油气弹簧非线性刚度特性数学模型,求解并验证该模型的合理性,并在MATLAB软件中分析各参数对其刚度特性的影响。

1 双气室油气弹簧刚度模型建立

本研究改进了传统的双气室油气弹簧将其中一个气室内置,设计出新型双气室油气弹簧,既能方便安装,减小安装空间,又能提高油气弹簧装置的非线性特性。双气室油气弹簧结构如图1所示。A 腔室为主腔室,充入油液并与蓄能器相连;B腔室为副腔室、C腔室为油腔,B腔室通过单向阀和阻尼孔与C腔室连接,D 腔室中充入高压气体。B、D 腔室中间细长管道既能充油液又能充气体,管道内先向B 腔室充入油液,油液流经B腔室通过活塞的单向阀和阻尼孔把C腔室充满,再向D 腔室充入氮气,使氮气停留在B腔室的油液与活塞中间。

图1 双气室油气弹簧结构图Fig. 1 Structure diagram of double chamber hydro-pneumatic spring

油气弹簧需竖直安装在车体上,上连接体与车架相连,下连接体与车桥相连。活塞向上移动过程为油气弹簧压缩行程,A 腔室内油液挤压蓄能器内气体使油气弹簧刚度增大,同时C 腔室容积增大,油液由B腔室向C腔室补充,B 腔室内气体压力减小;活塞向下移动过程为油气弹簧伸张行程,蓄能器内气体膨胀使油气弹簧刚度减小,A 腔室内油液回流,此时C腔室内容积减小,油液经阻尼孔回流至B腔内,

D 腔室内气体因受挤压而气压增大。

图2为双气室油气弹簧的简化模型。运用矢量学方法建立数学模型,即运动微分方程,定义其速度方向和位移方向,装甲车平稳行驶,油气弹簧处于平稳状态,当油气弹簧相对于稳定位置向下移动时,其位移方向为正方向“+”,速度方向和活塞杆的作用力方向F均以向上为正方向。查阅相关文献,本研究选用油液密度为900 kg·m-3的不可压缩油液[8]。

图2 双气室油气弹簧的简化模型Fig. 2 Simplified model of double-chamber hydro-pneumatic spring

平衡位置时,B腔室和D 腔室的压力相等[9],不考虑阻尼影响,p1=pR,p4=p3=p2,活塞在平衡位置的平衡方程为

式(1)中:F为总的弹性力;p3为C腔气体的工作压力;S3为C 腔的环形面积;p1为A 腔气体工作压力;S1为A 腔面积。

D 腔内的气体状态方程为[10]

式(2)中:p4为D 腔气体工作压力;V4为D 腔气体体积;r为动态气体多变指数。

蓄能器内的气体状态方程为

式(3)中:pR为E 腔蓄能器气体工作压力;VR为E腔蓄能器气体体积。

油气弹簧稳定时活塞处于静平衡位置,设向上移动的距离为x,此时D 腔和E 腔内的气体工作体积如式(4)所示:

设簧上质量为m,可得达到平衡时的蓄能器中的压强为

综合式(1)至式(5)得:

对弹性力F中的位移x求导可得刚度系数:

2 刚度模型求解与验证

刚度特性是用油气弹簧中活塞杆所受的弹性力与活塞相对于缸体位移之间的关系来表示[11],因此用刚度系数-位移特性曲线来描述其刚度特性。表1为本研究所设计油气弹簧的具体参数。

表1 油气弹簧具体参数Table 1 Specific parameters of oil-air spring

本研究采用的正弦信号如下[12]:

式(8)中:A表示该正弦信号的幅值,f表示该正弦信号的频率。

采用前文所推导的刚度系数理论方程,在MATLAB/Simulink环境下编制程序,输入表1中的具体参数,取A=30 mm,f=2 Hz,求解得到双气室油气弹簧刚度特性理论曲线如图3所示。

图3 刚度特性曲线对比Fig. 3 Comparison of stiffness characteristic curve

为验证所建立刚度模型的合理性,在电液伺服振动台上搭建简易试验台进行实验,得出双气室油气弹簧随工作程变化的弹性力后进一步得出其刚度特性曲线。将实验数据与仿真结果比对后发现,在相同位移激励下,两组数据变化趋势呈现出较好的一致性,且数值差距较小,故本研究所建立的双气室油气弹簧刚度特性数学模型是合理的。

3 油气弹簧参数对刚度特性的影响分析

从式(7)可以看出,影响双气室油气弹簧刚度特性的工作参数有支撑重力、蓄能器初始气体压力、蓄能器初始气体体积、反压腔初始气体压力、反压腔初始气体体积,结构参数有:主腔室面积、环形腔面积。本研究在MATLAB/Simulink模块中采用控制变量法对所建立的双气室油气弹簧刚度特性数学模型进行求解,分析上述各参数对其刚度特性的影响规律。

3.1 支撑重力对刚度的影响

支撑重力对油气弹簧刚度特性的影响,见图4。由图4看出,随着支撑重力增加,在活塞杆与缸体相对位移增加的过程中,刚度系数的变化趋势越来越大。

图4 改变支撑重力对刚度特性的影响Fig. 4 Effect of support quality changing on stiffness characteristics

3.2 蓄能器初始气体压力对刚度的影响

图5为蓄能器初始气体压力对刚度的影响。从图5看出,随着蓄能器初始气体压力的增加,在油气弹簧由压缩行程转变至拉伸行程的过程中,刚度系数变化幅度也有明显变大的趋势。

图5 改变蓄能器初始气体压力对刚度特性的影响Fig. 5 Effect of changing the initial gas pressure of the accumulator on the stiffness characteristics

3.3 蓄能器初始气体体积对刚度的影响

图6为蓄能器初始气体体积对刚度的影响。

图6 改变蓄能器初始气体体积对刚度特性的影响Fig. 6 Effect of changing the initial gas volume of the accumulator on the stiffness characteristics

如图6所示,随着蓄能器初始气体体积的增加,在油气弹簧行程变化过程中,刚度系数的变化幅度越来越小。

3.4 反压腔初始气体压力对刚度的影响

图7为反压腔初始气体压力对刚度的影响。

图7 改变反压腔初始气体压力对刚度特性的影响Fig. 7 Effect of changing the initial gas pressure of the back pressure chamber on the stiffness characteristics

从图7可以看出,随着反压腔初始气体压力的增加,两种行程下的刚度系数小幅增大,刚度系数的变化几乎不受影响;可知适当改变反压腔初始气体压力不会对油气弹簧刚度产生较大影响。

3.5 反压腔初始气体体积对刚度的影响

图8为改变反压腔初始气体体积对刚度特性的影响。

图8 改变反压腔初始气体体积对刚度特性的影响Fig. 8 Effect of changing the initial gas volume of the back pressure chamber on the stiffness characteristics

由图8可以看出,反压腔初始气体体积由初始的2 L减小至1 L,压缩行程刚度系数最大值和伸张行程最小值均增大,但刚度系数变化幅度呈现减小的趋势;反压腔初始气体体积增大至3 L,压缩行程刚度系数最大值和伸张行程最小值均减小,但刚度系数的变化幅度几乎不受影响。

3.6 主腔室面积对刚度的影响

探究结构参数中主腔室面积对油气弹簧刚度特性的影响,结果见图9。由图9看出,随着主腔室面积的增加,两种行程下的刚度系数随之增大,刚度系数的变化幅度也越来越大。

图9 改变主腔室面积对刚度特性的影响Fig. 9 Effect of changing the area of the main chamber on the stiffness characteristics

3.7 环形腔面积对刚度的影响

探究结构参数中环形腔面积对油气弹簧刚度特性的影响,结果如图10所示。图10结果表明,刚度系数值会随着环形腔面积的增加整体呈现减小的趋势,刚度系数变化幅度也越来越小。

图10 改变环形腔面积对刚度特性的影响Fig. 10 Effect of changing the area of the annular cavity on the stiffness characteristics

4 结论

1) 运用达朗伯原理建立出双气室油气弹簧刚度特性数学模型,在MATLAB/Simulink中求解得出其刚度特性理论曲线,通过振动台架试验检验了所建立模型的合理性,结果表明:所建立的刚度特性数学模型能较好地表征其实际工况,且油气弹簧的刚度特性与输入位移激励是非线性的关系。

2) 通过控制变量法考察了各工作条件和结构尺寸对双气室油气弹簧刚度特性的影响,结果表明:支撑重力、蓄能器初始气体压力、主腔室面积的增加会使刚度系数值和刚度系数变化幅度增大;而蓄能器初始气体体积、环形腔面积的增加会导致刚度系数值减小,同时其变化幅度也减小;反压腔初始气体体积的增加会导致刚度系数值减小,其变化幅度会小幅增大;而反压腔初始气体压力的增加会导致刚度系数值小幅增加,但几乎不会影响刚度系数变化趋势。