车用可控刚度油气弹簧刚度特性

北京理工大学学报

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车用可控刚度油气弹簧刚度特性

吴志成C陈思忠C杨

摘

林C孟

祥

北京理工大学机械与车辆工程学院C北京@

#$$$D#A

要<为适应多变的道路条件C车辆的悬架系统需要刚度可控的弹性元件E对油气弹簧刚度特性数学模型的分析

显示C储气室总容积F环境温度等对油气弹簧的刚度特性有明显影响E通过改变连通储气室数目的方法实现对储气室总容积的控制C油气弹簧的刚度特性也因此得到控制E刚度特性分析表明C可控刚度油气弹簧的车辆应用可以改善行驶平顺性和环境温度适应性E关键词<油气弹簧G非线性G可控刚度中图分类号BIBB?IB

文献标识码KLMNNOPQQROSTUQMQVNWVOLXVTTSYTPKLMNNOPQQ

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<5G(G*vPUwVX[Q7o&-t(04p’+,*)t&,(2-(6,(0’&,+7-(+&-66’s60)+,..(0))油气弹簧以油液为传力介质C惰性气体为储能

#!

介质C表现出明显的非线性刚度特性~车用油气弹E

思路是采用主F副两个储气室C通过控制副储气室接入与否C实现油气弹簧的可变刚度E

簧的最大工作压力一般为!在常温下工作C$m\"C’可用理想气体状态方程分析其刚度特性E影响油气弹簧刚度特性的主要因素有储气室总容积F预充气压力F工作油缸直径E可控刚度油气弹簧方案的基本

#油气弹簧刚度特性数学模型

车用油气弹簧结构及受力简图如图#所示E图中<$%)为油气弹簧工作油缸直径G’为油气

收稿日期基金项目<国家部委预研项目@!$$!==##$#Ael

万方数据作者简介<吴志成@男C讲师C#xy!zAC=<|s99}gp’,6c45,*50(2,+0o4*({i

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北京理工大学学报

第Ka卷

悬架在静平衡位置时B可根据室温K>Y下=57

的储气室预充气压力H储气室总容积=油气弹簧ZZ>>的工作环境温度[-和工作油缸直径J5通过下式求得Q

K

PH[\\KSTJ>-5

C=GEKF=I57>

@>\\KSTK57K

由于油气弹簧安装完成后B从自由状态压缩到

NVWVWO!静平衡位置的过程可认为是等温过程B式E中的多KF图!在!\"#车模型上的油气弹簧结构及受力简图$%&’!()*+,)+*-./012*,-./.345%521640*27/-+8.)%,

57*%/&2/.9+.*)-*:-6%,3-820-3

弹簧的总工作行程;<57为悬架在静平衡位置时活塞行程;=57为静平衡位置时储气室内气体体积;=>为储气室总容积;)为轮胎刚度;@A为悬架地面支反力;@57为悬架在静平衡位置时油气弹簧的载荷B@57CDE@AF

G@57与@A的函数关系由悬架形式和结构决定;

悬架静平衡位置油气弹簧的工作油压H57为H57C#@57\"EIJ5

K

FB一般设计H57

不超过!>LM.G分析油气弹簧的刚度特性可以用理想气体状态方程G由于车辆悬架振动是一个快速过程B气体状态

变化可认为是绝热的NKO

B

故工作时油气弹簧内动态油压H5为

H5CH57E=57\"=,

FP

G式中QP为多变指数B振动缓慢时PC!R>B振动激烈时PC!R#B而实际气体的多变指数在绝热过程中取!RSB参见文献NTO;=,为工作时储气室内气体的动态变化体积G有

=,C=57

UIVJ5K

WK

<5

B式中<5为油气弹簧活塞的动态行程G

工作时油气弹簧的动态载荷@5为

@5C@=P

57

57NVGE!F=57UIJ5

KP

K

W<5

O由式E!F可以看出B油气弹簧表现出非线性的刚度特性B多变指数P和悬架在静平衡位置时储气室

内气体体积=57

对油气弹簧刚度特性影响明显GX油气弹簧刚度特性的影响因素

多变指数万方数据P表示油气弹簧工作振动激烈程度B油气弹簧工作振动激烈时的刚度要大于振动缓慢时’

变指数P取!G

将式EKF带入式E!F

得到N=>H>VJ5WK

@V-WOP57

[\\KST@5C@57

IKK>\\KSTN=>H>VJWKV[\\KSTWVJWKOP

’ETF@57

I5-KK>\\KSTUI5

K<5

可以看出BH>B=>B[-BJ5都对油气弹簧刚度特性有较大影响B如图K所示G

图K.表明Q在=>B[-和J5不变时BH>越大BH5随

<5变化曲线越平缓B

对应油气弹簧刚度越小G图K]表明Q在H>B[-和J5不变时B=>越大BH5随<5变化曲线越平缓B

对应油气弹簧刚度越小G图K,表明Q在H>B=>和J5不变时B[-越高BH5随<5变化曲线越平缓B

对应油气弹簧刚度越小G图K0表明Q在H>B=>和[-不变时BJ5越大BH5随<5变化曲线越平缓B

对应油气弹簧刚度越小G在实际工程中B油气弹簧的刚度特性还要受到储气室所允许的最大工作压力H58.^的限制G一般车辆油气悬架使用隔膜式和活塞式的蓄能器作为储气室B最大工作压力在!_‘TaLM.之间B如最大允许的工作压力为K>LM.B在图K中实线表示的油气弹簧的刚度特性都有超过最大工作压力的部分B是不可取的刚度特性G

在限定蓄能器最大工作压力的条件下B可以由式ETF推导出H>与=>的关系式为

@57H58.^

IJK

!5PECV#@W.7

U<57

5F!NVH58.^IJK!5WP

OV[-\\KSTW=>GE#F#@57

U!

K>\\KST车用油气弹簧的<.B<57B@57BJ5一般由于车辆悬

架总体设计要求不便另行更改B如果选用容积较小的蓄能器B油气弹簧应采用较大预充气压力B而且如果工作环境温度较低B也应加大预充气压力G但是在油气弹簧复原行程中B过高的预充气压力会损坏蓄

能器N#O

B因此应使蓄能器在室温K>Y下的预充气压

力小于油气弹簧最小工作行程时的油压G

第R!期吴志成等O车用可控刚度油气弹簧刚度特性

R#DQ

图!\"$$%&##’和()对油气弹簧刚度特性的影响

-!./$%$&$(*+,/’01+2312)1+//3’))2/4567283’9:;1+0)87+3,<5\"##’)

=车用可控刚度油气弹簧

由于储气室的总容积对油气弹簧刚度特性影响明显$而且储气室的总容积可以通过改变连通储气

?@室的数目方便地进行有级式控制>因此油气弹簧$

油缸之间的油路中$处于常开状态A如果开关阀关闭$副储气室与工作油缸之间的通路被切断$相当于减小储气室的总容积$增大油气弹簧刚度A

开关阀的开关由IJK控制$IJK通过压力传感器采集油气弹簧工作压力$并根据对车辆行驶状态的判断确定一个高于副储气室预充气压力的开关阀关闭阈值和一个略低于关闭阈值的开启阈值A

的刚度控制应从改变储气室的总容积入手A=BC可控刚度油气弹簧设计方案

可控刚度油气弹簧设计方案如图D所示A

=BL可控刚度油气弹簧刚度特性

由于副储气室的预充气压力要高于主储气室$副储气室不参与工作$油气弹簧刚度较大A

在油气弹簧工作压力大于副储气室的预充气压力且小于开关阀关闭阈值时$副储气室参与工作$油气弹簧刚度减小A在油气弹簧工作压力大于开关阀关闭阈值时$副储气室退出工作$油气弹簧刚度增大A

由于副储气室的参与和退出引起油气弹簧刚度

在油气弹簧工作压力小于副储气室预充气压力时$

图D可控刚度油气弹簧原理简图-DE*+,F20G6+;,7;:2/023172FF;4567283’9:;1+0)87+3,

这的突变$在\")随M)变化曲线中会出现两个折点$使可控刚度油气弹簧的刚度特性具有明显优势A可控刚度油气弹簧与不可控的单H双储气室油气弹簧的刚度特性对比如图N所示A

由图N可以看出$虽然三者在静平衡位置的载荷和最大载荷相同$但可控刚度油气弹簧具有以下优点O避免车身P在静平衡位置附近的刚度适中$

图中可控刚度油气弹簧采用了主H副两个储气室$副储气室的预充气压力高于主储气室且高于静平衡位置时的油气弹簧工作压力A万方数据用于控制刚度的开关阀布置在副储气室与工作

OSg^

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第RG卷

其刚度特性在激烈振动过程大于缓慢振动过程=储气室总容积J工作环境温度:预充气压力J

和工作油缸直径对油气弹簧刚度特性影响较大=应合理匹配蓄<确定蓄能器最大工作压力后;

能器预充气压力与总容积;使蓄能器在室温下的预充气压力小于油气弹簧最小工作行程时的油压=K可控刚度油气弹簧可以使车辆悬架在平衡位置附近刚度适中;避免车身高度对车辆载荷的变化过于敏感9在伸张行程时刚度较小;减少了车轮动

图!可控刚度油气弹簧与不可控油气弹簧的

刚度特性对比

\"#$%!&’#(()*++,-./01#+-)2*’3**),-)’1-44024*0)5

6),-)’1-44024*+’#(()*++7851-/)*6.0’#,+/1#)$+

高度对车辆载荷的变化过于敏感9:在小压缩行程时;刚度较小;减小上传车身的垂直力;降低车身垂直加速度9<在大压缩行程时;

刚度较大;降低悬架击穿概率;改善车辆行驶平顺性;提高越野行驶车速=>?>开关阀关闭阈值对刚度特性的影响

@AB可以根据对车辆行驶状态的判断改变控制开关阀的关闭阈值;即当车辆行驶于良好的铺装路面时;@AB提高控制开关阀关闭的油压阈值;减小油气弹簧在大压缩行程中的刚度;降低车身垂直加速度;提高车辆的行驶平顺性=当车辆行驶于恶劣的越野路面时;@AB降低控制开关阀关闭的油压阈值;提高油气弹簧在大压缩行程中的刚度;降低悬架击穿C撞击限制块D概率;提高车辆越野行驶车速=

控制开关阀关闭的油压阈值不同时;在油气弹簧内;油压E+随F+变化曲线如图G

所示=图G不同油压阈值对可控刚度油气弹簧刚度特性的影响\"#$%G@((*,’+-),-)’1-44024*+’#(()*++7851-/)*6.0’#,

+/1#)$285#((*1*)’7851064#,/1*++61*’71*+7-45+

H结

论

I油气弹簧表现出明显的非线性刚度特性万方数据;且载荷;改善了车轮接地性9在小压缩行程时刚度适中;减小了上传车身的垂直力;降低了车身垂直加速度9在大压缩行程时刚度较大;降低了悬架击穿概率;从而改善了车辆行驶平顺性=

L控制可控刚度油气弹簧的开关阀在低温环境下不关闭;可以减小油气弹簧的最大载荷;这对提高油气弹簧及车辆的环境温度适应性有积极意义=

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作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

吴志成， 陈思忠， 杨林， 孟祥， WU Zhi-cheng， CHEN Si-zhong， YANG Lin，MENG Xiang

北京理工大学,机械与车辆工程学院,北京,100081北京理工大学学报

TRANSACTIONS OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY2005,25(12)6次

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