【文章內(nèi)容簡介】 Y 1 3 得電時，接通電磁閥 Y 1 5 與 Y 1 6 ，可實現(xiàn)三、四軸的下放著地。在三四橋提升離地的狀態(tài)下，車輛可實現(xiàn)增加一二五六驅(qū)動軸的附著力及配合其他 特殊工況。車軸提升功能應(yīng)用在兩棲坦克上還可實現(xiàn)當(dāng)坦克在海上行進(jìn)時提升履帶底板，從而達(dá)到大大減小航行時海水的阻力，提高坦克航行速度的目的。 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 13 第五章 帶反壓氣室油氣彈簧理論模型和結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題 概述 油氣懸架的關(guān)鍵部件油氣彈簧，是以可壓縮的氣體作為氣體彈簧和減震元件合在一起的彈性元件。油液作為中間介質(zhì)，起傳遞作用力和衰減震動的作用。具有非線性的工作特性，隨著所傳遞作用力的增加，剛度也急劇增大，這樣就避免了非懸掛部分對車體的撞擊，大大提高了車輛的行使平順性。與汽車鋼板彈簧相比，油氣彈簧為變剛度彈 簧，可通過調(diào)整蓄能器的壓力改變彈簧特性，使油氣懸架具有極好的行駛平順性。并且可改變車架高度和傾角，提高通過能力，還可鎖住懸架系統(tǒng)。油氣彈簧憑借其優(yōu)越的非線性特性和良好的減振性能，在各種車輛上的應(yīng)用越來越廣泛。隨著人們要求的不斷提高，增加車輛載荷、提高車輛行駛速度，改善油氣彈簧在更高壓力下作業(yè)的動態(tài)密封性能，延長其使用壽命和準(zhǔn)確設(shè)計其減振性能參數(shù)，已經(jīng)成為研究油氣彈簧系統(tǒng)的主要問題。本文主要針對帶有反壓氣室的油氣彈簧進(jìn)行研究。 帶反壓氣室的油氣彈簧理論模型 1— 活塞； 2— 單向閥； 3— 阻尼孔； 4— 活塞桿 5— 上蓄能器； 6— 下蓄能器； 7— 液壓缸筒 圖 帶反壓氣室油氣彈簧簡化示意圖 本文對獨立式油氣懸架的帶反壓氣室油氣彈簧系統(tǒng)進(jìn)行簡化，可得到圖 所示為油氣彈簧系統(tǒng)簡化示意圖，它主要由上下兩個蓄能器和一個液壓缸組成。液壓缸中包含三個油腔 A、 B、 C 腔，都充滿油液， A 腔油液在活塞 1 的作用下與 B 腔和 C 腔相隔離，而其他兩個腔 B、 C 油液通過單向閥 2及阻尼孔 3 相連通。兩個蓄能器 D 和 E 分別連通與 B 腔和 A 腔，蓄能器內(nèi)充有高壓氮氣，高壓氮氣通過氣 囊與油液相隔離。 油氣懸掛系統(tǒng)在工作過程中可分為壓縮行程和復(fù)原行程兩個部分。當(dāng)活塞向下運動時，即壓縮行程，活塞桿向下運動， C 腔內(nèi)油液壓力下降， C 腔體積變大，需要通過單向閥 2 和阻尼孔 3 將 B 腔內(nèi)的油液補償給 C 腔，同時蓄能器 D 內(nèi)的油液也在高壓氮氣的壓力作用下壓入 B 腔。而此時 A 腔內(nèi)油液壓力升高，其內(nèi)油液向蓄能器 E 中壓入，使蓄能器 E 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 14 內(nèi)的氮氣因壓縮而壓力增大。復(fù)原行程，即活塞桿向上運動的過程，此過程與壓縮行程原理基本相反。 A 腔內(nèi)油液壓力降低，蓄能器 E 腔內(nèi)的油液在高壓氮氣的壓 力作用下補給 A 腔，另外 C 腔內(nèi)油液的壓力升高，其腔內(nèi)油液通過阻尼孔 3 壓入 B 腔，由于 B 腔與蓄能器 D 相通，其內(nèi)油液被壓入蓄能器 D 腔，此時蓄能器 D 內(nèi)的氮氣因被壓縮而壓力增大。 車輛行駛在路面起伏時，活塞在缸筒內(nèi)也隨之上、下運動。這樣，在壓力差的作用下，使得 B、 C 兩腔的油液通過一些阻尼孔和單向閥往復(fù)地傳遞和補償。但由于具有壓力差的油液在通過阻尼孔和單向閥孔傳遞和補償時消耗能量，衰減了汽車的振動，因此這一過程就形成了油氣彈簧系統(tǒng)的阻尼特性。而與上下油腔相連的蓄能器 D、 E 內(nèi)均充滿高 壓氮氣并且封閉，通過氣體的彈性變形來承受外力和車輛載荷，由此減輕了地面對車輛的沖擊，這就是油氣彈簧系統(tǒng)的彈性特性形成的過程。 帶反壓氣室油氣彈簧的物理模型 為了簡潔地表示所設(shè)計的帶反壓氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)，繪制了如圖 所示標(biāo)有一些主要尺寸的簡易結(jié)構(gòu)圖。 圖 帶反壓氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)簡圖 主要基本尺寸的確定 為設(shè)計方便，通過參考相關(guān)資料，預(yù)設(shè)， CD =140mm ， Ed =110mm ，行程 L=800mm ，則 C腔圓面積： cA = 42cD? = 2m A腔圓環(huán)面積： A = ? ?224Ec dD ??= 2m 面積差： A? = cA A = 2m 假設(shè)當(dāng)主活塞移動到最大壓縮行程的極限位置時，則 C 腔的油液變化量全部流入蓄能器 D，那么，蓄能器 D 的初始體積 DoV 應(yīng)該滿足要求 DoV LAc? ，即 DoV 3m 。這里初設(shè)蓄能器 D 的初始體積 DoV = 3m =15L。 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 15 假設(shè)當(dāng)主活塞移動到最大拉伸行程的極限位置時，則 A 腔的油液變化量全部流入蓄能器 E，那么，蓄能器 E 的初始體積 EoV 應(yīng)該滿 足要求 EoV LAA? ，即 EoV 3m 。這里初設(shè)蓄能器 E 的初始體積 EoV = 3m =6L。 若取 D =146mm ,則 DA = 42DD? = 2m , DOH =DDOAV =900mm ： 若取 ED =80mm ,則 EA = 42ED? = 2m , EOH =DEOAV =1195mm 。 以上各計算參數(shù)在以后的特性仿真過程中將進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到使用要求。 研究油氣彈簧結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題 結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造技術(shù)要求 為了確保系統(tǒng)密封可靠、運動靈活、拆裝方便，油氣彈簧合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和嚴(yán)密的制造技術(shù)具有十分重要作用。以下幾點應(yīng)該特別注意： (1)內(nèi)外缸筒相對滑動部分的配合間應(yīng)隙嚴(yán)格遵守密封件間隙要求。 (2)注意相對 滑動的內(nèi)外配合表面粗糙度誤差要求：外圓表面輪廓算術(shù)偏差 Ra≤ m ；內(nèi)孔表面輪廓算術(shù)偏差 Ra≤ m。 (3)內(nèi)外相對滑動的配合部分表面圓柱度按要求在 7 級以上。 (4)密封件安裝時，缸筒初始接觸處零件端頭應(yīng)保持約 15 度的倒角；圓柱面和倒角相交處應(yīng)選用圓弧過渡；防止損壞密封件，影響整體構(gòu)件的正常運轉(zhuǎn)。 (5)所有零件要拋光去毛刺，存留的雜質(zhì)和污物應(yīng)清理干凈。 (6)保持工具表面清潔、光滑，防止腐蝕；安裝時，密封件應(yīng)該涂以潤滑劑，以便安裝和拆卸。 導(dǎo)向長度的設(shè)定 系統(tǒng)往復(fù)運動 時，油氣彈簧的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)起導(dǎo)向支撐作用，承受外力作用在活塞桿上時引起的沖擊、振動和彎曲，同時導(dǎo)向結(jié)構(gòu)也影響著油氣彈簧的性能。 在油氣彈簧的設(shè)計中，彈簧缸的最大工作行程，可根據(jù)工作機(jī)械動作要求所決定的彈簧缸最大和最小極限位置長度來確定。若用 maxL 和 minL 分別表示彈簧缸的最大和最小極限位置長度，則根據(jù)其差值 L? = maxL minL ，即得彈簧缸的最大工作行程。 彈簧缸的最小導(dǎo)向長度，是指當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中心到導(dǎo)向套滑動面中點的距離，用 H 表示，如圖 所示。如果導(dǎo)向長度過短，將使油氣彈簧因配合間隙引起的初始撓度增大，影響穩(wěn)定性。但導(dǎo)向長度往往受到結(jié)構(gòu)的限制，所以設(shè)計中必須確保一定的最小導(dǎo)向長度。 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 16 圖 導(dǎo)向部分 一般來說，彈簧缸的最小導(dǎo)向長度 H 應(yīng)該滿足下式要求： 220 DLH ?? （ mm） 式中： L－油氣彈簧的最大行程（㎜）； D－彈簧缸內(nèi)直徑（㎜）。 根據(jù)圖示，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中 A 和 B 兩部分的長度可以相等，也可以不等，一般其取值為：在缸筒內(nèi)徑 D ≤ 80mm時，取缸筒內(nèi)徑 D的 ~ 倍；在缸筒內(nèi)徑 D 80mm時，則取活塞桿直徑 d的 ~ 倍。因此，取 A=B=110mm。 確定阻尼孔徑 油 液經(jīng)過阻尼孔時產(chǎn)生熱量，加之密封件與缸筒之間的摩擦力作用，就了形成油氣彈簧的阻尼作用。但油液運動的過程想當(dāng)復(fù)雜，摩擦力的計算也存在誤差。如何確定阻尼孔的尺寸，保證一定的精確度是研究油氣彈簧阻尼作用的難點。通常需要做大量的臺架試驗來確定阻尼孔徑。 (1)最小二乘法估算線性阻尼系數(shù) 在確定阻尼孔徑的過程中，臺架試驗?zāi)康氖菍で笠粋€合理的實際阻尼值，使之與設(shè)計值相一致。但是實際應(yīng)用中阻尼值和速度之間成非線性關(guān)系，為了便于理論計算，我們通常假定二者成正比關(guān)系，即 p =Cv。臺架試驗中，采用最小二乘法求實際的線性阻尼系數(shù) C。 在試驗中，假設(shè)測定 n 組數(shù)據(jù)對：（ 1p ， 1v ），（ 2p ， 2v ）??（ np ， nv ），設(shè)線性阻尼系數(shù)為 rC ，則誤差的平方和表達(dá)為： 2 2 21 1 2 2( ) ( ) ( )r r r n nC p C p C p? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 取 min??? ，則 0rC???? 1 1 2 22 2 212nnrnp p pC ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 17 圖 阻尼系數(shù) (2)臺架試驗的步驟 a. 從試驗中選擇某一阻尼孔徑。 b. 將同 一規(guī)定頻率、不同振幅的激勵信號分別傳遞給油氣彈簧，測試出示功圖，求出各個最大速度點 1v ， 2v ，?， nv 對應(yīng)的復(fù)原阻力 1p ， 2p ，?， np 。 c. 利用最小二乘法計算出相當(dāng)線性阻尼系數(shù) rC 。 d. 對比相當(dāng)線性阻尼系數(shù) rC 和設(shè)計阻尼系數(shù) C 。如果兩者之間的誤差值達(dá)到工程上的允許范圍，則說明所選阻尼孔徑尺寸滿足使用要求；反之，則需要再選擇其他適當(dāng)阻尼孔徑尺寸，按步驟 a～ d 重復(fù)試驗 ，直到滿足要求為止。越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 18 第六章 帶反壓氣室油氣彈簧數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型簡化條件 建模時，取活塞平衡狀態(tài)時的位置為帶反壓氣室彈簧物理模型的初始位置。設(shè)活塞桿在正弦激勵信號 x = ( 20π t)作用下做往復(fù)運動，其速度為 x = 8π cos ( 20π t)，式中 A 和 f 分別為振幅和頻率，位移方向取復(fù)原行程時活塞運動方向為正。為簡化計算，作如下假設(shè)： (1)在工作過程中，油氣彈簧缸經(jīng)常處于振顫狀態(tài)，且具有良好的潤滑性，所以通常忽略震顫摩擦阻力對彈簧缸的影響。 (2)由于液體的壓縮性很小 ，本文假定油液是不可壓縮的，且油液流通是連續(xù)的。 (3)通常液壓油粘度隨溫度變化而變化，但當(dāng)溫度變化較小時，粘度變化不明顯。故本文不考慮溫度對液壓油粘度的影響。 (4)蓄能器密封性能良好，氣體質(zhì)量不變。 氣體狀態(tài)方程的選擇 氣體的狀態(tài)變化過程可以用兩種方法進(jìn)行描述：理想氣體的多變狀態(tài)方程和實際氣體的狀態(tài)方程。 理想氣體的多變狀態(tài)方程 理想氣體狀態(tài)方程（也稱理想氣體定律、克拉佩龍方程）是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時，壓強、體積、物質(zhì)的量、溫度間關(guān)系的狀態(tài)方程。它建立在波義耳定律、查理定律 、蓋呂薩克定律等經(jīng)驗定律上。雖然完全理想的氣體并不可能存在，但許多實際氣體，特別是那些不容易液化、凝華的氣體（如氦、氫氣、氧氣、氮氣等）在常溫常壓下的性質(zhì)已經(jīng)十分接近于理想氣體。 帶反壓氣室油氣彈簧缸蓄能器內(nèi)的氣體為惰性氣體氮氣，根據(jù)上述通常把氮氣的特性近似為理想氣體的特性，其狀態(tài)變化過程視為一個多變過程，理想氣體的狀態(tài)方程表達(dá)為： mRTPV? 式 ( ) 式中 P —— 理想氣體的氣體壓強（ Pa）； V —— 理想氣體的氣體體積（ 3m ）； m —— 理想氣體的氣體質(zhì)量（ kg）； R —— 理想氣體的氣體常數(shù)（ J/(kgK)）； T —— 理想氣體的氣體絕對溫度（ K）。 氣體的多變狀態(tài)方程為 : rr VPPV 00? 式 () 式中 :r —— 氣體多變指數(shù)； 0P —— 理想氣體初始?xì)怏w壓強（ Pa）； 0V —— 理想氣體初始?xì)怏w體積（ 3m ）。 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 19 封閉容器內(nèi)的氣體被壓縮時，氣體體積減小，壓強和溫度升高，是儲存能量的過程。反之，是釋放能量的過程。在這個變化過程中，由于氣體與其周圍環(huán)境的溫度差導(dǎo)致能量損失。當(dāng)加載速度較慢時，氣體有充分的時間與周圍的氣體進(jìn)行熱交換，氣體溫度保持恒定，氣體的狀態(tài)變化過程可看作是一個等溫過程。當(dāng)快速加載時，氣體來不及與外界進(jìn)行熱交換，對應(yīng)氣體的狀態(tài)變化過程近似為一個絕熱過程。雖然從理論上氣體多變指數(shù) r 的范圍為 1～，但氣體多變指數(shù)受多種因素的影響，其確定過程比較困難。此外，理想氣體狀態(tài)方程假定氣體分子不占有體積， 分子之間沒有相互作用力，但實際氣體的分子卻占有體積，分子間有相互作用力。因此，氮氣性能同理想氣體存在顯著的差異。氣體的多變指數(shù) r 是與外界激勵速度和頻率 有 關(guān) 的函數(shù)，通過測試實際氣體的狀態(tài)變化過程得到其指數(shù)為 ～，與理想氣體給定指數(shù)范圍相差較大。另外油氣懸架工作環(huán)境比較惡劣，其氣體壓強變化范圍為 2～ 40MPa，溫度變化范圍為 220～ 520K，在壓強、溫度等變化范圍較大的情況下不能把氮氣作為理想氣體研究，而應(yīng)該使用實際氣體的狀態(tài)方程來描述其性質(zhì)，但在壓強和溫度變化不大的情況下，采用理想氣體 狀態(tài)方程建模，還是能夠滿足仿真精度的要求。 實際氣體的狀態(tài)方程 表示實