【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Y 1 3 得電時(shí)，接通電磁閥 Y 1 5 與 Y 1 6 ，可實(shí)現(xiàn)三、四軸的下放著地。在三四橋提升離地的狀態(tài)下，車(chē)輛可實(shí)現(xiàn)增加一二五六驅(qū)動(dòng)軸的附著力及配合其他 特殊工況。車(chē)軸提升功能應(yīng)用在兩棲坦克上還可實(shí)現(xiàn)當(dāng)坦克在海上行進(jìn)時(shí)提升履帶底板，從而達(dá)到大大減小航行時(shí)海水的阻力，提高坦克航行速度的目的。 越野車(chē)油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì) 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(jì)的關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)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(duì)車(chē)體的撞擊，大大提高了車(chē)輛的行使平順性。與汽車(chē)鋼板彈簧相比，油氣彈簧為變剛度彈 簧，可通過(guò)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(chē)架高度和傾角，提高通過(guò)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(chē)輛上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著人們要求的不斷提高，增加車(chē)輛載荷、提高車(chē)輛行駛速度，改善油氣彈簧在更高壓力下作業(yè)的動(dòng)態(tài)密封性能，延長(zhǎng)其使用壽命和準(zhǔn)確設(shè)計(jì)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(wèn)題。本文主要針對(duì)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(jiǎn)化示意圖 本文對(duì)獨(dú)立式油氣懸架的帶反壓氣室油氣彈簧系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到圖 所示為油氣彈簧系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖，它主要由上下兩個(gè)蓄能器和一個(gè)液壓缸組成。液壓缸中包含三個(gè)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(gè)腔 B、 C 油液通過(guò)單向閥 2及阻尼孔 3 相連通。兩個(gè)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?dú)?，高壓氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣 囊與油液相隔離。 油氣懸掛系統(tǒng)在工作過(guò)程中可分為壓縮行程和復(fù)原行程兩個(gè)部分。當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，即壓縮行程，活塞桿向下運(yùn)動(dòng)， C 腔內(nèi)油液壓力下降， C 腔體積變大，需要通過(guò)單向閥 2 和阻尼孔 3 將 B 腔內(nèi)的油液補(bǔ)償給 C 腔，同時(shí)蓄能器 D 內(nèi)的油液也在高壓氮?dú)獾膲毫ψ饔孟聣喝? B 腔。而此時(shí) 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(chē)油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì) 14 內(nèi)的氮?dú)庖驂嚎s而壓力增大。復(fù)原行程，即活塞桿向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，此過(guò)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?dú)獾膲?力作用下補(bǔ)給 A 腔，另外 C 腔內(nèi)油液的壓力升高，其腔內(nèi)油液通過(guò)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(shí)蓄能器 D 內(nèi)的氮?dú)庖虮粔嚎s而壓力增大。 車(chē)輛行駛在路面起伏時(shí)，活塞在缸筒內(nèi)也隨之上、下運(yùn)動(dòng)。這樣，在壓力差的作用下，使得 B、 C 兩腔的油液通過(guò)一些阻尼孔和單向閥往復(fù)地傳遞和補(bǔ)償。但由于具有壓力差的油液在通過(guò)阻尼孔和單向閥孔傳遞和補(bǔ)償時(shí)消耗能量，衰減了汽車(chē)的振動(dòng)，因此這一過(guò)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?dú)獠⑶曳忾]，通過(guò)氣體的彈性變形來(lái)承受外力和車(chē)輛載荷，由此減輕了地面對(duì)車(chē)輛的沖擊，這就是油氣彈簧系統(tǒng)的彈性特性形成的過(guò)程。 帶反壓氣室油氣彈簧的物理模型 為了簡(jiǎn)潔地表示所設(shè)計(jì)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(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖。 圖 帶反壓氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 主要基本尺寸的確定 為設(shè)計(jì)方便，通過(guò)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(dòng)到最大壓縮行程的極限位置時(shí)，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(chē)油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì) 15 假設(shè)當(dāng)主活塞移動(dòng)到最大拉伸行程的極限位置時(shí)，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(jì)算參數(shù)在以后的特性仿真過(guò)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(wèn)題 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)要求 為了確保系統(tǒng)密封可靠、運(yùn)動(dòng)靈活、拆裝方便，油氣彈簧合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和嚴(yán)密的制造技術(shù)具有十分重要作用。以下幾點(diǎn)應(yīng)該特別注意： (1)內(nèi)外缸筒相對(duì)滑動(dòng)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(duì) 滑動(dòng)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(duì)滑動(dòng)的配合部分表面圓柱度按要求在 7 級(jí)以上。 (4)密封件安裝時(shí)，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(guò)渡；防止損壞密封件，影響整體構(gòu)件的正常運(yùn)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(shí)，密封件應(yīng)該涂以潤(rùn)滑劑，以便安裝和拆卸。 導(dǎo)向長(zhǎng)度的設(shè)定 系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng) 時(shí)，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(shí)引起的沖擊、振動(dòng)和彎曲，同時(shí)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(jì)中，彈簧缸的最大工作行程，可根據(jù)工作機(jī)械動(dòng)作要求所決定的彈簧缸最大和最小極限位置長(zhǎng)度來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度，是指當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中心到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離，用 H 表示，如圖 所示。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)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(zhǎng)度往往受到結(jié)構(gòu)的限制，所以設(shè)計(jì)中必須確保一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 越野車(chē)油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì) 16 圖 導(dǎo)向部分 一般來(lái)說(shuō)，彈簧缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，取缸筒內(nèi)徑 D的 ~ 倍；在缸筒內(nèi)徑 D 80mm時(shí)，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(guò)阻尼孔時(shí)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程想當(dāng)復(fù)雜，摩擦力的計(jì)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(diǎn)。通常需要做大量的臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)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(guò)程中，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)康氖菍で笠粋€(gè)合理的實(shí)際阻尼值，使之與設(shè)計(jì)值相一致。但是實(shí)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(jì)算，我們通常假定二者成正比關(guān)系，即 p =Cv。臺(tái)架試驗(yàn)中，采用最小二乘法求實(shí)際的線性阻尼系數(shù) C。 在試驗(yàn)中，假設(shè)測(cè)定 n 組數(shù)據(jù)對(duì)：（ 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(chē)油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì) 17 圖 阻尼系數(shù) (2)臺(tái)架試驗(yàn)的步驟 a. 從試驗(yàn)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(lì)信號(hào)分別傳遞給油氣彈簧，測(cè)試出示功圖，求出各個(gè)最大速度點(diǎn) 1v ， 2v ，?， nv 對(duì)應(yīng)的復(fù)原阻力 1p ， 2p ，?， np 。 c. 利用最小二乘法計(jì)算出相當(dāng)線性阻尼系數(shù) rC 。 d. 對(duì)比相當(dāng)線性阻尼系數(shù) rC 和設(shè)計(jì)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(shuō)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(yàn) ，直到滿足要求為止。越野車(chē)油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì) 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(jiǎn)化條件 建模時(shí)，取活塞平衡狀態(tài)時(shí)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(lì)信號(hào) x = ( 20π t)作用下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(shí)活塞運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?。為?jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)： (1)在工作過(guò)程中，油氣彈簧缸經(jīng)常處于振顫狀態(tài)，且具有良好的潤(rùn)滑性，所以通常忽略震顫摩擦阻力對(duì)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(shí)，粘度變化不明顯。故本文不考慮溫度對(duì)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(guò)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(shí)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(chēng)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(shí)，壓強(qiáng)、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(yàn)定律上。雖然完全理想的氣體并不可能存在，但許多實(shí)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?dú)獾龋┰诔爻合碌男再|(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?dú)?，根?jù)上述通常把氮?dú)獾奶匦越茷槔硐霘怏w的特性，其狀態(tài)變化過(guò)程視為一個(gè)多變過(guò)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(qiáng)（ 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(duì)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(qiáng)（ Pa）； 0V —— 理想氣體初始?xì)怏w體積（ 3m ）。 越野車(chē)油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì) 19 封閉容器內(nèi)的氣體被壓縮時(shí)，氣體體積減小，壓強(qiáng)和溫度升高，是儲(chǔ)存能量的過(guò)程。反之，是釋放能量的過(guò)程。在這個(gè)變化過(guò)程中，由于氣體與其周?chē)h(huán)境的溫度差導(dǎo)致能量損失。當(dāng)加載速度較慢時(shí)，氣體有充分的時(shí)間與周?chē)臍怏w進(jìn)行熱交換，氣體溫度保持恒定，氣體的狀態(tài)變化過(guò)程可看作是一個(gè)等溫過(guò)程。當(dāng)快速加載時(shí)，氣體來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換，對(duì)應(yīng)氣體的狀態(tài)變化過(guò)程近似為一個(gè)絕熱過(guò)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(guò)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(méi)有相互作用力，但實(shí)際氣體的分子卻占有體積，分子間有相互作用力。因此，氮?dú)庑阅芡硐霘怏w存在顯著的差異。氣體的多變指數(shù) r 是與外界激勵(lì)速度和頻率 有 關(guān) 的函數(shù)，通過(guò)測(cè)試實(shí)際氣體的狀態(tài)變化過(guò)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(qiáng)變化范圍為 2～ 40MPa，溫度變化范圍為 220～ 520K，在壓強(qiáng)、溫度等變化范圍較大的情況下不能把氮?dú)庾鳛槔硐霘怏w研究，而應(yīng)該使用實(shí)際氣體的狀態(tài)方程來(lái)描述其性質(zhì)，但在壓強(qiáng)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(shí)際氣體的狀態(tài)方程 表示實(shí)