【文章內(nèi)容簡介】 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 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。 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)，=140mm ，=110mm ，行程L=800mm ，則 C腔圓面積： ==A腔圓環(huán)面積：==面積差： ==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 的初始體積應(yīng)該滿足要求，即。這里初設(shè)蓄能器 D 的初始體積==15L。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 的初始體積應(yīng)該滿足要求，即。這里初設(shè)蓄能器 E 的初始體積==6L。若取=146mm ,則==,==900mm ：若取=80mm ,則==,==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≤；內(nèi)孔表面輪廓算術(shù)偏差 Ra≤。(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。若用和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=，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。 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： （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：（，），（，）……（，），設(shè)線性阻尼系數(shù)為，則誤差的平方和表達(dá)為：取，則 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，…，對應(yīng)的復(fù)原阻力，…。c. 利用最小二乘法計算出相當(dāng)線性阻尼系數(shù)。d. 對比相當(dāng)線性阻尼系數(shù)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。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 = ( 20πt)作用下做往復(fù)運動，其速度為x = 8πcos ( 20πt)，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(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： 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（）； 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: 式()式中 :r ——氣體多變指數(shù)； ——理想氣體初始?xì)怏w壓強(qiáng)（Pa）； ——理想氣體初始?xì)怏w體積（）。封閉容器內(nèi)的氣體被壓縮時，氣體體積減小，壓強(qiáng)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)，～，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(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。 實際氣體的狀態(tài)方程表示實際氣體的狀態(tài)方程有很多，其獲得的方法通常是從理論上提供方程的模型，再根據(jù)實際數(shù)據(jù)擬合有關(guān)經(jīng)驗常數(shù)，如范德瓦爾斯的二常數(shù)半經(jīng)驗程、BWR(BenedicyWeb bRubin)多常數(shù)半經(jīng)驗方程和馬丁侯（MartinHou）方程等。本文采用1940年提出的BWR方程，試驗表明該方程能比較準(zhǔn)確的描述實際氣體狀態(tài)變化過程，其形式為： 式（）式中 、 a 、 b 、 c 、 α 和 γ 是經(jīng)驗常數(shù)，對于氮氣， BWR 方程中的八個常數(shù)值為： =； =； =； a=； b= ； c = ； α = ； γ = ； R ——實際氣體常數(shù)，對于氮氣 R ＝ ； T ——實際氣體絕對溫度（K）； P ——實際氣體壓強(qiáng)（Pa）； υ ——蓄能器中氣體比容（），其定義如下 υ= 式（）式中：——蓄能器中氣體質(zhì)量（kg）； V ——實際氣體體積（）。在計算實際氣體質(zhì)量時，可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程粗估氣體質(zhì)量，然后根據(jù)實際氣體狀態(tài)方程校核，最終得到實際氣體質(zhì)量。由BWR方程可以看出，氣體的狀態(tài)變化過程考慮了氣體的溫度影響，℃時，、。，實際氣體狀態(tài)變化過程會受到溫度變化的影響。 氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系 帶反壓氣室油氣彈簧數(shù)學(xué)模型為了研究油氣懸架的性能，建立描述其本質(zhì)的物理模型是理論研究最重要的基礎(chǔ)。在參照大量有關(guān)論文文獻(xiàn)資料所建立的數(shù)學(xué)物理模型的基礎(chǔ)上。 帶反壓氣室油氣彈簧缸物理模型為了能夠較為準(zhǔn)確描述油氣彈簧動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，本文在液壓流流動過程中考慮液體的可壓縮性，但是這種可壓縮性只對壓強(qiáng)的變化產(chǎn)生影響，而對流速產(chǎn)生的影響忽略不計。，油氣彈簧缸在外激勵信號作用下，桿筒和缸筒之間要產(chǎn)生相對運動，假設(shè)缸筒固定，忽略內(nèi)壁之間的庫侖摩擦力和粘性摩擦力的作用。以滿載狀態(tài)時平衡位置為原點，設(shè)油氣彈簧活塞桿筒受到正弦波位移激勵x=Asin(2πft)，式中A和f分別為激勵信號的振幅和頻率。取激勵信號向上為正方向（即復(fù)原行程位移為正），對活塞進(jìn)行受力分析，油氣彈簧活塞桿的輸出力方程為： 式()式中：F ——油氣彈簧缸輸出力（N）； ——A 腔的圓環(huán)面積（)； ——C 腔圓面積（）； ——A 腔的油液壓力（Pa）； ——C 腔的油液壓力（Pa）。取蓄能器 E 腔內(nèi)的氮氣為研究對象，根據(jù)實際氣體狀態(tài)方程，蓄能器E 腔內(nèi)氣體的壓力為:式()式中:——蓄能器E腔中氣體的絕對溫度（K）； ——蓄能器E腔中氣體比容（），計算方法如下： 式()式中:——蓄能器E腔內(nèi)氣體的質(zhì)量（kg）； ——蓄能器E腔內(nèi)氣體的體積（）。蓄能器E腔中氣體的體積確定方式為： 式()式中:——車輛滿載荷處于平衡位置時蓄能器E腔內(nèi)氣體體積（）； ——蓄能器E腔內(nèi)氣體的變化量（）。車輛行駛過程中，活塞相對于缸筒運動，A腔體積在不斷變化，油液在A、B兩腔之間通過單向閥和阻尼孔流動，從而B腔油液體積也隨之而變化。同時B腔與蓄能器E相連通，也影響著E腔中氣體體積變化，由于不考慮油液的壓縮性和液壓油管的體積變化，根據(jù)流體的連續(xù)性，E腔中氣體體積與位移激勵信號x之間的關(guān)系可表達(dá)為：