【正文】 蓄能器的油液因 A 腔容積增大而受到右蓄能器氣體壓縮進(jìn)而進(jìn)入 A腔。 圖 雙氣室懸架液壓缸的結(jié)構(gòu) 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 5 第二章 文獻(xiàn)綜述 國內(nèi)外 對于油氣懸架的研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外學(xué)者在對油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的過程中，對其結(jié)構(gòu)型式及性能進(jìn)行了 大量的理論分析和試驗研究，取得了很多成果。當(dāng)前對油氣懸架的研究主要集中在2個方面 ： (1)建立新型合理的油氣懸架的數(shù)學(xué)模型。 目前建立數(shù)學(xué)模型的方式可以分為參數(shù)化和非參數(shù)化。上世紀(jì) 90 年代開始， Kwangjin Lee和 Concordia大學(xué)的研究人員先后建立了單筒單氣室油氣懸架缸的參數(shù)化計算模型和油氣懸架缸的非線性模型，采用基于能量的頻率相關(guān)等效線性化技術(shù)，建立了油氣懸架缸的等效線性參數(shù)化模型，利用參數(shù)化分析技術(shù)確定了影響油氣懸架系統(tǒng)性能的主要因素，并通過參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計來改進(jìn)系統(tǒng)的性能。 （ 2)新型結(jié)構(gòu)形式的油氣懸架的開發(fā)和主動控制策略的研究。利用油氣懸架的阻 尼相對剛度易調(diào)的優(yōu)勢，調(diào)節(jié)阻尼實現(xiàn)懸架的半主動控制和主動控制。主動懸架則需要另加動力元件如液壓油泵等，油液通過伺服閥再進(jìn)入液壓缸，實時控制懸架輸出力。但是基于這些控制策略而設(shè)計的主動懸架，普遍成本高、可靠性差，目前僅用于高檔轎車、賽車及重要的載重車輛上。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究人員從 20世紀(jì) 80年代開始對油氣 懸架進(jìn)行關(guān)注。 20世紀(jì) 90年代我國一些企業(yè)引進(jìn)了具有油氣懸架系統(tǒng)的工程車輛，此后形成了油氣懸架技術(shù)研究的高潮，國內(nèi)一些高校亦開始研究油氣懸架技術(shù)。國內(nèi)基于油氣懸架的研究主要集中在以下幾個方面： (1)油氣懸架的剛度及阻尼特性的仿真研究。主要的軟件工具是 MATLAB中的 SIMULINK模塊，如設(shè)計平衡懸架來達(dá)到整車剛度可變，實現(xiàn)改善車身傾側(cè)性能。 (2)特定車型 (多為引進(jìn) )的油氣懸架系統(tǒng)的仿真及特性分析。國內(nèi)部分高校也開始采用 ADAMS軟件建立參數(shù)化油氣懸架機(jī)械模型，并將液壓系 統(tǒng)納入模型，通過有限元分析軟件建立油氣懸架的柔性力學(xué)模型和振動模型，進(jìn)行了一些靜力學(xué)和動力學(xué)分析，同時對懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計，但應(yīng)用較少，還處于研究階段。 該項研究目前多集中于科研院所。采用了主、副 2個儲氣室，副儲氣室的預(yù)充氣壓力高于主儲氣室且高于靜平衡位置時的油氣彈簧工作壓力， ECU通過傳感器采集油氣懸架工作壓力等信號，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)的判斷來確定開關(guān)閥打開與否，控制懸架的剛度隨著車身狀態(tài)而相應(yīng)改變，控制懸架輸出力。產(chǎn)品性能如可靠性、可操作性 、行駛平順性等和國外同類型產(chǎn)品相比，還存在較大的差距。 工程車輛油氣懸架系統(tǒng)的研究趨勢 油氣懸架系統(tǒng)是以液壓傳動 、 控制技術(shù)和電子技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合系統(tǒng) ， 油氣懸架元件 、結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的進(jìn)一步研究應(yīng)用是推進(jìn)油氣懸架基礎(chǔ)研究的關(guān)鍵 ， 是實現(xiàn)主動 、 半主動油氣懸架控制的基礎(chǔ) 。 因此 ， 建立符合懸架系統(tǒng)實際工況 ， 便于分析 、 計算的數(shù)學(xué)模型一直是油氣懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容 。 Moulton ， 建立了互聯(lián)式油氣懸架系統(tǒng)的 4自由度物理模型 ， 并進(jìn)行油氣懸架系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性分析 ， 通過仿真證明互聯(lián)式油氣懸架系統(tǒng)可以提高車輛的抗側(cè)傾能力 ， 改善懸架的阻尼特性 。 Konenrad根據(jù)獨(dú)立式油氣懸架缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ， 提出首先利用有關(guān)物理定律建立油氣懸架缸初始模型 ， 然后通過試驗數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行識別研究 ， 進(jìn)而建立油氣懸架缸參數(shù)化數(shù)學(xué)模型 。 武漢水運(yùn)工程學(xué)院陶又同教授較早提出利用示功圖辨識油氣懸架系統(tǒng)模型 。 2020,年上海交通大學(xué)孫濤等對油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了非線性模型的建立 ， 以此為基礎(chǔ)對非線性懸架系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究 。 油氣懸架在路面不平度激勵下的響應(yīng)及其振動求解問題研究是一個熱點 。 曹樹平利用非線性隨機(jī)振動理論對所研究的非線性油氣彈簧模型進(jìn)行了統(tǒng)計線性化分析 ， 得到了統(tǒng)計意義下的 線性化數(shù)學(xué)模型以及等效線性化剛度系數(shù)和線性化阻尼系數(shù)的計算公式 。 這是一種比較理想的調(diào)節(jié)方式 ， 靈活性大 ， 但實現(xiàn)困難 。 根據(jù)路面隨機(jī)激勵的統(tǒng)計特性來調(diào)節(jié)懸架的阻尼 ， 則越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 8 可以減少系統(tǒng)對執(zhí)行元件的頻響要求 ， 這種調(diào)節(jié)方式分為有級調(diào)節(jié)和無級調(diào)節(jié)兩種方式 。 新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的試驗及應(yīng)用研究 國內(nèi)外研究者在對油氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用的同時 ， 對其性能進(jìn)行了大量的理論分析和試驗研究 ， 并取得了很大的進(jìn)展 ， 一些研究成果已經(jīng)在工程實際中得到 了應(yīng)用 。 日本岡野克彥提出一種高度調(diào)節(jié)技術(shù) ， 應(yīng)用于日本加滕 KATO 200t 6軸汽車起重機(jī)上 。 對多軸車輛懸架系統(tǒng)來說 ， 一個重要任務(wù)就是要保證車輛在不平路面上行駛時 ， 所有的車輪同時接觸地面 ， 不允許出現(xiàn)車輪懸空現(xiàn)象或者各車輪間的垂直載荷分配發(fā)生大的改變 。 在 KATO 200t 6軸汽車起重機(jī)中 ， 將 1/2軸 ， 4軸 ， 6軸的油氣懸架缸分為 3組 ，每組中縱向相鄰的 2個油氣懸架缸的氣室連通 ， 并可以通過一個開關(guān)閥的控制與另一側(cè) 2個油氣懸架缸的氣室連通 ， 還可以通過檢測各油氣懸架缸的壓力來控制各油氣懸架缸的運(yùn)動 ， 從而達(dá)到平衡負(fù)載的效果 。 本課題主要研究內(nèi)容和目標(biāo) 懸架系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分，在設(shè)計、使用時有著非常重要的作用。承受并緩和車輛必要的離地間隙等功能。根據(jù)路面變化，自動調(diào)整車身 :根據(jù)不同需要升高或降低車架高度，以增強(qiáng)車輛的通過能力和行駛性能，液壓控制系統(tǒng)的負(fù)載剛性大，精度高 。且由于使用不可壓縮的油液，故其響應(yīng)的靈敏度較高等優(yōu)點。 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計主要內(nèi)容包括：越野車油氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式與原理的選擇；油氣懸架系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)，動力學(xué)，液壓系統(tǒng)的分析計算；越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計。 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 9 第三章 油氣懸架的特點、應(yīng)用及主要技術(shù)性能 油氣懸架的特點 油氣懸架的優(yōu)點 (1)油氣懸架以油液傳遞壓力，以惰性氣體 (通常為氮?dú)?)作為彈性介質(zhì)，懸架缸內(nèi)部的節(jié)流孔、單向閥等代替了通常的減振器元件，使油氣懸架集彈性元件和減振器功能于一體，徑向尺寸小，對整車的布置有利。 (3)安裝油氣懸架的車輛可得到較低的固有振動頻 率，從而改善駕駛員的勞動條件和提高平均車速。 ??(5)裝有油氣懸架系統(tǒng)的車輛便于實現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)。 油氣懸架的缺點 ??(1)油、氣的密封性能要求高，因而加工、裝配要 求高。 油氣懸架的應(yīng)用 由于油氣懸架的以上優(yōu)點，國外的汽車大公司、研究單位都非常重視油氣懸架的開發(fā)和研究。目前，國外在重型汽車、自卸車、起重車上采用油氣懸架已相當(dāng)普遍，甚至在轎車上已逐漸采用油氣懸架。 （ 2） 全地面起重機(jī) 德國利勃海爾公司生產(chǎn)的 LTM系列起重機(jī)、美國格魯夫公司生產(chǎn)的 GMK系列起重機(jī)、日本鋼鐵株式會社生產(chǎn)的 RK系列起重機(jī)、徐州重型機(jī)械廠生產(chǎn)的 QAY25起重機(jī)。 （ 4） 輪式挖掘機(jī) 日本日立建筑機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 10噸輪式挖掘機(jī)。 （ 6）其他車輛 越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計 11 第四章 油氣懸架系統(tǒng)設(shè)計 油氣懸架系統(tǒng)原理圖 圖 油氣懸架系統(tǒng)原理圖 上圖 。若在懸架油缸的小腔與蓄能器之間增加氣控閥，則可使懸架油缸的剛性鎖定更加可靠，同時控制單元一、二中的氣控閥亦可用相同功能的電磁閥替換。通過電氣控制還可使底盤停駛特別是長時間停駛時油氣懸架處于剛性閉鎖狀態(tài)，這將大大提高懸架機(jī)構(gòu)的壽命。 （ 2）彈性承載：當(dāng)電磁閥 Y1 至 Y12 、 Y15 與 Y16 均失電處于彈簧作用腔而截止， Y 1 3 得電，控制單元一、二中的氣控閥接通時，一側(cè)懸架油缸的大、小油腔分別與另一側(cè)懸架油缸的小、大油腔互相溝通，且與相應(yīng)的蓄能器相相連，懸架油缸可自由伸縮并壓縮蓄能器內(nèi)氮?dú)?，起到緩沖和吸收振動能量的作用，整個懸架機(jī)構(gòu)既處于剛性狀態(tài)。若將此連接用于車輛的前后軸上，則可車輛獲得良好的抗點頭性能。若同時接通 Y 2 、 Y 6 、 Y 1 0 （或 Y Y Y9），則可實現(xiàn)該側(cè)車架的升高（或降低） 。故此功能可大大提高車輛的通過性能參數(shù)，如接近角、離去角及最小離地間隙等，同時也可以滿足車輛在特殊路面上的側(cè)傾要求。 （ 4）軸荷平衡：當(dāng)懸架處于彈性承載狀態(tài)時，電磁閥 Y 1 4 得電，通過控制單元二中氣控閥的接通，一二軸與三四軸的懸架油缸油路在節(jié)流作用下接通，其內(nèi)部的壓力得到平衡，因此一、二、三、四軸的軸荷也相應(yīng)地得到平衡，此功能應(yīng)用在多軸車輛的軸荷平衡上比采用機(jī)械平衡的板簧懸架具有明顯的優(yōu)勢。當(dāng)電磁閥 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。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。油液作為中間介質(zhì)，起傳遞作用力和衰減震動的作用。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。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。本文主要針對帶有反壓氣室的油氣彈簧進(jìn)行研究。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。 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。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?dú)庖驂嚎s而壓力增大。 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?dú)庖虮粔嚎s而壓力增大。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(bǔ)償。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。 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 。 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 。 若取 D =146mm ,則 DA = 42DD? = 2m , DOH =DDOAV =900mm ： 若取 ED =80mm ,則 EA = 42ED? = 2m , EOH =DEOAV =1195mm 。 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(yùn)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。 (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。 (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(yùn)轉(zhuǎn)。 (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。 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。 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。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。 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。 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。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。 (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。臺架試驗中，采用最小二乘法求實際的線性阻尼系數(shù) C。 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 ， 2