（机械电子工程专业论文）油气弹簧及其悬架系统的特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = ；目= = ；= = = = = = = = = = = = ；= ；。= = = = ；= = # 摘要 ， l 悬架与汽车的多种使用性能有关，悬架系统动力学是汽车动力学的主要研究内容 、 之一，它主要研究汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，通常用车身加速度、悬架动行程 和车轮相对动载荷三个指标来衡量i 体论文针对油气弹簧非线性特性和油气悬架的垂 向振动性能进行了理论分析和试验研究，对整车油气悬架动力学性能进行了仿真探 讨。 i 油气弹簧是油气悬架的关键元件，也是汽车悬架系统中比较复杂而叉新颖的元件 之一。烽文针对重型越野车单气室油气弹簧，建立了油气弹簧的振动模型，推导出了 ， 反映其非线性特点的弹性特性、刚度特性和阻尼特性的数学模型。 论文还以重型越野车的两种不同形式的单气室油气弹簧为对象，在分析了其内部 结构、阻尼孔形状及悬架工作状态的基础上，综合考虑油气弹簧的各种非线性因素， 分别建立了这两种油气弹簧的静特性和动特性模型，并进行了性能对比试验研究，为 油气弹簧的装车试验及其悬架系统的研究提供了元件级的数据资料。 论文针对w s 2 4 0 0 重型越野车半主动油气悬架系统的研究项目，建立了一套在试 验室条件下半实物半仿真的两自由度悬架系统试验模型，进行了相应的试验研究。匪 此基础上讨论了七自由度油气悬架系统垂向振动模型，推导了表征系统动力学性能的 数学表达式，设计了整车悬架的仿真软件， 油气悬架性能要明显优于被动悬架的结论。 作了悬架动力学仿真研究，得出了半主动 、 l 叶 j 关键词：重型越野车油气弹簧：悬架系统：动力学特性 性能试验t k 仿真研袭 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l es u s p e n s i o nh a ss t r o n gr e l a t i o n sw i t hv e h i c l ep e r f o r m a n c e s u s p e n s i o ns y s t e m d y n a m i c s ，o n eo ft h em a j o rr e s e a r c hs u b j e c t s o fv e h i c l ed y n a m i c ，i n c l u d i n gt h e b o d y a c c e l e r a t i o n ，t h ed y n a m i cb e h a v i o r so fs u s p e n s i o na n dt h ew h e e lr e l a t i v ed y n a m i cl o a d ， m a i n l yc o n c e r n sr i d ec o m f o r ta n ds a f e t ya n dd r i v es t a b i l i t y t h ed i s s e r t a t i o na r em a i n l y f o c u s e do nt h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fh y d r o - - p n e u m a t i c s p r i n g a n dt h ev e r t i c a l o s c i l l a t i o n p e r f o r m a n c e o f h y d r o p n e u m a t i cs u s p e n s i o n s b a s e do nt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a n dg i v e sa ns t e pi n t os i m u l a t i o no nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h eh y d r o - p n e u m a t i cs u s p e n s i o nf o rah e a v y - d u t yo f f - r o a dv e h i c l e ， h y d r o - p n e u m a t i cs p r i n gi sap i v o t a lc o m p o n e n t i nh y a l t o - p n e u m a t i cs u s p e n s i o n ，a l s o i sac o m p l i c a t e da n dn e w s u s p e n s i o nc o m p o n e n t t h i sp a p e rp r e s e n t sao s c i l l a t i o nm o d e l f o ras p e c i a l l yd e s i g n e dh y d r o - p n e u m a t i cs p r i n gt h a th a sas i n g l e g a sc h a m b e r t h e nb u i l d an o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e l t h em o d e lf o r m u l a t e st h es t i f f n e s s ，t h e e l a s t i c i t y a n d d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h ep a p e rd i s c u s s e st w ok i n d so fh y d r o - p n e u m a t i cs p r i n g ，d e s i g n e d s p e c i a l l yf o r h e a v y - d u t yo f f - r o a dv e h i c l e b ya n a l y s i s o f s p r i n g s i n t e r n a ls t r u c t u r e ，t h e s h a p e o f d a m p i n g h o l ea n d w o r k i n g s t a m so f s u s p e n s i o n ，t h es t a t i cm o d e la n d t h ed y n a m i cm o d e lo f t h e s p r i n g sc h a r a c t e r i s t i c s a r eg i v e no na c c o u j l to f s p r i n g sn o n l i n e a rf a c t o r s p e r f o r m a n c e a r ec o m p a r e db e t w e e nt h eh y d r o p n e u m a t i cs p r i n gw i t hi s o l a t e da n dt h eh y d r o - p n e u m a t i c s p r i n gw i t hc o m m i n g l e d ，t h e r e s u l tc a ng u i d et oc h o o s e p r o p e rh y d r o - p n e u m a t i c a i m i n g a tt h er e b u i l d i n gs u s p e n s i o no fw s 2 4 0 0 h e a v y - d u t y o f f - r o a dv e h i c l e ，at e s t i n g a n ds i m u l a t i n gr i gi ss e tu pa n das e r i e so f i n v e s t i g a t i o n sa r ea c c o m p l i s h e di nl a b o r a t o r y t h e ns e v e n - d e g r e eo f f r e e d o mv e r t i c a lo s c i l l a t i o nm o d e l o f h y d r o - p n e u m a t i c i se s t a b l i s h e d b yc a l c u l a t i n g m a t h e m a t i c si nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei s d e s i g n e d f i n a l l y , s o m e o f f - r o a dv e h i c l ei ss i m u l a t e d t e s t ，t h e r e s u l ts h o w s h y d r o - p n e u m a t i cs u s p e n s i o n h a sab e r e r p e r f o r m a n c e t h a n p a s s i v es u s p e n s i o n k e y w o r d s ： h e a v y d u t yo f f - r o a dv e h i c l e h y d r o p n e u m a t i cs p r i n gs u s p e n s i o ns y s t e m d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c et e s ts i m u l a t i o ns t u d y 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 悬架是汽车的重要总成之一，它把车架与车身弹性的连接起来。其主要功能是传 递作用在车轮与车架之间的一切力和力矩，并缓冲由不平路面传给车架的冲击载荷， 衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车平顺的行驶。所以悬架在汽车行驶过程 中肩负着两个相互矛盾的要求。一是支撑车身重量并随路面运动。这就要求悬架是具 有高阻尼系数的一个“硬悬架”。二是隔绝随机路面不平度对汽车的扰动。显然，这点 又要求悬架是具有低阻尼系数的“软悬架”1 。如何协调这两个相互的矛盾，获得最佳 效果已成为悬架设计中的关键问题，也是评价悬架系统优劣的重要指标。采用半主动 控制的油气悬架系统是解决这一矛盾的有效方案。 车辆悬架的结构形式很多，分类方法也不尽相同。按控制力学的角度可以分为被 动悬架和主动悬架两大类。而主动悬架又可以分为全主动悬架和半主动悬架等两种。 图1 1 为各种悬架力学模型简图4 1 。 虚拟惯性阻尼器速度传感器虚拟惯性阻尼器速度传感器 图1 i 汽车悬架力学模型简图 1 1 1 被动悬架 传统的车辆悬架即被动悬架。至今，被动悬架已有1 0 0 多年的历史。被动悬架由 参数固定的弹簧和阻尼器构成的，如图1 1 ( a ) 所示，其中弹簧主要用来支撑簧上质量的 静载荷，而阻尼器主要用来消耗系统的能量而起到减振的作用。这种悬架系统的弹簧 华中科技大学硕士学位论文 = = = 一= = ；= = ；= = = = = = = ；= ；= = = = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = = = ；= = = ；= = = 刚度和阻尼系数是按经验设计或优化方法选择的，一经选定后，在车辆行驶过程中就 无法进行调节，因此其减振性能的进一步提高受到限制。、。 1 1 2 主动悬架 由于被动悬架系统弹簧刚度和阻尼系数不可控的缺陷，从而限制了汽车综合性能 的进一步提高。客观上，路面情况千变万化，车速也在一定范围内变化，为了对汽车 的动力学性能进行控制，于是形成了可控悬架的想法。2 0 世纪5 0 年代国外出现了主动 悬架概念，顾名思义，主动悬架就是悬架有主动控制的作用，即根据车辆的运动状态 和路面状况主动作出反应，以抑制车体的运动，使悬架始终处于最优减振状态。所以 主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变化而进行动态的自适应调 节，这也是主动悬架的基本特点“。主动悬架由弹性元件和个力发生器组成，如图 1l 伯) 所示。其中力发生器根据车身的速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律产生 力。它的作用在于改进系统能源的消耗和供给系统以能量。这种装置所要求的控制目 标是要实现一个最佳的隔振系统而又不需对系统做较大的改变。当力发生器能产生一 个正比于簧上质量的绝对振动速度负值的主动力时，则此力发生器相当于联系簧上质 量与惯性空间的一个被动阻尼器( 如图虚线所以) 。对于地面车辆而言，这个惯性空间是 不存在的，所以称此阻尼器为虚拟惯性阻尼器。 1 1 3 半主动悬架 半主动悬架要求阻尼按行驶状态的动力学要求进行调节，并在几毫秒之内由最小 变到最大，由于阻尼变化响应快，很象一个全主动系统，因此称之为半主动悬架”1 。 在半主动悬架中，力发生器被一个阻尼系数能在较大范围内调节的可调阻尼器代替， 如图1 1 ( c ) 所示。半主动悬架中的可调阻尼器在其力的产生方面非常类似于被动悬架的 阻尼器，但其阻尼系数是根据簧上质量的速度响应等反馈信号，并按照一定的控制规 律而瞬态变动的，其减振效果近似于主动悬架。 在主动悬架和半主动悬架中，力发生器和可调阻尼器的力的产生能根据汽车的行 驶状态和环境条件的变化而改变，它们仅仅受限于所设计的控制规律。而在被动悬架 中，阻尼器所产生的力完全取决于簧上质量和车轮的相对速度。因而主动悬架和半主 动悬架的设计比被动悬架的设计具有更大的能动性，其性能比被动悬架要优越得多。 例如，在上述主动悬架和半主动悬架的控制方案中，所设计的控制规律是实现如图 1 1 ( b ) 、1 1 ( c ) 所示的虚拟惯性阻尼器，其簧上质量的位移x 相对于路面激励u 的幅频特 陛函数为： 2 华中科技大学硕士学位论文 蹦护焉1 而对于图2 1 a ) 所示的被动悬架，其幅频特性函数为： 蹦加孺 其中f = 赤，铲压 丑：旦为路面激励频率与悬架系统的固有频率之比。 当掌= 1 j 时，式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 可写为 l 如。( - ，国) 1 w | w ： i 一被动悬架f = 0 72 - - 半主动悬架f = 0 73 - - 主动悬架f = 0 7 图1 2 悬架的频率响应曲线 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 其特性曲线如图1 2 所示。从图上可以看出，半主动悬架频响曲线和主动悬架频响 岳辱焉器 ， ) ( 1 “ ( j u 0 f 华中科技大学硕士学位论文 曲线十分接近，比被动悬架要优良得多，具有良好的悬架性能。 1 2 油气弹簧及悬架系统的研究与应用情况 油气弹簧是一种以气体为弹性介质，油液为中间介质的弹性元件。由于气体弹簧 的弹性特性为非线性的，所以油气弹簧有良好的非线性特性。油气弹簧的弹性特性如 图1 3 所示。采用非线性油气弹簧的悬架系统， 车轮正向行程小则刚性较小，正向行程大则刚性较 大。因此使车辆在良好路面行驶时具有较好的平顺 性，在崎岖不平路面行驶时能吸收较多的冲击能 量，并能防止在大起伏路面行驶时出现悬架被击穿 的现象o “。在汽车、坦克、工程机械的悬挂装置 和飞机的起落架上得到了广泛应用“。最初仅应 k ( x ) 。 l l 图1 f 3 油气弹簧弹性特性曲线 用在重型矿用自卸车上，后来油气弹簧逐步应用到其它车辆上。油气弹簧在悬架系统 中，它同时起着弹性元件和阻尼元件的作用。2 0 世纪5 0 年代后期，美国的w a b c o 车首先采用油气弹簧悬架，以后许多国家也相继仿行。如苏联的别拉斯和s s u - 2 0 移动 式导弹发射车、意大利的$ 3 0 ，我国的s h 3 8 0 、s h 3 8 2 等重型矿用自卸车，日本k a t o 的2 0 0 吨6 轴汽车吊以及德国的b e n z 4 5 0 e l 6 9 、法国的c i g o n g s 、c x 系列等高级小 轿车，均采用了油气弹簧悬架；2 0 世纪7 0 年代，美苏的某些坦克( 如美国的a a v 7 a l 两栖装甲战车) 上也采用了油气悬架，以提高战场上车辆的行驶平顺性和机动速度， 使之能迅速停车进行射击。特别是在一些特种车辆上，如防护要求较高的仪表车和救 护车及航天、国防使用的卫星运输车、导弹运输车等，油气弹簧悬架的应用更为广泛” 2 8 】 a 在国内，使用油气悬架的车辆除上海、湘潭、本溪生产的工矿自卸车外，主要集 中在军工方面，如：所研制的固定型号移动式导弹发射车，采用筒式油气混合式 油气弹簧，无车高调整功能，采用了简易的负荷平衡措施，即将车辆两侧的油气弹簧 的气体腔连通起来；十五所研制的固体型号移动式导弹发射车和液体型号导弹转场运 输车分别采用了筒式油气混合式弹簧结构和简式油气隔离式弹簧结构，但无车高调节 功能：重庆2 5 6 厂研制的自行榴弹炮车采用了油气隔离式油气弹簧，带有静态车高调 整功能，主要用于调整车辆的发射姿态4 。 理论研究总是走在应用的前面，油气弹簧也不例外。国内外对油气弹簧的研究很 多，其基本的理论也已经成熟，但在具体的结构、阻尼调节、有关参数的选取以及工 艺上各厂家差别较大，缺乏彼此性能的比较工作，因而在规范化设计方面还有很多工 4 华中科技大学硕士学位论文 作要做。油气弹簧平顺性好，承载能力大，本身质量小，在重型矿用车上用的多。 但由于动密封问题难以解决，易漏油和密封件寿命低是其突出的缺点。油气弹簧的工 作特点是频率较高、频带宽、工作频繁、冲击大，因此动密封的问题比一般的液压元 件更难解决。一般来说，缺乏可靠的密封是限制油气弹簧进一步推广使用的主要原因 之。解决油气弹簧的动密封问题是几十年来国内外致力研究的关键技术问题。 油气弹簧的密封包括对气体和油液的密封，与普通液压缸相比，有其特殊之处， 除基础的密封作用之外，还要充分考虑油液的润滑，延长密封圈的寿命。多年来，油 气弹簧密封圈结构形式和材料一直是密封专业研究的主要对象之一，发展至今已经产 生三代密封圈。第一代是以0 型橡胶圈为代表的简单的密封结构，这种结构的密封圈 的最大缺点是磨擦系数大，不耐磨，在跑车试验中绝大多数有漏油现象。第二代是以 y 型橡胶圈为代表的一系列u 型和v 型橡胶圈，它们依然作为动密封用，是单向密封， 缺口朝着高压方向，压力越高，缺口越张开，密封越紧，有自封作用。这种结构密封 圈的缺点依然是磨擦系数大，不耐磨。近年来国际上出现的第三代密封为组合密封， 如斯特封、a q 封等。其密封材料为填充聚四氟乙烯，即主体为聚四氟乙烯，里面填有 玻璃纤维、铜粉、石墨、二硫化铝等；密封圈的几何形状是阶梯型，它可以达到零泄 漏，密封圈下有两个带预压缩量的o 型橡胶圈作为弹性体，用以补偿预封圈的磨损。 这种密封具有良好的自润滑性、防爬性和耐腐蚀性，且磨擦系数低、使用温度宽( 5 0 + 2 0 0 。c ) 。在密封的布置形式上，有的采用两道斯特封，有的采用两道斯特封外 加套a q 封，后者对气体的密封效果更好“。组合密封技术的出现，较好地解决了 油气弹簧的动密封问题，也促进了油气悬架 研制的进程。 采用油气弹簧作为弹性元件的气悬架 系统，其弹性特性可用悬架变形f ( 在轮轴上 方测得的值) 与其所受载荷f 之间的关系曲 线描述。当悬架变形与所受载荷成固定的比 例起增长时，弹性特性可用一根直线表 示，即线性刚度。线性悬架的汽车，在使用 中由于装载的多少会使簧载质量不同，如刚 度保持不变，则会使振动频率发生变化，这 一变化显著时将会使汽车平顺性变坏，所以 为了改善这种情况，应该采用刚度可变的非 线性悬架。非线性油气悬架的弹性特性曲线 如图1 4 所示。它的特点是在静载荷p 附近 图1 4 可变的悬架弹性特性 1 - 满载工况2 半载工况3 空载工况 华中科技大学硕士学位论文 刚度小，而在离静载荷远的两端刚度大。在曲线上表现为相应于静载的盯点附近曲线 平缓，两端陡峭。非线性特性曲线上各点的静挠度由该点的次切距来确定。例如c t 点 附近的静挠度为f ，而不是a 点到原点a 的水平距离。此静挠度值应根据行驶平顺性 的偏频值来确定，在静挠度附近的悬架刚度变化小，因而使汽车在一般道路条件下行 驶有低刚度的悬架性能，保证良好的行驶平顺性；而在曲线两端，刚度急剧增大，这 样可在同样有限的动挠度疋范围内，得到比线性悬架更多的动容量。非线性悬架更多 的动容量系指悬架从静载荷的位置变形到结构允许的最大变形所消耗的功。悬架的动 容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。如采用线性悬架，为得到同样的动容量，必 然要增大动挠度，则车身的高度变化大，汽车质心提高，从而导致行驶稳定性变差的 后果 1 0 】。动挠度大，还会使车轮垂直位移增大，车轮上动载变化大，接地性差，所以 采用增大曲线两端初刚度是十分必要的。一般设计最大动挠度所对应的容许载荷选在 ( 3 4 ) 倍静载荷处( 即曲线上b 点相应的载荷) ，而在静挠度处，及疋+ 0 6 ：，的范围内的 悬架刚度变化，对轿车而言不超过2 0 或接近常数“”3 。 采用非线性悬架，对于载荷变化大的车辆，其必要性是很明显的。例如解放牌汽 车在满载时，后悬架的载荷约为空车时的四倍多，假如用线性悬架，刚度不变，则满 载与空载时的车身振动频率分别为1 6 与3 2 h z 。空车的振动频率显得过高，因而其平 顺性差，如果采用变刚度非线性悬架，使空车时的刚度比满载时小，就会降低空车的 振动频率而改善行驶平顺性”“。 就轿车而言，虽然载荷变化比货车小得多，也需要上述那样的变刚度悬架。因为 若为满足平顺性而采用静挠度较大的线性悬架，则在转弯和制动时会发生侧倾或纵倾 较大的现象，这对乘座舒适性和行驶稳定性都是不利的，所以汽车采用变刚度非线性 悬架的日益增多。 典型的非线性悬架包括以下三种型式：主簧和副簧都是钢板弹簧的分段线性悬架。 这种悬架结构中，当汽车空载或实际装载质量不大时，副簧不承受载荷而由主簧单独 工作。在重载或满载情况下，主、副簧共同参加工作，一起承受载荷而使悬架刚度增 大，以保证车身振动频率不致因载荷增大而变化过大；第二种是主簧为钢板弹簧，副 簧是橡胶弹簧的一段为线性，一段为非线性的悬架。这种悬架结构中，当汽车空载或 实际装载质量不大时，副簧也不承受载荷而由主簧单独工作。在重载或满载情况下， 主、副簧共同参加工作，这时的悬架特性为非线性的；第三种是悬架弹簧为空气弹簧 6 华中科技大学硕士学位论文 或者油气弹簧“。上述非线性悬架尚不能保证装载量不同时，振动频率和车身离度均 保持不变。要做到这点，就需要在悬架系统中设置自动调节车身高度的装置。在这种 悬架系统中，通过车身高度调节，做到载荷增减时，静挠度保持不变，车身高度保持 不变。这就意味着，对应一个静载荷就有一条弹性曲线。这样，悬架弹性特性曲线就 应如图所示那样由一束曲线组成。在此图上画出了有代表的三根曲线：曲线1 、2 和3 分别表示静载荷值为满载f c 、半载f k 和空载f o 的情况。由于有一束曲线，在不同的 静载荷时所对应的静挠度可以不变，但曲线上的盯、a 和a ”点的斜率是不同的，它表 示这几点的刚度是不同的。这样的弹性才是比较合乎理想的。在各类悬架中，装有车 身高度调节装置的空气悬架或油气悬架，比较容易获得上述的特性曲线”。 油气悬架的关键技术研究主要体现在以下几个方面： 1 平衡悬架技术研究 对多轴车辆悬架系统来说，一个重要任务就是要保证当车辆在不平路面上行驶时， 所有的车轮同时接触地面，不允许出现车轮悬空现象或者各车轮间的垂直载荷分配发 生大的改变。目前的解决方法有两种，一是全部车轮采用独立悬架，但这将使结构变 得复杂，对全轮驱动、转向的多轴越野车辆尤其如此；二是采用平衡悬架，即将两个 车桥装在平衡杆两端，而将平衡杆中部与车架作铰链连接。 油气平衡悬架系统这是为适应这一需要产生的。当采用油气弹簧做弹性元件时， 不需要一套平衡杼系，而是使用管路连接的方法，来形成平衡系统，它同样能保证各 油气弹簧的支点力均匀，使每根轴的承载质量基本相同，从而达到平衡悬架的效果。 具有结构简单、质量轻、缓冲行程大、轮胎接地性好的特点。“。 油气弹簧平衡悬架可选左右油气弹簧连通、同侧油气弹簧连通以及油气弹簧分组 连通等多种方式。按照连通的介质，有气室连通和油室连通两种。不同的管路连接方。 式，会有不同的刚度特性，从而行驶的平顺性和横向稳定性会有所不同。在具体采用 的平衡措施方面，也有多种不同的方法。国内安兰存、王保业研制的新型油气混合式 油气弹簧多轴平衡悬挂系统，将每一侧的油气弹簧的气室串连起来，利用帕斯卡原理 使同一侧的油气弹簧承载值保持致。这种方法对于车身较长，抗横向摇摆能力要求 高而纵向刚度要求低底导弹发射车是一种简易、有效底方法。因为两侧的气室串连起 来以后，其纵向的刚度相当于四个油气弹簧并联后的总刚度( 增加了) ，而其横向刚度相 当于四个油气弹簧串连后的总刚度( 减小了) ，因而能够起到平衡载荷的作用【3 1 。 在国外应用中，k a t o 的2 0 0 吨6 轴汽车吊车中，将l 、2 轴，3 、4 轴，5 、6 轴 7 华中科技大学硕士学位论文 的油气弹簧分为三组，每组中纵向相邻的两个油气弹簧的气室连通，并可以通过一个 开关阀的控制与另一侧的两个油气弹簧的气室连通。还可以通过检测各油气弹簧的压 力来控制各油气弹簧的运动，从而达到平衡负载的效果。 1 高度调节技术 能进行车辆高度调节是油气弹簧悬架的一大优点。一方面它能保证汽车高度基本 不随载荷的变化而变化，使车身高度能够进行调整，并保持一定的位置，从而改善汽 车的行驶稳定性。另一方面，保持气室容积为定值，可以保证在不同载荷下可以有大 致相同的振动频率，从而改善了汽车的行驶平顺性。另外，通过对车身的高度调节还 可以改善车辆的通过性”。油气悬架系统可以通过油压调节和气压调节来进行高度控 制。由于油气弹簧的刚度k 和振动频率都与油气弹簧气柱折算高度h 有关，当气体压 力不变时，气柱高度的增大使弹簧刚度变小而系统振动频率也发生变换，这样为保持 汽车行驶的平顺性和稳定性，当进行气压调节时，必须还要进行其它的调节来纠正气 柱高度变化而引起的偏差。但是当采用油压调节时，基本上能保持调节前后系统偏频 和刚度基本保持不变，从而使调节过程简化。 根据公开的有关资料来看，由于高度调节机构相当复杂，国内装备油气弹簧的车 型中，只有某厂研制的支持榴弹炮油气悬架带有静态车高调整功能，主要用于停车调 熬车辆的发射姿态，通过电磁换向阀来控制向油气弹簧悬架系统不同油缸的充放油， 使车身产生前俯、后仰、左倾和右倾的姿态，从而达到车身高度调节的目的。由于这 种静态调节是在停车状态下进行的，因而其油源可以与转向系统的油源共用，不需要 增加系统动力源的功率。 在国外的研究应用中，以日本的冈野克彦为代表“划，提出了一种基于油气弹簧 的高度调节技术，并成功的应用日本k a t 0 2 0 0 吨6 轴汽车吊车上，该车不仅能手动设 。 定车身的高度，而且在设定一定高度后，系统能检测车身的高度变化并自动维持在设 定的高度上。它实际上是一套机液伺服系统，由于它在车辆行驶的过程中始终工作， 而伺服系统效率较低，过滤精度要求高，因而它要求采用独立的油源，这样就需要增 加系统动力源的功率，这是它的不足之处0 5 “。美国通用汽车公司的“凯迪拉克”高 级轿车所用的高度调节机构，主要也是用于静态载荷不均匀时的水平调节( l c r 系统) ， 其所谓的主动悬架系统是由变刚度的气体弹簧以及具有三级阻尼的减震器组成。美国 的a a v t a i 两栖装甲战车可以通过手动控制电磁阀来调整车高，法国雪铁龙的小卧车 也采用了车身高度调节技术。”。 3 控制策略的研究 华中科技大学硕士学位论文 在半主动悬架的实现方法上，由于悬架刚度的改变十分困难，在应用中大部分半 主动悬架都仅讨论对阻尼的控制。通常悬架阻尼的控制采用两种方式： 一是根据整个车辆的运动状态来进行调节，即阻尼实时可调。这是一种比较理想 的调节方式，有很大的灵活性，但很难实现。首先在理论上，非线性的随机控制现在 还是一个有待解决的难题，一般很难找出最优控制规律；其次是这种系统要求阻尼变 化的响应快( 一般在2 0 h z 以上) ，因此采用状态控制器时需要用现状观测器、高速计算 机和高频响的执行元件，价格昂贵，且较难实现，无商业应用价值。 二是根据路面随机激励的统计特性来调节悬架的阻尼。这种调节方式又可分为有 级调节和无级调节两种，这种控制方式通常以车身振动加速度的均方根值作为控制目 标参数，以悬架减振器为控制对象，它不考虑每个瞬间的阻尼调节，仅关心在每个有 限的时间间隔内使悬架阻尼为最优，这是统计意义上的最优控制。尽管它不如状态控 制那样精确和及时，但这种控制比较简单，对执行元件的要求低，便于在车辆上实现。 半主动悬架未能推广应用的原因一是缺乏真正可靠而廉价的阻尼器，二是对阻尼 的控制上还存在许多困难，因此控制算法也就显得特别重要”“。 多年来，国内外汽车界的专家和学者对油气悬架半主动悬架进行了大量的研究， m a r g o l i s 提出了开关控制，是一种简单的分级控制；章一铭等提出了最优控制，这 是一个统计意义上的最优，控制律离线得出；m o r a n 和asc h e r r y 等提出了神经网络 控制和模糊控制：方敏等提出了自适应l q g 控制“、“”1 。这些控制策略对油气悬架悬 架的性能均有不同程度的改善，特别是最优预见控制和模糊控制。 4 油气悬架系统的动力学特性研究 油气悬架是典型的非线性悬架，为实现对油气悬架的有效控制，必须摸清其振动 规律。理论分析是非线性振动研究最基本的方式，它的根本任务就是从理论上解释系 统振动的基本规律及特性。振动理论的主要数学工具是微分方程，而非线性微分方程 目前尚无通用的精确解析求解方法。因此，对各类非线性系统建立相应的近似分析方 法成为非线性振动理论分析的首要任务“。 工程上往往略去系统的非线性因素，直接把非线性系统的随机振动当作线性问题。但 是，如果非线性因素明显的改变了系统的工作特性，特别是系统中出现了所谓根本非 线性元件的时候，这时不考虑非线性元素的影响，将导致错误的结论。到目前为止， 只有很少的非线性系统随机振动问题有精确解。因此，解决这类问题主要靠近似线性 化的方法。油气悬架在路面不平度激励下的响应及其振动求解问题研究是一个热点， 论文很多。褚亦清把装有油气弹簧的车体作为兼有平方和立方项两自由度非线性系统， 9 华中科技大学硕士学位论文 借助摄动理论，求得了系统对于简谐振动的周期解及频响关系；曹树平利用非线性随 机振动理论对所研究的非线性油气弹簧模型进行了统计线性化分析，得到了统计意义 下的线性化数学模型以及等效线性化刚度系数和线性化阻尼系数的计算公式；曹志华、 王安和利用拉各朗日方程建立了三维n 轴液力空气悬挂履带车辆的振动微分方程【z 6 j ； 在这些研究中，有的偏向于对油气悬架振动特性的研究，有的只是研究了单轮模型， 研究整车悬架系统的也都把其简化为线性系统，本论文在对油气弹簧非线性特性研究 的基础上，建立了整车7 自由度油气悬架垂向动力学数学模型，用非线性随机振动理 论对其进行了分析，希望在整车油气悬架动力学特性方面做一些探讨。 1 3 课题来源、研究的目的和意义 本课题源于华中科技大学机械学院和三江集团特种车辆技术中心的合作项目“重 型越野车半主动式油气悬架系统研究”。 该项目进行半主动油气悬架系统的研究，采用油气弹簧作为弹性元件的悬架系统 能够获得较为理想的弹性特性，较之于一般的线性弹性悬架系统适应路面的变化，它 有明显的优势。而高性能的越野车对悬架系统的要求除了有效隔振、提供良好的行驶 平顺性以及操纵稳定性以外，还要求提高车辆的越野通过性，即在崎岖不平的路面上 尽量提高行驶速度以充分发挥其机动灵活性；此外还要求附带高度调节功能以适应其 运输、作战的需要。油气悬架系统，特别是实行半主动控制的油气悬架系统，能较好 的符合越野车辆的这些要求。 近年来，国内外加强了对油气弹簧和半主动油气悬架的研究、开发，采用高性能 的油气悬架车辆也呈增长趋势。但由于多数此类车辆在现阶段多用于军事目的，因此 有关技术文献、标准不多。本论文在深入分析了解国内外悬架技术的基础上，对油气 悬架系统及其关键元件进行了理论分析、数学推导并进行了试验研究验证，希望能够 开发出离性能的油气悬架系统。为此，我们与中国三江航天集团特种车辆技术中心在 完成前期项目油气弹簧研制的基础上，又确定合作开展了“重型越野车半主动式油气 悬架系统研究”的工作。 1 4 本文的主要研究内容 论文的主要内容概括如下： 第一章为国内外关于油气弹簧及其悬架系统的研究概况。 第二章以油气弹簧为研究对象，建立了油气弹簧的振动模型，分析了油气弹簧的 1 0 华中科技大学硕士学位论文 非线性振动特性，并对油气弹簧的结构参数进行了设计计算。 第三章以为重型越野车研制的两种单气室油气弹簧为对象，在对比分析了其结构、 阻尼孔形状和悬架工作状态的基础上，建立了这两种油气弹簧的静特性和动特性模型， 并进行了对比试验研究。 第四章对四分之一半主动控制油气悬架系统进行了理论探讨，建立了车辆油气悬 架四分之一模型，分析了其动力学性能，并进行了油气悬架四分之一模型的半主动控 制试验研究。 第五章分析并建立了整车油气悬架模型，对整车油气悬架系统的相对动载荷、悬 架动行程和车身加速度等悬架性能进行了研究，建立了数学模型，进行了悬架系统频 域和时域动力学仿真研究。 第六章对全文进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 油气悬架关键元件研究 油气弹簧作为油气悬架系统的关键元件，其性能的好坏直接影响整个汽车油气悬架 系统的动力学性能。本章以油气弹簧为研究对象，介绍了其工作原理和结构参数设计。 2 1 油气弹簧的分类及结构 油气弹簧以气体( 般是惰性气体或氮气) 作为弹性介质，而用油液作为传力介质， 它一般是由气体弹簧和相当于液力减振器的液压缸组成。常用油气弹簧的结构型式有 单气室，双气室( 带反压气室) 以及两级压力式。 单气室油气弹簧可分为油气分隔式和油气混合式，如图2 1 所示。其特点是结构简 单、工作可靠，加工要求较低，维护也方便。油气分隔式还可以防止油液乳化，且便 于充气。但是单气室油气弹簧在伸张行程中的刚度较低，因而悬架的伸张行程较大， 活塞可能会撞击缸体底部，这可通过增加伸张行程阻尼的方法予以解决。 a ) 油气分隔式b ) 油气混和式 1 一工作活塞；2 - 压力缸；3 一油气隔膜 图2 1单气室油气弹簧示意图 1 一主活塞；2 一浮动活塞；3 一油室通道 a - - 主气宣：b 一反压气室 图2 2 双气室油气弹簧示意图 双气室油气弹簧如图2 2 所示，它比单气室油气弹簧多一个作用力方向相反的反压 气室和一个浮动活塞。当弹簧处于压缩行程时，主气室a 中的活塞1 上移，使主气室 内的气压增高，弹簧的刚度增大。此时浮动活塞下面的油液在反压气室的气体压力作 华中科技大学硕士学位论文 用下经通道3 流入主气室的活塞下面，补充活塞上移后空出的容积，而反压气室内的 气压下降。当弹簧处于伸张行程时，主活塞下移，主气室内的气压降低，主活塞下面 的油液受挤压，经通道流回浮动活塞的下面，推动活塞上移，而使反压气室内的气压 增高，从而提高了伸张行程的弹簧刚度。这种油气弹簧消除了在伸张行程中活塞与缸 体底部发生撞击的可能性。 上述单气室和双气室两种油气弹簧的刚度变化幅度较小，因而当弹簧载荷变化较 大时，悬架系统的自然振动频率变化幅度也会较大。如果要保证在汽车空载和满载时 悬架都具有较低的自然振动频率，则其结构就会过大而难于在车身下布置。刚度变化 幅度较大的两级压力式油气弹簧的出现解决了这一矛盾。1 。 图2 3 所示为两级压力式油气弹簧，其特点是在工作活塞1 的上方设有两个并列的 气室，但两个气室的工作压力不同。主气室a 内的气压与单气室油气弹簧的气室压力 相近，而补偿气室b 内的气压较高。因此两个气室不同时参加 工作。其作用相当于钢板弹簧的主簧和副簧的作用。当弹簧载荷较小时，主气室首先 参加工作，其中的气压随着载荷的增加而逐渐升高。当油气弹簧所承受的载荷增加到 使主气室的气压稍超过补偿气室内的气压时，补偿气室方参加工作。此时，如果弹簧 上的载荷继续增加时，补偿气室和主气室共同工作。这种结构使弹簧刚度的变化更加 符合悬架性能的要求，从而可保证汽车空载和满载时悬架系统有大致相等的自然振动 频率。 1 一工作活塞；2 一一级压力缸；3 、4 一油气隔；5 一二级压力缸 a 一主气室；b 一补偿气室 图2 3 两级压力式油气弹簧示意图 根据合作项目中越野车辆的工作条件及设计指标，结合经济性、合理性、先进性 华中科技大学硕士学位论文 等因素，考虑到重型越野车的特点以及实际车辆上的安装空间，我们决定采用单气室 油气隔离式油气弹簧结构。其结构简图如图2 4 所示。 2 2 油气弹簧工作原理 图2 4 所示为单气室油气隔离式油气弹簧。在其活塞杆内设有一个圆柱形容腔， 该容腔由浮动活塞隔离成气室和内油室。其中气室内充入氮气，内油室通过阻尼孔与 外油室相通，并充满工作液。浮动活塞的作用在于把作为弹性介质的高压氮气和工作 液分开，以避免工作液乳化，同时也便于充气和保养。在主活塞上设有阻尼孔，阻尼 阀座周向均匀分布8 个孔，对称相隔地装有4 个压缩阀和4 个伸张阀。当载荷增加， 车架与车桥之间距离缩短时，主活塞上移，迫使工作液经压缩阀和阻尼阀进入内油室， 从而推动浮动活塞下移，使气体容积减小，氮气压力增高。升高了的氮气压力通过工 作液的传递变为作用在主活塞上的力，当此力与外界载荷相等时，活塞便停止运动。 于是，车架与车桥的相对位置不再变化。 1 - - # 1 油室 2 一压缩阀；3 一固定阻尼孔；4 一伸张阀；5 一主活塞 6 一内油室：7 一浮动活塞：8 一气室：9 一缸体 图2 4 油气弹簧结构简图 当载荷减, j , a l j 推动活塞上移的作用力减小时，浮动活塞在高压氮气的作用下向内油 室一侧移动，迫使工作液经伸张阀及阻尼阀流回外油室，并推动主活塞向下移动，车 架与车桥间距离变大，直到氮气室内压力通过工作液的传递使作用在主活塞上的力与 外界减小的载荷相等时，主活塞才停止移动。汽车在行驶过程中，油气弹簧所受到的 华中科技大学硕士学位论文 载荷是变化的，因此主活塞变相应地在工作缸中处于不同地位置。由于氮气充满在密 闭的气室内，作用在浮动活塞上的载荷小时，气体弹簧的刚度较小，随着载荷的增加， 气体弹簧的刚度变大，即它有变刚度特性。另外，该油气弹簧又起液力减振器的作用。 工作液通过阻尼孔时，消耗一部分能量，以热量的形式散发出去。在压缩行程时，伸 张阀关闭，压缩阀则在一定压差作用下开启；在伸张行程时，压缩阀关闭：而伸张阀 在一定压差作用下开启，从而保证了振动的迅速衰减。 2 3 油气弹簧性能参数计算 油气弹簧是以油液传递压力，而用氮气作为弹性介质的一种弹性元件。由于油气 弹簧的密封性、加工精度和装配要求较高，而且其应用一般集中于较为特殊的场合， 故到现在为止，还没有形成一个标准的设计计算方法。本节综合现有技术资料的基础 上，对由我们设计的单气室油气隔离式油气弹簧的设计提供较为系统的计算方法。 在如图2 4 结构中，主活塞5 行程s 。与气柱的压缩( 或膨胀) 高度4 h 并不一致。设 主活塞外径为d ( 即缸内径) ，面积为a l ，浮动活塞7 的外径为d ，面积为a 2 。 当活塞慢慢上移s 。时，外油室减少的体积为a v ，即 a v = 每d 2 s 。 ( 2 1 ) 斗 此时的内油室增加体积等于外油室减少的体积，即此时气体的实际压缩量等于 v ，这时浮动活塞的移动量为d h ，即 址s 。 ( 2 2 ) “ 由此可见，当油气弹簧只有单气室结构时，当主活塞动行程为s 。时，则气柱的实 际压缩( 或膨胀) 的高度么h 并不等于s ，而为行程s 。的( d d ) 2 倍。为便于后面的计算， 令i = ( d a ) 2 ，i 称为比例系数。 2 3 1 弹性特性 籀车在平均载荷下的静止状态时，令工= o ( 油气弹簧处于平均载荷下的平衡位置) ， 并设此时油气弹簧的气室压力、气体当量高度分别为p h ；。整车从平均载荷到某 一任意载荷时，油气弹簧位移从0 变到工的过程中，气体的变化认为是等温过程。由 此得： 1 5 华中科技大学硕士学位论文 一= j 目g = l 目= | j = = ；= = # = = 目= = # = = = ；_ 目目目日= _ # p l ：粤肌 ( 2 3 ) 对主活塞进行受力分析得此时油气弹簧承受的载荷为： 肛州- 2 丧a 一一 。4 公式( 2 4 ) 表示油气弹簧在x 位移时承受的载荷，即显示了它的弹性特性。 2 3 2 刚度特性 当油气弹簧在x 附近振动时，气体是处在一个多变的过程。当油气弹簧处在偏离 石( 某一载荷下的平衡位置) 的位移为j 的瞬间，气室的压力为： 几= ( 老羔) ”叁 b s ， 式中：p 。表示位移为x + s 的瞬间气室的绝对压力； ”表示气体多变指数。 在位移为x + s 时，油气弹簧承受的动载荷为： r 。= p l ，a l ：f 0 生1 墨协4 ( 2 6 ) l 啊。一i x i s ) 啊。一i x 1 又油气弹簧的动刚度： c ：d r _ _ l ( 2 7 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 可得： e 刊( 毒兰厂赫忐4 s ， 令公式( 2 8 ) 中的s = 0 。得振动过程中油气弹簧在x 位移时的动刚度： c a = h i 南协一 q 9 式中：n 取值为1 2 1 4 ，氮气，一般取n 5 1 3 3 。 若取n = 1 ，则油气弹簧静刚度为： 1 6 华中科技大学博士学位论文 c j 刮蒜葑