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| 油气悬挂性能特性是车辆乘座动力学研究的前沿课题，而刚度和阻尼特性是其重要方面。传统的目前广泛采用的悬挂是以钢板弹簧和阻尼元件为主的被动悬挂，其刚度特性是线性的或分段线性的，阻尼特性由减振器实现，不能随外加激励的变化而进行相应的调整，车辆动态性能制约于路面条件和载荷等环境因素。这种本质上的缺陷使其不能同时保证车辆良好的行驶平顺性和操纵稳定性。油气悬挂作为被动悬挂的一种，集弹性元件和阻尼元件于一体，既具有刚度和阻尼特性的非线性特征，又不需要消耗能量、结构复杂而价高的半主动或主动控制，它可以同时兼顾车辆行驶平顺性和操纵稳定性，因而日益受到工程车辆行业的重视，有必要对其刚度和阻尼特性进行定性定量的研究。 1 油气悬挂结构形式与工作原理 油气悬挂是以油液传递压力的，用惰性气体（通常为氮气）作为弹性介质的一种悬挂系统，其弹性元件为蓄能器，结构如图1。工作过程为：当液压缸1与活塞8相对压缩时，液压腔2中油液进入蓄能器9压缩气体，而蓄能器10中的气体膨胀把油液挤向内环形腔6并经过单向阀4和阻尼孔3进入外环形腔5，此时悬架主要起弹性作用；而当液压缸1与活塞8相对拉伸时，外环形腔5中的油液经过阻尼孔3进入内环形腔6并进入蓄能器10压缩气体，而蓄能器9中气体膨胀把液挤向液压腔2，此时悬架主要起阻尼作用。 2 非线性刚度特性分析 ２．１ 弹性力和刚度系数 刚度特性是指活塞杆上所受的弹性力（不包含阻尼力）与活塞相对于液压缸行程的关系，有静刚度特性和动刚度特性。静刚度特性是指活塞杆相对于液压缸缓慢移动时，活塞杆上所受的弹性力与活塞行程的关系。动刚度特性是指活塞杆相对于液压缸快速移动时，活塞杆上所受的弹性力与活塞相对于液压缸行程之间的关系。由于车辆乘座动力学主要研究车辆的动态特性，因而本文仅就油气悬挂的动刚度特性进行研究。鉴于文献[1]已建立并验证了油气悬挂的基本理论，故本文应用MATLAB5.3/ SIMULINK 3.0软件，采用计算机仿真的方法，对油气悬挂的刚度特性作深入的定性定量的说明，略去其复杂的理论公式。下面以德国CXP1032起重机的油气悬挂为研究对象，设定活塞杆上所受的弹性力（或阻尼力）受拉为“＋”，受压为“－”，液压缸相对于活塞杆以平衡位置为起点向下位移为“＋”，向上位移为“－”，根据其原始参数，针对不同的正弦波激振信号，得到的结果如图2，对图2中的曲线求导即为油气悬挂的刚度系数，如图3。 ２．２ 刚度特性分析 从图2、图3可以看出油气悬挂的刚度特性是非线性的。当车架相对于平衡位置向下运动时，即活塞与液压缸相对压缩时，在50 mm行程内，弹性力从－6.6×104 N变化到－4.2×105 N，刚度系数从2.4×106 N/m变化到2.1×107 N/m；而当车架相对于平衡位置向上运动时，即活塞相对于液压缸相对拉伸时，在50 mm行程内，弹性力从－6.6×104 N变化到2.8×103 N，刚度系数从2.4×106 N/m变化到1.2×106 N/m。从而可以看出油气悬挂的刚度特性主要表现在车架相对于车桥的压缩行程，而对相应的拉伸行程表现不明显。 ２．３ 影响刚度特性的因素 刚度特性主要与车架相对于车桥的行程有关。就油气悬挂本身来说，影响其刚度特性的因素主要有蓄能器初始充气压力和体积及液压腔的直径。随着蓄能器初始充气压力减小和液压缸直径的增大，油气悬挂的弹性力和刚度系数也相应地增大，反之减小；而随着蓄能器初始充气体积的增大，油气悬挂的弹性和刚度系数也相应地减小，反之增大。针对CXP1032三桥起重机的特点，把前后桥蓄能器初始充气压力设计为3.5 MPa，初始充气体积设计为2.5 L，中桥蓄能器初始充气压力设计为3.5 MPa，初始充气体积设计为4 L，液压缸直径均设计为110 mm是合理的。 3 阻尼特性的分析 ３．１ 阻尼力和阻尼系数 阻尼特性是指活塞杆上所受的阻尼力（不包含弹性力）与活塞相对于液压缸速度的关系，根据油气悬挂阻尼力理论，设定液压缸相对于活塞作拉伸行程时速度为“＋”，压缩行程时速度为“－”，针对不同的激振信号速度，应用MATLAB语言进行计算机仿真结果如图4。阻尼系数是阻尼力随激振信号速度的变化率，它反应了油气悬挂的阻尼特性。对油气悬挂的阻尼特性图求导数可得其阻尼系数如图5。 ３．２ 阻尼特性分析 从图4、图5可以看出当车架相对于平衡位置向下运动时，即活塞与液压缸相对压缩时，在5 m/s速度范围内，阻尼力从零变化到－3.4×104 N，阻尼系数从零变化到1.5×104 N·s/m；而当车架相对于平衡位置向上运动时，即活塞相对于液压缸相对拉伸时，在5 m/s速度范围内，阻尼力从零变化到1.43×105 N，阻尼系数从零变化到6.2×104 N·s/m。并可以看出，油气悬挂的阻尼力在复原行程比较小且变化缓慢，而在拉伸行程比较大且变化快，说明油气悬挂的阻尼特性主要表现在车架相对于车桥的拉伸行程，而对相应的压缩行程表现不明显。从图4中还可以看出激振信号速度越大，则阻尼力也越大，也可以看出油气悬挂的阻尼力与速度不是线性关系而是非线性的关系，这说明油气悬挂具有变阻尼特性，决定了车辆乘座动力学是一个复杂的非线性微分方程，求其解析解是比较困难的。从图5中可以看出，油气悬挂在复原行程中阻尼系数小，而在拉伸行程中阻尼系数大。 ３．３ 影响阻尼特性的因素 阻尼特性主要与车架相对于车桥的速度有关。就油气悬挂本身来说，影响其阻尼特性的因素主要有阻尼孔、单向阀直径、单向阀数量、外形环腔面积和蓄能器进排油口直径。研究表明，随着阻尼孔、单向阀的直径和数量的减小以及随着外环形腔面积的增大和蓄能器进排油口直径的减小，阻尼力将变大；反之将变小。针对CXP1032三桥起重机的特点，把阻尼孔直径设计为5 mm，单向阀的直径设计为5.5 mm，外环形腔的面积设计为3.142×103 mm2是合理的。 |
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