答辩稿-越野车油气悬架系统及其密封的设计

1、背景：悬架系统应具有承受车身重量，承受并缓和车辆必要的离地间隙等功能。传统汽车上使用的是由弹簧和阻尼组成的被动悬架。虽然其结构简单、性能可靠，成本低且不需附加能量，但是系统特性如弹簧刚度、阻尼系数都是不可调的，不能适应各种道路;而且其只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能来适应不同的使用要求，不能同时获得较好的乘坐舒适性和操纵稳定性，特别是对于需要经常在野外作业的特种车辆，被动悬架的有限行程及被动适应地面的能力在一定程度上限制了车辆的通过性，影响了车辆的越野性能。因此，世界各国从上世纪50年代开始了主动、半主动悬架的研究。意义：油气悬架以油液传递压力，以惰性气体(通常为氮气作为弹性介质，

2、悬架缸内部的节流孔、单向阀等代替了通常的减振器元件，使油气悬架集弹性元件和减振器功能于一体，径向尺寸小，对整车的布置有利；具有变刚度特性，即刚度随着簧载质量的增加而增加，既能提高车辆在一般路面上的行驶平顺性，又能防止在大起伏路面上行驶时出现悬架被击穿的情形；车辆可得到较低的固有振动频率，从而改善驾驶员的劳动条件和提高平均车速；改变悬架缸的充油量和蓄能器内气体的压力可得到不同的变刚度特性，从而可以使油气悬架的主要部件在不同吨位的汽车上通用；便于实现车身高度的调节；油气悬架的弹性元件与钢板弹簧、螺旋弹簧等其他弹性元件相比较还有结构紧凑、承载能力大、本身重量轻(可比钢板弹簧轻50%，比扭杆弹簧轻20

3、%、缓冲减震性能好等优点，特别适合于重型车辆。设计主要内容：越野车油气悬架系统结构形式与原理的选择；油气悬架系统刚度特性，阻尼特性，结构强度等的分析计算；越野车油气悬架系统密封的设计。双气室油气弹簧原理: 液压缸的内部有A、B、C 三个油腔，C腔一方面通过数个阻尼孔和单向阀与B 腔相通，另一方面还通过管路与左蓄能器相通，A 腔通过管路仅与右蓄能器相通。当活塞及活塞杆相对缸筒收缩时，A腔的油液会受到压缩而进入右蓄能器，C 腔的油液因B 腔容积增大而受到左蓄能器气体压缩进而通过阻尼孔和单向阀进入B 腔；相反地当活塞及活塞杆相对缸筒伸张时，B 腔的油液因受到压缩而通过阻尼孔进入左蓄能器，右蓄能器的油

4、液因A 腔容积增大而受到右蓄能器气体压缩进而进入A腔。油气悬架实现主要功能的过程:（1）刚性闭锁：当电磁阀Y1至Y16均处于失电状态时，电磁阀与气控阀均处于弹簧作用腔，相应油路为截止状态，悬架油缸的大腔与蓄能器连接断开，此时尽管悬架油缸的小腔仍与蓄能器相连，但由于油液的不可压缩性（极小压缩量），悬架油缸不能产生伸缩运动，整个悬架机构处于刚性状态。因刚性闭锁时车辆震动所产生的能量只能由车轮吸收，故此功能只有在车辆停驶或极低车速时才能使用。（2）弹性承载：当电磁阀Y1 至Y12 、Y15 与Y16 均失电处于弹簧作用腔而截止，Y 1 3 得电，控制单元一、二中的气控阀接通时，一侧悬架油缸的大、小油

5、腔分别与另一侧悬架油缸的小、大油腔互相沟通，且与相应的蓄能器相相连，悬架油缸可自由伸缩并压缩蓄能器内氮气，起到缓冲和吸收振动能量的作用，整个悬架机构既处于刚性状态。当悬架机构处于弹性承载状态时，因同一轴两侧的油缸油腔相互串连，此时若车辆转弯而使两侧车轮的载荷发生变化，则载荷增大侧的悬架压缩，其悬架油缸大腔压力增大，因该腔与另一侧悬架油缸的小腔相连，故另一侧悬架油缸的小腔的压力亦随之增大，这样另一侧悬架也相应地压缩，降低了车辆的侧倾角，从而能保证车辆具有良好的行驶稳定性。（3）升降功能：当电磁阀Y13 得电，控制单元一、二中的气控阀接通时，同时接通Y2、Y4、Y6、Y8、Y10、Y12 （或Y1

6、、Y3、Y5、Y7、Y9、Y11），则可实现车架的整体升高（或降低）。若同时接通Y 2 、Y 6 、Y 1 0 （或Y1、Y5、Y9），则可实现该侧车架的升高（或降低）。若同时接通前轴悬架控制单元中相应的电磁阀，则可实现车架的前高后低（或前低后高）。故此功能可大大提高车辆的通过性能参数，如接近角、离去角及最小离地间隙等，同时也可以满足车辆在特殊路面上的侧倾要求。油气悬架技术已不是一般意义上的被动悬架。（4）轴荷平衡：当悬架处于弹性承载状态时，电磁阀Y 1 4 得电，通过控制单元二中气控阀的接通，一二轴与三四轴的悬架油缸油路在节流作用下接通，其内部的压力得到平衡，因此一、二、三、四轴的轴荷也相应

7、地得到平衡。（5）车轴提升：当电磁阀Y13 失电时，接通电磁阀Y6与Y 8 ，可实现三、四轴的提升离地，此时车辆只有一二五六轴着地。当电磁阀Y 1 3 得电时，接通电磁阀Y 1 5 与Y 1 6 ，可实现三、四轴的下放着地。在三四桥提升离地的状态下，车辆可实现增加一二五六驱动轴的附着力及配合其他特殊工况。（如果讲不明白，就打开悬架系统原理解释）主要基本尺寸计算：为设计方便，参考辽宁工程技术大学优秀硕士论文汽车油气弹簧特性仿真研究等相关资料，以及毕业设计任务书的要求，预设各项参数，并进行相关计算；假设当主活塞移动到最大压缩行程的极限位置时，则 C 腔的油液变化量全部流入蓄能器 D，那么，蓄能器

8、D 的初始体积应该满足要求，并预设蓄能器D的初始体积；假设当主活塞移动到最大拉伸行程的极限位置时，则 A 腔的油液变化量全部流入蓄能器 E，那么，蓄能器 E 的初始体积应该满足要求，并预设蓄能器E的初始体积。以上各计算参数应该在以后的特性仿真过程中将进行调整，以达到使用要求，但是据我所知：由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架，在液压主动悬架的研究方面起步较晚，与国外的差距很大，进入21世纪后，一些高校才正式对液压主动悬架陆续展开研究工作，所以根据我的任务书中的要求，我不知道特性仿真的正确结果是什么样子的，而且，我之前没接触过Matlab Simulink ，短时间内来不及进行刚度、阻尼

9、特性仿真。数学模型解释：第一个式子为活塞杆输出力方程；第二个式子为实际气体的状态方程，即1940年提出的 BWR(Benedicy-Web b-Rubin多常数半经验方程，我没查到原文，引自辽宁工程技术大学优秀硕士论文汽车油气弹簧特性仿真研究；第三个式子为蓄能器E腔的气体比容计算方法；第四个式子E腔中气体体积确定方法，车辆满载平衡时 变化量；第五个式子变化量的计算方法；前五个式子可以得到E腔的压强随位移激励压强的x的变化；第六个式子不解释；第七个式子，A、B两腔通过单向阀和阻尼孔相通，根据节流小孔理论，参考液压与气压传动教材第一章第六节内容；第八个式子A、B两腔之间油液流量计算公式不解释；第九

10、个式子，设活塞相对于缸筒向上运动（复原行程）时，速度为正，反之，在压缩行程，速度为负；第十个式子的解释同第二个式子；第十一个式子同第三个式子；第十二个式子同第四个式子；第十三个式子同第第五个式子，D、E两腔气体体积变化方向相反，因此有负号；第十到第十三个式子可以得到 D 腔中气体的压强随位移激励 x的变化；第十四个式子，C腔与蓄能器D相通，油液从C腔流入蓄能器D或是从蓄能器D流入C腔，之间须通过阻尼孔和单向阀，而且由于断面积突然变化，也会产生沿程压力损失和局部压力损失，参考液压与气压传动教材第一章第六节内容；第十五个式子，C、D两腔之间油液流量计算公式，不解释，负号还是因为D、E两腔气体体积变

11、化方向相反；第十六、十七式子，参考液压与气压传动教材第一章第六节内容；第十八个式子，C 腔与 D 腔间细长圆孔内油液平均流速计算方法，不解释；第十式到第十八式可确定C腔内油液压力，将求出的压强、代入第一个式子，即可得液压缸的输出力F。由此建立复杂非线性数学模型。刚度特性解释：刚度特性是指活塞杆上所受的力（不包含阻尼力）与活塞相对于液压缸行程的关系。第一个式子，不考虑阻尼影响，则,；第二、三个式子，为了计算方便，假设蓄能器内气体按绝热状态变化，利用理想气体多变状态方程，得到D、E两腔内气体多变状态方程；第四、五个式子，确定D、E两腔内气体体积，前面解释过；第六个式子，悬挂质量为M，静平衡状态蓄能

12、器内的气体压力计算公式；前六个式子推导出活塞杆的输出力F的表达式，对F的表达式求导得到油气弹簧的刚度K的表达式。阻尼特性解释：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。复原行程中，单向阀关闭，油液只经阻尼孔流动，第一个式子，参考液压与气压传动教材第一章第七节内容；第二个式子，复原行程阻尼力计算公式；第三、四个式子，A、B腔和C、D腔之间的液压差计算公式，参考液压与气压传动教材第一章第六节内容；前四个式子可得复原行程阻尼力表达式；压缩行程中，单向阀开启，油液同时流经阻尼孔和单向阀，第六个式子增加了通过单向阀的流量；第七个式子，同第五个式子；将第五个式子和第七个式子合并，得到第八个式子，对第八个式子求导，得到油气弹簧的阻尼系数表达式。强度校核解释：螺纹连接强度计算，参考机械设计第五章第六节内容，紧螺栓连接强度计算；缸体壁厚校核，参考臧克江主编的化学工业出版社出版的液压缸第五章第一节，液压缸结构强度校核。结论：油气弹簧是油气悬架的主要部件，其性能对油气悬架的性能起决定性作用。因此，对油气弹簧的设计研究具有重要意义。本文建立了带反压气室油气弹簧的物理模型和数学模型，并对其刚度特性和阻尼特性进行了分析计算。另外，本文还对油气弹簧的密封方案进行了一定的讨论选择。油气悬架对于改善汽