对可控油气弹簧的分析和试验

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现今人们也在研究开发其它原理的减振器，例如，磁流变减振器和电流变减振器，但这些减振器结构复杂、成本高，难以得到实际推广应用。而油气弹簧因具有良好的平顺性，安全可靠，在很多高级客车上得到了广泛地使用，而且可调油气弹簧现还广泛被应用于装甲车辆上，以提高装甲车辆平顺性。油气弹簧的开阀速度和开阀压力。对于可调油气弹簧，当油气弹簧的运动速度达到一定数值时，可调油气弹簧的旁通阀就打开，旁通阀的流量大小，将影响着可调油气弹簧的速度特性，因此，为了更好地研究、设计和开发满足实际速度特性要求的可调油气弹簧，必须对可调油气弹簧旁通阀的流量进行研究。油气弹簧结构简图与阻尼力结构简图油气弹簧在活塞杆内有一个浮动活塞，浮动活塞将活塞杆容积分隔为两部分，上部分为油气弹簧的气室，充有一定压力的气体（氮气），下部分和油气弹簧的下腔相通。其结构如所示。压阻力当油气弹簧处于静平衡位置时，气室压力、上腔和下腔压力相等，都等气室背压。此时，气室背压与活塞杆面积==油气弹簧结构原理简图的乘积，等于车辆单轮簧上重量，即式中，为气室初始充气压力；s为活塞杆的面积；为单轮簧上质量；为重力加速度。当油气弹簧以一定规律运动时，油气弹簧阻尼由三部分组成，第一部分是油液经过节流所产生的节流阻尼力；第二部分是气室压力差的变化所产生的阻尼；第三部分是由于活塞运动所产生的惯性力。下面对油气弹簧的阻力，以拉伸和压缩两个行程进行分析。压缩阻力当活塞压缩运动时，油气弹簧压缩阻力为因此，油气弹簧在运动过程中所受总阻力为节流阻尼力、气室阻力和惯性力之和。气室阻力与活塞杆的运动位置有关，节流阻尼力与活塞杆的运动速度有关，惯性力与活塞杆的运动加速度有关。

节流阻尼力由阻力的组成可知，不论是复原还是压缩行程，节流阻尼力为上式说明，油气弹簧节流阻尼力的大小等于节流压差与油气弹簧缸筒内径和活塞杆之间环形面积的乘积，与静压和其它面积无关。节流阻尼力的大小只与活塞速度有关，而与活塞的位置和加速度无关。节流阀片的弯曲变形与节流压力差有关，而与气室压差和惯性力无关。矩形节流阀片结构与弯曲变形节流阀片的结构对于节流阀片可以根据油气弹簧的不同结构和要求，采用不同结构形式的节流阀片，如所示，就是采用矩形节流油气弹簧矩形节流阀片结构简图矩形节流阀片油气弹簧的工作原理是，当速度低于一定数值时，油液压力不能打开矩形节流阀片，油液流经常通节流孔起节流作用；当速度达到一定数值使油液的压力增大到一定的数值时，矩形节流阀被打开，油液流经矩形节流阀片开度形成的节流面积起节流作用，阻尼力的大小与矩形节流阀片的最大弯曲变形量有关。矩形节流阀片的力学模型对于油气弹簧的矩形节流阀片，将两端的圆弧简化为直线，由于宽度相等，横截面面积相等，因此，可以看作是一端固定，另一端自由的等截面矩形悬臂梁，如所示。为节流阀片所受的节流压差；为节流缝隙的变化量为矩形节流阀片的长度；为节流阀片的最大弯曲变形量）矩形节流阀片力学模型当矩形节流阀片上受到均匀节流压差作用时，节流阀片将弯曲变形，当油气弹簧的相对运动速度变化时，阀片上所受的节流压差将发生变化，因此，节流阀片的开度将随着节流压差的变化而变化。矩形节流阀片的弯曲变形曲线方程设矩形节流阀片宽度为，一端固定约束，一端是自由端，矩形阀片总的长度（即矩形的高度）为为了对矩形节拖拉机与农用运输车流阀片的弯曲变形量进行分析计算，以固定端的中心为原点，以固定端边线的中垂线为x轴，以固定端的边线为轴，建立直角坐标系。

在任意位置处的力矩是右边节流阀片所受的力对x位置的力矩，所受的力是由右侧矩形的面积与面均布压力载荷的乘积，即节流压力差，力的作用点就是矩形的重心则矩形节流阀片在位置受的力矩在处节流阀片的横截面宽度为，厚度为，则在处的惯性矩为当矩形节流阀片在受到面均布载荷作用时，节流阀片将弯曲变形，不同位置处的弯曲变形量的大小不同，因此节流阀片将弯曲成一个曲面，在中线上就形成一个弯曲变形曲线，其弯曲变形曲线方程为其中，为材料弹性模量；为积分常数，可以利用边界条件确定，因此矩形节流阀片的弯曲变形曲线方程为矩形节流阀片最大弯曲变形量矩形节流阀片的最大弯曲变形量，即为矩形节流阀片在自由端的弯曲变形量，由矩形节流阀片的弯曲变形曲线方程可知：矩形节流阀片的最大弯曲变形量是当时，矩形节流阀片弯曲变形曲线的数值解可以得到矩形节流阀片的最大弯曲变形量。油气弹簧开阀压力和流量油气弹簧的开阀压力当节流阀片的弯曲变形量达到节流阀片厚度时油气弹簧阀打开，利用节流阀片的弯曲变形公式，可以计算得到油气弹簧的开阀压力为油气弹簧的开阀速度当节流阀片的弯曲变形量达到节流阀片厚度时油气弹簧阀打开，根据油气弹簧的最大流量与开阀压力之间的关系以及油液的连续性定理可得所以开阀速度为为油气弹簧缸筒内径和活塞杆之间的面积；为活塞缸筒内径；为活塞杆外径；为油气弹簧开阀压力；为油气弹簧常通节流孔的面积；为流量系数；为油液密度。油气弹簧开阀前的流量当旁通阀未打开时，旁通阀没有油液流过，油液全部经过油气弹簧，可以根据流量与速度的关系求得经过油气弹簧的流量。油气弹簧的速度与流量的关系为旁通阀打开后的最大流量油气弹簧的最大开阀速度当旁通阀打开后，油气弹簧的常通节流孔保持不便，但是流量发生了变化，因此阻尼比也发生了改变，响应的开阀速度也发生了变化。旁通阀未打开时油气弹簧开阀时阻尼力为式中，为油气悬架系统的固有频率；为旁通阀打开前、后油气悬架系统的阻尼比。由于油气弹簧阀片的厚度已经确定，因此旁通阀打开前、后开阀压力不变，即，所以，即旁通阀打开后的油气悬架系统的最大开阀速度油气弹簧最大流量当旁通阀打开后，由油气弹簧压力和流量的关系，可得油气弹簧开阀时最大流量式中，为旁通阀打开后油气弹簧的最大开阀压力；为旁通阀打开后油气弹簧的最大流量。旁通阀的最大流量根据旁通阀的流量与油气弹簧常通节流孔的流量以及油气弹簧的总油液排量之间的关系可得可调油气弹簧试验利用计算分析得到的油气弹簧旁通阀最大流量设计的旁通阀，作为可控油气弹簧的旁通阀。利用控制电流，对旁通阀流量进行控制，从而实现对油气弹簧阻力特性的控制。在不同控制电流下，对所设计的可控油气弹簧进行阻力特性试验，试验结果如和所示。

矩形节流阀片可调油气弹簧旁通阀流量设计研究控制电流时油气弹簧示功图由试验得到的示功图可知，通过电流控制旁通阀流量的大小，可以实现对可控油气弹簧阻力特性的控制。结论通过对可控油气弹簧的分析和试验可知：油气弹簧阻力有三部分组成的，分别是节流阻尼力、气室阻力和惯性力，他们分别与油气弹簧速度、位置和加速度有关。节流阻尼力的大小与油气弹簧活塞杆与油气弹簧缸筒内径之间的环形面积有关。在旁通阀打开情况下，油气弹簧开阀速度与设计的油气弹簧阻尼比有关。旁通阀流量影响油气弹簧阻尼特性，因此可以通过对旁通阀流量的设计和控制，实现对可调油气弹簧的阻尼特性的设计和控制。

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