关于油气弹簧刚度特性及影响因素的研究

作者：郑晓敏

   油气弹簧的刚度和阻尼特性是影响其性能的两个关键因素，它们直接影响油气弹簧的减振性能，而油气弹簧刚度和阻尼特性主要取决于结构参数的选取。因此研究结构参数对于提高油气弹簧性能进而提高车辆行驶过程中的平顺性有着重要意义。为了提高油气弹簧的刚度特性，分析影响油气弹簧刚度的因素，本文以一种平台车用单气室油气弹簧结构为基础，对该油气弹簧的刚度特性进行分析，根据理论分析建立Simulink模型进行模拟，分析各种参数对油气弹簧刚度产生的影响，为提高油气弹簧刚度性能提供指导。

1  油气弹簧工作原理

油气弹簧是用油液来传递压力，用压缩气体（通常为氮气）作为弹性介质的一种弹性元件。图1为油气弹簧的结构简图，当活塞杆相对于外缸筒运动速度较小时，节流阀片两端产生的压力较小，不能使节流阀片开启，此时油液流过节流缝隙产生阻尼力；当活塞杆相对于外缸体的速度达到一定值时，节流阀片发生形变使阀片开阀，此时节流缝隙增大，油液流过增大后的缝隙产生阻尼力。在运动过程中气室内的压力会随着活塞杆与外缸体相对位移发生变化。

2油气弹簧刚度模型的建立

图1中，F为作用在活塞杆上的力，X为活塞杆与缸筒相对位移，Ho为气室内气体的初始高度，D为外缸体的内径，di为活塞杆的外径，do为活塞杆的内径，S。为气室的横截面积，p。为气室的压力，A，为上油室的面积，p。为上油室压力，A，为下油室的面积，p。为下油室压力。当活塞杆与缸体发生相对移动时，油气弹簧缸体内各腔体积发生变化，气室内气体的体积变化如下：

其中：X。为气室中气体的位移。

上油室油液体积变化为：

下油室中油液体积变化为：

根据关系式：

  通过式(10)可以看出，油气弹簧的刚度K主要受气室的初始压力、气室的初始高度、活塞杆的外径、活塞杆的内径以及气体的多变指数的影响，可以通过改变这些结构参数来分析它们对油气弹簧刚度特性的影响。

3油气弹簧的刚度特性

刚度特性是评价油气弹簧性能好坏的一个重要指标，它反映了气室中气体对活塞杆的作用力与活塞杆相对缸体位移的关系，因而研究刚度特性具有重要的意义。油气弹簧的初始参数如表1所示。

因为实际中油气弹簧受到的激励信号无法用某个具体的信号函数准确代替，为了便于分析，本文采用正弦位移信号，具体表达式如下：

其中：A为振幅；f为时间；厂为信号频率。

根据建立的刚度模型用MATI。AB/Simulink进行模拟，选取激励信号参数A=30 mm，f=0.5 Hz，选取半个周期观察，活塞杆与外缸体相对位移不断减小（即压缩）过程后得到的油气弹簧刚度曲线如图2所示。

  由图2可知：油气弹簧的刚度随位移呈非线性变化，当活塞杆相对于外缸体位移较小时，油气弹簧刚度值较小，刚度值的变化也较小；当继续增大相对位移时，刚度值增大，刚度值的变化较快。

3.1  气室初始压力对刚度的影响

改变初始压力分别为4 MPa、5 MPa、6 MPa，其余初始参数不变，得到的结果如图3所示。

  从图3中可知：油气弹簧的刚度会随着气室初始压力的增大而增大，并且刚度会随着活塞杆与外缸体相对位移的增大而增大，可见改变气室的初始压力可以调节油气弹簧的刚度。

3.2  气室的初始高度对刚度的影响

改变气室的初始高度分别为100 mm、150 mm、200 mm，其余条件不变，得到的结果如图4所示。

  由图4可知：气室的初始高度增加会导致油气弹簧的刚度减小，随着气室初始高度的增加，在活塞杆与缸筒相对位移增大的过程中，刚度值的变化越来越小。

3.3  活塞杆内径对刚度的影响

改变活塞杆的内径分别为50 mm、60 mm、70 mm，保持壁厚4 mm不变，其余条件不变，得到的结果如图5所示。

  从图5中可知：随着活塞杆内径增加，油气弹簧刚度增加，但是刚度值趋势变化并不大，可见适当改变活塞杆内径并不会对油气弹簧刚度产生较大影响。

3.4  活塞杆壁厚对刚度的影响

保持活塞杆内径50 mm不变，改变活塞杆壁厚分别为4 mm、5 mm、8 mm，则活塞杆外径分别变成58mm、62 mm、66 mm，其余条件不变，模拟后得到的结果如图6所示。

  由图6可知：随着活塞杆壁厚值增大，油气弹簧的刚度增大，当壁厚变化不大时，随着活塞杆与缸体相对位移的增加，刚度值变化不大；当壁厚值变化较大时，随着位移的增加，刚度值变化较大，所以稍微改变活塞杆壁厚不会对油气弹簧的刚度产生较大影响，而较大改变活塞杆壁厚则会明显影响油气弹簧的刚度。

4结论

  (1)油气弹簧具有非线性刚度的特性，结构参数可以对油气弹簧刚度产生较大影响。

  (2)油气弹簧刚度随着气室初始压力的增大而增大，并且随着压缩过程中相对位移的增大刚度增加越快；气室的初始高度增加，油气弹簧的刚度会减小，气室初始高度增加后，随着压缩过程中相对位移的增加，刚度变化则越来越不明显。

(3)随着活塞杆内径增加，油气弹簧刚度增加，但是刚度增加并不大，适当改变活塞杆内径不会对油气弹簧刚度产生较大影响；随着壁厚值的增大，油气弹簧的刚度增大，当壁厚变化不大时，随着位移的增加，刚度值变化不大，当壁厚值变化较大时，随着位移的增加，刚度值变化较大。

5摘要：基于某平台车用油气弹簧减振器的结构，建立了油气弹簧刚度的数学模型，利用MATLAB/Simulink软件仿真分析各种结构参数对油气弹簧刚度产生的影响，为优化油气弹簧的刚度性能提供理论指导。