答辯稿-越野車油氣懸架系統(tǒng)及其密封的設(shè)計(jì)

1、背景：懸架系統(tǒng)應(yīng)具有承受車身重量，承受并緩和車輛必要的離地間隙等功能。傳統(tǒng)汽車上使用的是由彈簧和阻尼組成的被動(dòng)懸架。雖然其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成本低且不需附加能量，但是系統(tǒng)特性如彈簧剛度、阻尼系數(shù)都是不可調(diào)的，不能適應(yīng)各種道路;而且其只能是在滿足主要性能要求的基礎(chǔ)上犧牲次要性能來適應(yīng)不同的使用要求，不能同時(shí)獲得較好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性，特別是對(duì)于需要經(jīng)常在野外作業(yè)的特種車輛，被動(dòng)懸架的有限行程及被動(dòng)適應(yīng)地面的能力在一定程度上限制了車輛的通過性，影響了車輛的越野性能。因此，世界各國從上世紀(jì)50年代開始了主動(dòng)、半主動(dòng)懸架的研究。意義：油氣懸架以油液傳遞壓力，以惰性氣體(通常為氮?dú)庾鳛閺椥越橘|(zhì)，

2、懸架缸內(nèi)部的節(jié)流孔、單向閥等代替了通常的減振器元件，使油氣懸架集彈性元件和減振器功能于一體，徑向尺寸小，對(duì)整車的布置有利；具有變剛度特性，即剛度隨著簧載質(zhì)量的增加而增加，既能提高車輛在一般路面上的行駛平順性，又能防止在大起伏路面上行駛時(shí)出現(xiàn)懸架被擊穿的情形；車輛可得到較低的固有振動(dòng)頻率，從而改善駕駛員的勞動(dòng)條件和提高平均車速；改變懸架缸的充油量和蓄能器內(nèi)氣體的壓力可得到不同的變剛度特性，從而可以使油氣懸架的主要部件在不同噸位的汽車上通用；便于實(shí)現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)；油氣懸架的彈性元件與鋼板彈簧、螺旋彈簧等其他彈性元件相比較還有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、本身重量輕(可比鋼板彈簧輕50%，比扭桿彈簧輕20

3、%、緩沖減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于重型車輛。設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：越野車油氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式與原理的選擇；油氣懸架系統(tǒng)剛度特性，阻尼特性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的分析計(jì)算；越野車油氣懸架系統(tǒng)密封的設(shè)計(jì)。雙氣室油氣彈簧原理: 液壓缸的內(nèi)部有A、B、C 三個(gè)油腔，C腔一方面通過數(shù)個(gè)阻尼孔和單向閥與B 腔相通，另一方面還通過管路與左蓄能器相通，A 腔通過管路僅與右蓄能器相通。當(dāng)活塞及活塞桿相對(duì)缸筒收縮時(shí)，A腔的油液會(huì)受到壓縮而進(jìn)入右蓄能器，C 腔的油液因B 腔容積增大而受到左蓄能器氣體壓縮進(jìn)而通過阻尼孔和單向閥進(jìn)入B 腔；相反地當(dāng)活塞及活塞桿相對(duì)缸筒伸張時(shí)，B 腔的油液因受到壓縮而通過阻尼孔進(jìn)入左蓄能器，右蓄能器的油

4、液因A 腔容積增大而受到右蓄能器氣體壓縮進(jìn)而進(jìn)入A腔。油氣懸架實(shí)現(xiàn)主要功能的過程:（1）剛性閉鎖：當(dāng)電磁閥Y1至Y16均處于失電狀態(tài)時(shí)，電磁閥與氣控閥均處于彈簧作用腔，相應(yīng)油路為截止?fàn)顟B(tài)，懸架油缸的大腔與蓄能器連接斷開，此時(shí)盡管懸架油缸的小腔仍與蓄能器相連，但由于油液的不可壓縮性（極小壓縮量），懸架油缸不能產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)，整個(gè)懸架機(jī)構(gòu)處于剛性狀態(tài)。因剛性閉鎖時(shí)車輛震動(dòng)所產(chǎn)生的能量只能由車輪吸收，故此功能只有在車輛停駛或極低車速時(shí)才能使用。（2）彈性承載：當(dāng)電磁閥Y1 至Y12 、Y15 與Y16 均失電處于彈簧作用腔而截止，Y 1 3 得電，控制單元一、二中的氣控閥接通時(shí)，一側(cè)懸架油缸的大、小油

5、腔分別與另一側(cè)懸架油缸的小、大油腔互相溝通，且與相應(yīng)的蓄能器相相連，懸架油缸可自由伸縮并壓縮蓄能器內(nèi)氮?dú)?，起到緩沖和吸收振動(dòng)能量的作用，整個(gè)懸架機(jī)構(gòu)既處于剛性狀態(tài)。當(dāng)懸架機(jī)構(gòu)處于彈性承載狀態(tài)時(shí)，因同一軸兩側(cè)的油缸油腔相互串連，此時(shí)若車輛轉(zhuǎn)彎而使兩側(cè)車輪的載荷發(fā)生變化，則載荷增大側(cè)的懸架壓縮，其懸架油缸大腔壓力增大，因該腔與另一側(cè)懸架油缸的小腔相連，故另一側(cè)懸架油缸的小腔的壓力亦隨之增大，這樣另一側(cè)懸架也相應(yīng)地壓縮，降低了車輛的側(cè)傾角，從而能保證車輛具有良好的行駛穩(wěn)定性。（3）升降功能：當(dāng)電磁閥Y13 得電，控制單元一、二中的氣控閥接通時(shí)，同時(shí)接通Y2、Y4、Y6、Y8、Y10、Y12 （或Y1

6、、Y3、Y5、Y7、Y9、Y11），則可實(shí)現(xiàn)車架的整體升高（或降低）。若同時(shí)接通Y 2 、Y 6 、Y 1 0 （或Y1、Y5、Y9），則可實(shí)現(xiàn)該側(cè)車架的升高（或降低）。若同時(shí)接通前軸懸架控制單元中相應(yīng)的電磁閥，則可實(shí)現(xiàn)車架的前高后低（或前低后高）。故此功能可大大提高車輛的通過性能參數(shù)，如接近角、離去角及最小離地間隙等，同時(shí)也可以滿足車輛在特殊路面上的側(cè)傾要求。油氣懸架技術(shù)已不是一般意義上的被動(dòng)懸架。（4）軸荷平衡：當(dāng)懸架處于彈性承載狀態(tài)時(shí)，電磁閥Y 1 4 得電，通過控制單元二中氣控閥的接通，一二軸與三四軸的懸架油缸油路在節(jié)流作用下接通，其內(nèi)部的壓力得到平衡，因此一、二、三、四軸的軸荷也相應(yīng)

7、地得到平衡。（5）車軸提升：當(dāng)電磁閥Y13 失電時(shí)，接通電磁閥Y6與Y 8 ，可實(shí)現(xiàn)三、四軸的提升離地，此時(shí)車輛只有一二五六軸著地。當(dāng)電磁閥Y 1 3 得電時(shí)，接通電磁閥Y 1 5 與Y 1 6 ，可實(shí)現(xiàn)三、四軸的下放著地。在三四橋提升離地的狀態(tài)下，車輛可實(shí)現(xiàn)增加一二五六驅(qū)動(dòng)軸的附著力及配合其他特殊工況。（如果講不明白，就打開懸架系統(tǒng)原理解釋）主要基本尺寸計(jì)算：為設(shè)計(jì)方便，參考遼寧工程技術(shù)大學(xué)優(yōu)秀碩士論文汽車油氣彈簧特性仿真研究等相關(guān)資料，以及畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，預(yù)設(shè)各項(xiàng)參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；假設(shè)當(dāng)主活塞移動(dòng)到最大壓縮行程的極限位置時(shí)，則 C 腔的油液變化量全部流入蓄能器 D，那么，蓄能器

8、D 的初始體積應(yīng)該滿足要求，并預(yù)設(shè)蓄能器D的初始體積；假設(shè)當(dāng)主活塞移動(dòng)到最大拉伸行程的極限位置時(shí)，則 A 腔的油液變化量全部流入蓄能器 E，那么，蓄能器 E 的初始體積應(yīng)該滿足要求，并預(yù)設(shè)蓄能器E的初始體積。以上各計(jì)算參數(shù)應(yīng)該在以后的特性仿真過程中將進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到使用要求，但是據(jù)我所知：由于種種原因，我國的汽車絕大部分采用被動(dòng)懸架，在液壓主動(dòng)懸架的研究方面起步較晚，與國外的差距很大，進(jìn)入21世紀(jì)后，一些高校才正式對(duì)液壓主動(dòng)懸架陸續(xù)展開研究工作，所以根據(jù)我的任務(wù)書中的要求，我不知道特性仿真的正確結(jié)果是什么樣子的，而且，我之前沒接觸過Matlab Simulink ，短時(shí)間內(nèi)來不及進(jìn)行剛度、阻尼

9、特性仿真。數(shù)學(xué)模型解釋：第一個(gè)式子為活塞桿輸出力方程；第二個(gè)式子為實(shí)際氣體的狀態(tài)方程，即1940年提出的 BWR(Benedicy-Web b-Rubin多常數(shù)半經(jīng)驗(yàn)方程，我沒查到原文，引自遼寧工程技術(shù)大學(xué)優(yōu)秀碩士論文汽車油氣彈簧特性仿真研究；第三個(gè)式子為蓄能器E腔的氣體比容計(jì)算方法；第四個(gè)式子E腔中氣體體積確定方法，車輛滿載平衡時(shí) 變化量；第五個(gè)式子變化量的計(jì)算方法；前五個(gè)式子可以得到E腔的壓強(qiáng)隨位移激勵(lì)壓強(qiáng)的x的變化；第六個(gè)式子不解釋；第七個(gè)式子，A、B兩腔通過單向閥和阻尼孔相通，根據(jù)節(jié)流小孔理論，參考液壓與氣壓傳動(dòng)教材第一章第六節(jié)內(nèi)容；第八個(gè)式子A、B兩腔之間油液流量計(jì)算公式不解釋；第九

10、個(gè)式子，設(shè)活塞相對(duì)于缸筒向上運(yùn)動(dòng)（復(fù)原行程）時(shí)，速度為正，反之，在壓縮行程，速度為負(fù)；第十個(gè)式子的解釋同第二個(gè)式子；第十一個(gè)式子同第三個(gè)式子；第十二個(gè)式子同第四個(gè)式子；第十三個(gè)式子同第第五個(gè)式子，D、E兩腔氣體體積變化方向相反，因此有負(fù)號(hào)；第十到第十三個(gè)式子可以得到 D 腔中氣體的壓強(qiáng)隨位移激勵(lì) x的變化；第十四個(gè)式子，C腔與蓄能器D相通，油液從C腔流入蓄能器D或是從蓄能器D流入C腔，之間須通過阻尼孔和單向閥，而且由于斷面積突然變化，也會(huì)產(chǎn)生沿程壓力損失和局部壓力損失，參考液壓與氣壓傳動(dòng)教材第一章第六節(jié)內(nèi)容；第十五個(gè)式子，C、D兩腔之間油液流量計(jì)算公式，不解釋，負(fù)號(hào)還是因?yàn)镈、E兩腔氣體體積變

11、化方向相反；第十六、十七式子，參考液壓與氣壓傳動(dòng)教材第一章第六節(jié)內(nèi)容；第十八個(gè)式子，C 腔與 D 腔間細(xì)長圓孔內(nèi)油液平均流速計(jì)算方法，不解釋；第十式到第十八式可確定C腔內(nèi)油液壓力，將求出的壓強(qiáng)、代入第一個(gè)式子，即可得液壓缸的輸出力F。由此建立復(fù)雜非線性數(shù)學(xué)模型。剛度特性解釋：剛度特性是指活塞桿上所受的力（不包含阻尼力）與活塞相對(duì)于液壓缸行程的關(guān)系。第一個(gè)式子，不考慮阻尼影響，則,；第二、三個(gè)式子，為了計(jì)算方便，假設(shè)蓄能器內(nèi)氣體按絕熱狀態(tài)變化，利用理想氣體多變狀態(tài)方程，得到D、E兩腔內(nèi)氣體多變狀態(tài)方程；第四、五個(gè)式子，確定D、E兩腔內(nèi)氣體體積，前面解釋過；第六個(gè)式子，懸掛質(zhì)量為M，靜平衡狀態(tài)蓄能

12、器內(nèi)的氣體壓力計(jì)算公式；前六個(gè)式子推導(dǎo)出活塞桿的輸出力F的表達(dá)式，對(duì)F的表達(dá)式求導(dǎo)得到油氣彈簧的剛度K的表達(dá)式。阻尼特性解釋：阻尼特性是指活塞桿上所受的阻尼力（不包含彈性力）與活塞相對(duì)于液壓缸速度的關(guān)系。復(fù)原行程中，單向閥關(guān)閉，油液只經(jīng)阻尼孔流動(dòng)，第一個(gè)式子，參考液壓與氣壓傳動(dòng)教材第一章第七節(jié)內(nèi)容；第二個(gè)式子，復(fù)原行程阻尼力計(jì)算公式；第三、四個(gè)式子，A、B腔和C、D腔之間的液壓差計(jì)算公式，參考液壓與氣壓傳動(dòng)教材第一章第六節(jié)內(nèi)容；前四個(gè)式子可得復(fù)原行程阻尼力表達(dá)式；壓縮行程中，單向閥開啟，油液同時(shí)流經(jīng)阻尼孔和單向閥，第六個(gè)式子增加了通過單向閥的流量；第七個(gè)式子，同第五個(gè)式子；將第五個(gè)式子和第七個(gè)式子合并，得到第八個(gè)式子，對(duì)第八個(gè)式子求導(dǎo)，得到油氣彈簧的阻尼系數(shù)表達(dá)式。強(qiáng)度校核解釋：螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算，參考機(jī)械設(shè)計(jì)第五章第六節(jié)內(nèi)容，緊螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算；缸體壁厚校核，參考臧克江主編的化學(xué)工業(yè)出版社出版的液壓缸第五章第一節(jié)，液壓缸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。結(jié)論：油氣彈簧是油氣懸架的主要部件，其性能對(duì)油氣懸架的性能起決定性作用。因此，對(duì)油氣彈簧的設(shè)計(jì)研究具有重要意義。本文建立了帶反壓氣室油氣彈簧的物理模型和數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其剛度特性和阻尼特性進(jìn)行了分析計(jì)算。另外，本文還對(duì)油氣彈簧的密封方案進(jìn)行了一定的討論選擇。油氣懸架對(duì)于改善汽