油气弹簧刚度特性及影响因素分析.pdf

第 1 期 总第 1 9 4期 2 0 1 6年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NE ERI NG AUTOMATI ON No ．1 Fe b． 文章编号 ； 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 6 0 1 0 1 0 0 0 3 油气弹簧刚度特性及影响因素分析 王 家宝，雷步芳 太原科技大学 材料学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 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 MAT 1 A B ／ S i mu l i n k 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。 关键词 油气弹簧 ；刚度特性；仿真分析 中图分类号 T P 3 9 i ． 7 文献标识码 A 0 引言 油气弹簧以其 良好 的减振性 能， 能够满足车辆行 驶过程中的要求， 因而广泛应用于各种类型的车辆上 。 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[ 1 ] 。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 S i mu l i n k 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 j 。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， H。 为气室 内气体 的初始高度 ， D 为外 缸体的内径 ， d 为活塞杆的外径， d 。 为活塞杆的内径 ， s 为气室的横截面积， 为气室 的压力 ， A 为上油室 的面 积 ， 为上 油 窒压 力 ， A 为 下 油室 的 面积 ， 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_ 3 ] ， 气室 内气体的体 积 变 化 如 F △ 一 s X 一 x ． 1 其中 x 为气室中气体的位移 。 上油室油液体积变化为 △ A x 一 X． 2 下油室中油液体积变化为 AV1．_ Ax X 一 x． 3 根 据关 系式 △ F一 △ △VL ． 4 得 到 X 一 a r ， i X ． 5 将气室内的气体视为理想气体 ， 根据理想气体状 态方 程得 出 j b S H 一 声 1 S n H 。 一 X ” 6 其中 为气体的多变指数。 由式 6 得 到 ． 7 令 一￡ ， 再将式 5 代入式 7 ， 可得 ‘ I 、 南 ‘ 8 气 室 的负载 为 q pq S q 9 对式 9 求 导可 得到 油气 弹簧 的刚 度 K 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 3 0 ；修订 日期 2 0 1 5 1 1 2 8 作者简介 王家宝 1 9 8 9 ～ ，男 ，黑龙江七 台河人 ，在读硕 士研究生 ，研究方 向锻压设备理论与控制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年 第 1期 王 家宝 ， 等 油气弹簧 刚度特性及 影响 因素分析 1 O 1 K 一 d F 一 __ n pq Sq ㈣ 通过式 1 0 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 。 气 室 杆 内 下腔 压 图 1 油气弹簧 结构 简图 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 。 表 1 油 气弹簧的初始参数 参数 数值 气室 的初 始压力 P MP a 5 气 室的初始高度 Ho ram 1 O O 活塞杆的外径 d i ram 5 8 活塞杆的 内径 d o ram 5 0 气体 的多 变指数 ” 1 ． 3 3 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 X ￡ As i n 2 r t f t． 其中 A 为振幅； t 为时间 ； f为信号频率 。 根据 建立 的刚度模 型用 MATL AB ／ S i mu l i n k进 行模拟， 选取激励信号参数 A一3 0 mm， ． 厂 一0 ． 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。 、 置 ● 弓 { 醚 甚 位移／ n 圈 2 油气 弹簧刚度 曲线 3 ． 1 气 室初 始 压 力对 刚度 的影 响 改 变 初 始压 力 分别 为 4 MP a 、 5 MP a 、 6 MP a ， 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 1 0 0 mm、 1 5 0 mm、 2 0 0 mm， 其余条件不变 ， 得到的结果如图 4所示 。 昌 ● 弓 { 醚 匠 位移x ／ n 图 3 气 室初 始压 力对 刚度的影响 曲线 昌 ● 弓 最 位移 ／ n 圈 4 气 室初 始高度对刚度的影响 曲线 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 缸简 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 5 0 mm、 6 0 mm、 7 0 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。 昌 ● 弓 星 位移／ n 图 5 活塞杆 内径 对刚度的影响 曲线 3 ． 4 活塞杆 壁厚 对 刚度 的影 响 保 持活 塞杆 内径 5 0 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 5 8 mm、 6 2 mm、 6 6 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 O 1 6年 第 1期 位移的增加 冈 4 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。 昌 ● 弓 甚 位移x ／ m 图 6 活 塞杆壁厚对 刚度 的影响 曲线 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 。 参考文献 [ 1 ] 孙 涛， 喻凡 ， 邹 游． 工程车 辆油气 悬架非 线性 的建模 与仿 真研究 E J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 5 ， 1 7 1 2 1 0 2 1 3 ． E 2 ] 董 明明 ， 孟红芹． 油气 弹簧 刚度 和阻尼特性及 其影响 因素 仿 真分 析[ J ] ． 车辆与动力技术 ， 2 0 1 3 2 4 8 ． [ 3 ] 封士彩 ， 王国彪． 工程 车辆 油气悬架新 型数学模 型[ J ] ． 矿 山 机 械 ， 2 0 0 1 2 2 1 2 3 ． E 4 3 阮春红 ， 左军 ， 曹树 平． 重型越 野车 油气 弹簧 的结 构设计 与静特性分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 1 1 3 2 3 3 ． [ 5 ] 王洪艺． 车用油气 弹簧 的设计 、 仿真与 分析 [ D ] ． 长春 长 春 理 工 大 学 ， 2 0 1 3 3 2 3 4 ． S i m u l a t i o n o f S t i f f n e s s Ch a r a c t e r i s t i c s o f Hy dr o pn e u m a t i c S p r i n g a nd Ana l y s i s o f I nf l u e n c i n g Fa c t o r s W ANG J i a - b a o ，L EI Ba - f a n g Sc h o o l o f M a t e r i a l Sc i e nc e a nd En g i ne e r i n g， Ta i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta iyu a n 0 3 0 0 2 4，Chi n a Ab s t r a c t Th e h y d r o p n e u ma t i c s p r i n g i s wi d e l y u s e d i n a l l k i n d s o f v e h i c l e s ．I n t h i s a r t i c l e ，b a s e d o n t h e s t r u c t u r e o f a h y d r o - p n e u ma t i c s p r i ng i n a f l a t wa g on，t h e ma t h e ma t i c a 1 mod e 1 of t he s pr i ng s t i f f ne s s i s s e t u p，a nd t h e i nf l ue n c e s of v ar i ou s s t r uc t u r a l p a r a me t e r s On t h e h y d r o p n e u ma t i c s t i f f n e s s a r e s t u d i e d b y u s e o f MA TL AB／ S i mu l i n k ，i n o r d e r t O p r o v id e g u i d a n c e f o r o p t i mi z i n g t h e h y d r o - p n e u ma t i c s p r i n g p e r f o r ma nc e ． Ke y wo r d shy dr o p ne umat i c s pr i n g；s t i [ f n e s s c ha r ac t e r i s t i c s；s i m u l a t i o n a n a l y s i s 上接 第 9 9页 其运行速度相对平稳 ， 故取安全系数 n s 1 ． 5 ， 由此可得 ． 0 [ 许用应力[ c r ] 一 一2 3 0 MP a 。显然 1 6 5 ． 1 1 MP a 1J 2 3 0 a ， 在 材 料 的许 用 应 力 范 围 内 ， 说 明强 度 足 够 。 罐体最大变形均小于允许变形量 6 mm ， 符合正常预 期 。 5 结束语 本文采用 UG参数化设 计方法建立罐体 几何 模 型 ， 并 以 I GE S格式 导 入 到 ANS Y S Wo r k b e n c h中进 行有 限元分析 ， 通过对罐体在满载 、 制动 、 卸料 3种工 况的静力学分析可 以得到罐体最大变形 和受力部位， 并校核其强度 。结果表明， 当前设计 的罐体强度、 刚度 足够 ， 为其结构改进和优化提供了理论依据。 参 考 文 献 [ 1 ] 张国忠 ， 王福 良， 周淑文 ， 等． 现代混凝 土搅 拌输送车 及应 用[ M] ． 北京 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 周旋 ， 马力． 基于 UG的混凝 土搅拌运输 车搅拌罐螺 旋线 参数化设计[ J ] ． 专用汽车 ， 2 0 0 6 1 2 8 3 0 ． I- 3 ] 裴 志 军． 混 凝 土 搅拌 车 搅拌 筒 叶 片螺 旋 线 的设 计 研 究 [ J ] ． 建筑机械化 ， 2 0 1 4 4 5 0 5 1 ． I- 4 ] 高耀 东 ， 宿福存 ， 李震 ， 等． ANS YS Wo r k b e n c h机械 工程 应用精华 3 O例[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 3 ． [ 5 ] 李冬梅． 低塌落度 混凝土搅 拌运 输车罐 体及 叶片设 计与 研究 I D ] ． 天津 天津大学 ， 2 0 0 5 5 - 1 5 ． [ 6 ] 孙运其 ， 寸立岗 ， 柳彦虎 ， 等． 新 型轨道式混凝 土搅拌车搅 拌筒 有 限元 分 析 与 优 化 设 计 [ J ] ． 矿 山 机 械 ， 2 0 1 4 ， 4 2 1 0 1 3 - 1 6 ． [ 7 ] 严仁 军， 邝吴． 搅拌筒结构有 限元分析 和 比较F J ] ． 建筑机 械技 术与管理 ， 2 0 0 4 4 5 9 6 1 ． W 0 r kb e n c h b a s e d Fi ni t e El e m e n t An a l y s i s 0 f Co n c r e t e - m i x e r Tt u c k Ta n k LI Ti n g - t i n g 。C AO J i n g - b i n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，I n n e r Mo n go l i a Uni v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，B a o t o u 0 1 4 0 1 0，Ch i n a；2 ． J in a n Qi n g q i S u z u k i Mo t o r c y c l e Co ．。Lt d ．，J i n a n 2 5 O 1 0 1，Ch i n a Ab s t r a c tThe mo de 1 o f t he c y l i n de r a nd bl a de s of a c on c r e t e mi x e r t r uc k i s e s t ab l i s h e d b y UG p ar a me t e r i z e d mo de l i n g，a nd t he n t h e t a n k mo de l i s i mp or t e d i nt o t he f i ni t e e l e me nt a na l ys i s s o f t wa r e ANSYS W or kb e nc h． The s i mpl i f i e d mo de l i s o f s he l l e l e me nt s a nd s ol i d e l e me nt s，t he c on t a c t i s s e t by us i n g t he M PC me t ho d．The f i ni t e e l e me nt an a l y s i s i s c on duc t e d un de r di f f e r e nt c on di t i on s，t h e c o r r e s p o n d i n g s t r e s s s t r a i n a n a l y s i s r e s u l t s a r e o b t a i n e d ．Th e a n a l y s i s o f t h e s t r e n g t h a n d s t i f f n e s s o f t a n k p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f or f ur t h e r d e s i gn op t i mi z a t i on of t a nk． Ke y wo r d s c o n c r e t e mi x e r t r u c k；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ；W o r k b e n c h 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m