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油气悬挂缸的力学特性数学模型构建方法于子良;杨珏;马源;殷玉明;SUBHASH Rakheja【摘要】研究单气室油气接触式悬挂系统的输出力学特性,讨论其数学模型的建立方法.通过建立3个子系统的数学模型,包括气体部分状态模型、油液流经缝隙及小孔的节流方程模型、摩擦力模型,建立较完整的数学模型.以实验数据为基础,分析油气混合过程对气体压力的影响,建立考虑油液弹性的油液压力计算模型.采用参数识别的方式研究摩擦力模型.研究结果表明:在持续激励条件下,气体在油液中的溶解和析出过程对气体状态影响并不显著;考虑油液弹性的模型,能够更准确地反映悬挂缸在较高频率激励条件下油液压力变化过程;摩擦力模型是构成悬挂缸输出力模型的重要组成部分.由所建立的力学输出模型获得的结果与实验结果相吻合,说明所建立的力学输出模型能够正确表征此类悬挂缸的力学特性.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(050)006【总页数】7页(P1357-1363)【关键词】油气悬挂;油液弹性;摩擦力模型【作者】于子良;杨珏;马源;殷玉明;SUBHASH Rakheja【作者单位】北京科技大学机械工程学院,北京,100083;中车工业研究院有限公司,北京,100070;北京科技大学机械工程学院,北京,100083;北京科技大学机械工程学院,北京,100083;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州,310023;康考迪亚大学机械与工业工程系,蒙特利尔,H3G1M8【正文语种】中文【中图分类】TD403油气悬挂是一种广泛应用于煤炭矿山运输车辆上的减振部件。
油气悬挂利用气体的弹性与油液流经节流口的阻尼效应以及摩擦力构成其非线性特性。
基于经典的气体状态方程和小孔节流公式可以建立基本的油气悬挂力学模型。
经典的小孔节流公式根据小孔两侧压力差的变化计算油液流量的变化，本质上是一种差分方程，因此，经典小孔节流公式为基础的油气悬挂力学模型是一种差分模型。
油气悬挂技术研究现状及原理介绍摘要：本文介绍了国内外在油气悬挂领域的研究现状，指出了目前国内技术水平与国外先进技术水平的差距。
详细论述了单气室油气悬挂系统的工作原理，并分析了油气悬挂结构参数对性能的影响规律，为油气悬挂结构设计提供了参考。
最后提出了今后国内在油气悬挂技术领域的研究方式和思路。
关键词：油气悬挂；工作原理；结构参数1 概述油气悬挂以气体（一般为惰性气体氮）作为弹性介质，而用油液作为传力介质。
它一般是由气体弹簧和相当于液力减震器的液压缸组成。
与传统悬挂相比，它具有良好的非线性刚度特性和非线性阻尼特性，能够最大限度满足车辆的平顺性要求。
同时储能比很大约为330000Nm/kg(以6Mpa氮气充气压力为例)，重量比钢板弹簧轻50%，比扭杆弹簧轻20%，从而使它拥有了广阔的发展前景。
2 国内外研究现状[1]油气悬挂技术始于20世纪60年代后期Karnopp发明的油气减震器，它最先应用在德国和日本的重型车辆上，以后逐步推广应用到军用特种车辆及工程车辆上。
20世纪80年代，国外出现大量有关油气悬挂方面的发明专利，说明国外对油气悬挂技术的应用早已进入成熟阶段。
在理论方面，国外定性定量的研究工作已经开展得比较全面，对于如何进行结构参数的设计以及结构参数的变化如何影响油气悬挂的性能，应该说都有较好的研究成果，但由于涉及结构设计的关键环节，属于企业核心技术，所以很难看到相关的资料。
国内在油气悬挂技术研究方面起步较晚，直到80年代初期才真正有实际产品出现。
1984年上海重型汽车制造厂通过参考美国样机设计的油气悬挂应用到该厂的SH380、SH382矿用自卸车上，但使用效果较差；1992年徐州工程机械集团有限公司从德国利勃海尔公司引进了LTM1025、LTM1032、LTM1050全地面起重机，促进了油气悬挂技术的推广应用。
随后一些高校也开始进行油气悬挂技术的研究，北京理工大学、同济大学、大连理工大学、浙江大学、吉林大学等都从不同角度对油气悬挂进行研究分析。
越野车油气悬架的建模与试验研究
佚名
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2015(000)008
【摘要】在考虑沿程压力损失、局部压力损失和活塞杆与密封装置间的动摩擦等情况下，建立了某越野车用油气悬架非线性模型。
通过仿真，研究阻尼阀系的参数对油气悬架阻尼特性的影响。
结果表明，在其他参数不变的情况下，可通过更换具有不同锥角的阀芯，方便地获得不同的阻尼特性。
仿真结果与试验数据基本吻合，验证了所建油气悬架数学模型的正确性。
【总页数】5页(P936-940)
【正文语种】中文
【相关文献】
1.多轴越野车辆油气悬架系统参数仿真 [J], 于英
2.基于油气悬架的越野车辆三级阻尼可调技术研究 [J], 韩军堂;杨杰;马家林
3.浅谈越野车油气悬架设计与开发 [J], 吕洪剑;宋志远
4.全地形越野车辆油气悬架分析和跌落冲击试验研究 [J], 毕斌;李海龙;杨增杰
5.惯容式油气悬架力学建模和试验研究 [J], 杜甫;陈轶杰;万义强;聂维;徐梦岩
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基于MATLAB的汽车悬架仿真研究汽车悬架系统是车辆重要的组成部分之一，对于车辆的操控性能和乘坐舒适性有着重要的影响。
因此，研究和优化汽车悬架系统是提高车辆性能和安全性的重要途径之一、本文将基于MATLAB平台，进行汽车悬架系统的仿真研究。
首先，我们需要建立一个适合于汽车悬架系统仿真的数学模型，用于描述悬架系统的动力学特性。
一般情况下，我们可以将汽车悬架系统简化为质点模型，即将悬架系统抽象为质点在垂直方向上的运动。
然后，可以采用多体动力学的方法，建立基于质点模型的数学方程。
基于质点模型的数学方程可以使用MATLAB进行求解。
首先，需要定义汽车悬架系统的参数，包括悬架刚度、阻尼系数、质量以及悬架系统的几何参数等。
然后，可以通过MATLAB中的ODE45函数来求解悬架系统的动力学方程。
ODE45函数是一种常用的求解常微分方程组的数值方法，可以计算出质点的运动轨迹和关键参数，如振动频率、振幅等。
通过悬架系统的仿真研究，我们可以得到一些有关于汽车悬架系统性能的重要信息。
例如，可以分析质点在不同路面条件下的运动特性，进而评估悬架系统对激励的响应能力和减震效果。
同时，也可以研究不同悬架参数对悬架系统性能的影响，例如刚度、阻尼系数、质量等。
通过调整悬架参数，可以优化悬架系统的性能。
此外，也可以进行不同悬架系统的对比研究。
例如，可以对比传统悬架系统和主动悬架系统的性能差异。
主动悬架系统可以根据路况调整悬架刚度和阻尼系数，以提供更好的悬架系统性能。
通过与传统悬架系统的对比研究，可以评估主动悬架系统的优势和应用前景。
总的来说，基于MATLAB的汽车悬架仿真研究可以提供有关汽车悬架系统性能和优化方案的重要信息。
通过这些仿真研究，可以提高汽车悬架系统的性能和安全性，提升车辆的乘坐舒适性和操控性能。
除此之外，可以应用这些研究成果，为汽车悬架系统的设计和优化提供理论和方法支持。
乘用车悬架系统极限载荷虚拟台架试验方法研究与应用乘用车悬架系统极限载荷虚拟台架试验方法研究与应用随着汽车行业的发展，乘用车的悬架系统已经成为整个车辆性能重要的组成部分之一。
悬架系统主要起到对车身的支撑作用，同时对车辆的行驶稳定性等方面有着极大的影响，因此，如何对悬架系统进行有效的测试已经成为行业内部的重要研究方向之一。
其中，极限载荷是悬架系统测试中的一个非常重要的指标之一。
本文旨在介绍一种基于虚拟台架的悬架系统极限载荷测试方法，并探讨其应用。
一、极限载荷测试的意义极限载荷是指在悬架系统限定的条件下，车辆所能承受的最大载荷。
在实际行驶中，汽车承担着各种不同的载荷。
而极限载荷则是衡量汽车承受重量的考量标准，其影响着车辆的耐久性、安全性等要素。
针对不同类型的车辆，如汽油车、电动车等，其极限载荷指标也有差异，因此，悬架系统的极限载荷测试能够帮助车辆厂家和相关单位对车辆的质量进行有效的监测与控制。
二、虚拟台架试验方法的原理虚拟台架试验是一种基于计算机仿真技术的测试方法。
其基本原理是利用电脑模型创建一个虚拟的测试场景，并将其应用于实际悬架系统测试中。
这种方法具备时间、空间、经济等多种优势，能够大大节约测试成本，缩短测试时间，并提高测试的准确度和精度。
三、虚拟台架试验方法的应用在进行虚拟台架试验前，需要先通过计算机仿真技术建立一个包含悬架系统组成部分的电脑模型。
其次，根据仿真结果，可以对模型进行一些必要的修改和调整，以便模拟出现实情况。
在进行试验时，利用电脑模型对悬架系统进行载荷的模拟测试。
通过测试结果，可以得出悬架系统在不同载荷情况下的应力和变形情况，并且可以提供悬架系统的优化方案。
四、结论在当前汽车行业发展中，虚拟台架试验方法已经成为汽车测试的一个重要环节。
在悬架系统任务中，通过虚拟台架试验方法能够有效的监测悬架系统承重性能，对悬架系统的优化及提升有着至关重要的作用。
五、虚拟台架试验方法的优势虚拟台架试验方法相较于传统的实验验证方法具有以下优势：1.成本节约。
工程车辆油气悬架系统仿真及其动态特性分析曹培雷;刘卫华;王吉龙【摘要】This paper established a relatively precise mathematical model of hydro-pneumatic suspension. And though building the system model of which by the AMESIM software, the dynamic response of a road sinusoidal ex-citation is analyzed. Besides, though the comparative analysis of the dynamic response on the single parameter change, the effects of the parameter on performance of the suspension are researched and the dynamic characteristics and related performance of the hydro-pneumatic suspension are also researched deeply.%建立了相对精准的油气悬架数学模型；通过AMESim仿真软件建立油气悬架系统仿真模型，分析了车辆在正弦路面激励下油气悬挂系统的动态响应；通过单一参数变化下系统动态响应对比分析，研究了各参数对悬架性能的影响，并深入地研究了工程车辆油气悬架系统的动态特性及相关性能。
【期刊名称】《流体传动与控制》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P13-16)【关键词】工程车辆;油气悬架;仿真;动态分析【作者】曹培雷;刘卫华;王吉龙【作者单位】徐州重型机械有限公司江苏徐州 221004;徐州重型机械有限公司江苏徐州 221004;徐州重型机械有限公司江苏徐州 221004【正文语种】中文【中图分类】TH137油气悬架具有承载能力强、体积小和优异的动力学性能等，能够满足在各种工况下重型车辆对悬架系统的性能要求，故油气悬架系统用于公路车辆，它的非线性、可变悬架刚度特征，能够保证车辆具有良好行驶平顺性，在凹凸不平的路面行驶时，可以明显减少冲击，改善行驶性能。
单气室油气悬架的建模、仿真及试验研究
作者：中国矿业大学 张义 徐茂峰 江晓红
油气悬架技术始于上世纪60年代特·卡尔朋发明的
油气悬挂，与传统的悬架(钢板弹簧式)相比具有单位
储能比大、刚度阻尼的非线性、结构紧凑、控制方便等优点，在国外的工程车辆及特种车辆上获得了广泛应用。自上世纪80年代以来在我国的一
些工程车辆上开始引进该项技术，随后我国的一些研究人员对此项技术开始了研究，并取得了一些成果。但仍有以下问题：[1] [2] [3]
(1)设计油气悬架时，迄今尚未有简单易行的计算公式以供工程设计人员在设计和校核时选择和使用。
(2)目前已经开展的研究工作大都停留在理论上，仿真较多，试验较少。
(3)目前国内进行的研究工作都是针对某一车型(引进)的油气悬架所展开的，缺少对油气悬架的基础性、系统性研究。
鉴于以上问题，对油气悬架技术进行理论分析和试验研究是适时和有必要的，本文以最基本的单气室油气分离式油气悬架为研究对象，对其进行
理论建模及试验研究，以期揭示油气悬架的基本特性。
1 单气室油气悬架的工作原理
图1为单气室油气分离式油气悬架的结构原理图。整个悬架缸内部形成3个腔，即悬架缸无杆腔(Ⅰ腔)；悬架缸有杆腔(Ⅱ腔)；活塞杆的内壁形成
的空腔——中心腔。活塞杆及活塞组件2上设有单向阀3和阻尼孔4使中心腔与Ⅱ腔相连通。当悬架处在压缩行程(活塞杆向上运动)时，Ⅰ腔和
中心腔的油液受到压缩向两个方向运动，一部分油液经过单向阀3和阻尼孔4流入Ⅱ腔；另一部分油液进入蓄能器，使气室容积减小，氮气压力
升高。在这一过程中由于单向阀3和阻尼孔4同时使中心腔与Ⅱ腔连通，油液流经单向阀3和阻尼孔4的流速较低，产生的油液阻尼力比较小，
因此主要由蓄能器内的气体受到压缩产生弹性作用来抑制活塞杆的向上运动，相当于传统悬架系统的弹性原件——弹簧。
当悬架处于伸张行程(活塞杆向下运动)时，单向阀3处于关闭状态，Ⅱ腔的油液受到压缩，迫使Ⅱ腔的油液通过阻尼孔4向中心腔流动。油液只
经过阻尼孔流动，流速较高，产生较大的阻尼力，抑制了活塞杆的向下运动，从而迅速地衰减振动，相当于传统悬架系统的阻尼元件——减振器。
2 单气室油气悬架的数学模型的建立
建立数学模型时遵循以下假设：
(1)流体流动为定常流动
(2)忽略温度变化对系统的影响
(3)忽略运动时的库仑摩擦力和粘性摩擦力
图2为单气室油气分离式油气悬架物理模型。
图中符号：
ｐ1、A1为无杆腔压力、截面积
V1为无杆腔和中心腔油液的总容积
ｐ2、A2、V2为有杆腔压力、截面积和总容积
ｐ3、V3为蓄能器内气体压力、容积
F 为悬架缸缸筒输出力，拉力为正，压力为负
ｘ为悬架缸活塞杆的位移，向下为正
假设悬架缸筒固定不动，活塞杆及活塞组件相对缸筒运动。
输出力方程：
F=ｐ2A2－ｐ1A1 (1)
流经阻尼孔和单向阀的总流量：
Ｑ=A2－ (2)
dV2=(3)
式中：dV2——Ⅱ腔内液体因油液压缩性而引起 的在时间dｔ内的体积变化量
Ｋ——油液的体积弹性模量
流经阻尼孔的流量：
Ｑ1=CdA01ｓiｇｎ()(4)
式中：Cd——流量系数
A01—— 阻尼孔的过流面积
ｓiｇｎ()=(5)
ρ——油液密度
流经单向阀的流量：
Ｑ2=CdA02ｓiｇｎ() (6)
式中：A02——单向阀的过流面积
对于蓄能器内气体有
ｐ3V3ｒ＝ｐ30V３０ｒ (7)
式中： ｐ30，V30蓄能器内气体初始压力和体积
ｒ——气体多变指数。对理想气体，在等 温过程时ｒ=1，绝热过程时ｒ=1.4。而实际气体的多变指数在绝热过程中可取到1.7[4]
V3=V30+(A1－A2)ｘ+ΔV1+ΔV2(8)
式中：ΔV1，ΔV2分别为大小腔内液体由于油液压缩引起的体积变化量且有：
ΔV１＝(9)
ΔV２＝ (10)
而对于大小腔液体有：
V1=V10+A2ｘ－ΔV1－ΔV2(11)
V2=V20－A2ｘ (12)
式中：V10 、 V20分别为大小腔液体初始体积
对于蓄能器出口有：
ｐ3－ｐ1=ξｐｓiｇｎ(13)
式中：ξ——压力损失系数
A3——蓄能器出口处油管断面积
Ｑ3——流经蓄能器管口的流量
Ｑ3=(A1－A2)(14)
式(1)～(14)即为单气室油气分离式油气悬架的非线性数学模型，想求出上述非线性方程组的解析解是不可能的，只有运用仿真解法求其数值解。
3 单气室油气悬架的试验研究
为验证以上数学模型的正确性，需对油气悬架进行台架试验。悬架的试验台架原理可参考文献4。
本文的试验设备是徐州工程机械集团有限公司技术中心结构振动疲劳试验室的整车道路模拟试验台。整套设备和仪器是德国卡尔申克公司生产的
多轴激励电液伺服试验系统。该套设备可实时产生正弦波、随机波等各种幅值和频率的信号，作为驱动信号。试验台采用S59 数字控制设备和
VAX工作站进行控制和记录， 是专门进行油气悬架试验研究的高精尖设备[5]。
试验中采用标准正弦信号作为激励信号，具体参数见表1，通过工作站记录输出信号。
4 试验与仿真结果的比较
以液压缸参数作为输入参数，应用MATLAB软件进行仿真。模型中参数选取见表2。
由于篇幅所限本文仅给出频率ｆ=0.5，1.67，5 Hz，幅值A=20 mm时的试验数据与仿真结果的对比图(见图3，4，5)。
5 结论
(1)油气弹簧悬架试验数据与仿真结果基本吻合，说明所建立的油气弹簧悬架的非线性数学模型是基本正确的，可以用该模型进行油气悬架的特性
仿真。
(2)在低频激励时，试验数据在速度为零处有明显的的突变，突变值约为3 000 N，与仿真结果相比有明显的误差。经分析，主要原因为数学模型
中没有考虑液压缸的静摩擦力。据文献6的研究，此种典型减振器的静态摩擦力为500~5 000 N，由于本试验所用液压缸为新液压缸，故静态摩
擦力值应较大，这从图3中可以较清楚地看出。而在高频激励时，液压缸处于震颤状态，静态摩擦力很小，此时液压缸输出力很大，相对误差较
小，因而在图上看不出明显的突变。
(3)在高频激励时仿真的特性曲线与试验数据在走势上有一定的误差，经分析，其原因为所建立的数学模型中没有考虑液压系统的温升。但从比较
图中可以看出，误差较小，对于一般的理论分析与工程应用，所建立的数学模型已经能满足精度要求。
参考文献
1 吴仁智. 油气悬架系统动力学建模仿真和试验研究： 〔博士学位论文〕. 浙江大学，2000
2 赵春明. 油气悬架系统动力学理论及其相关控制技术研究：〔博士学位论文〕. 大连理工大学，1998
3 王国丽等. 车辆主动悬架技术的现状和发展趋势. 兵工学报，2000，(8)增刊
4 封士彩. CXP1032汽车起重机油气悬挂系统减振性能的研究：〔硕士学位论文〕. 中国矿业大学，2000
5 张义. 油气弹簧悬架的数学建模、仿真及试验研究： 〔硕士学位论文〕. 中国矿业大学，2003
6 Stefaan W.R DUYM. Simulation Tools modeling and Identification for an automotive Shock Absorber in the Context of Vehicle Dynamics.
Vehicle System Dynamics, 33(2000)(end)
