第 1 章 绪论
1.1 课题概述
随着我国汽车产业的不断发展与成熟，人们对汽车行驶平顺性、操控稳定性、承载能力及乘适性有了更高的期望。车辆悬挂系统作为连接汽车车架或车桥与车轮之间支撑重量、吸收和消除振动及帮助维持轮胎与地面接触的装置，其作用是传递轮胎与车体间的作用力或力矩，缓冲由颠簸路况引起并传递给车辆的冲击，控制因为车辆加减速、转向过程中造成的车身纵倾、侧倾而引起的车身姿态变化，衰减由此引起的振动，确保汽车拥有优异的行驶平顺性及驾驶员的舒适性和货品的完整。典型的车辆悬挂系统的基础部件主要由弹簧、减振器（减振支柱）构成：弹簧一般由刚度固定的螺旋弹簧或板簧构成，其主要作用是利用弹簧的变形来承载整车的质量，同时缓冲振动、吸收或释放由于车轮上下颠簸产生的能量；减振器通过阻尼过程来控制不希望发生的弹簧运动，缓冲振动同时吸收并耗散车轮颠簸产生的能量，避免车身以不可控制的速率按其自身频率往复振动，通过将悬架运动的动能转换成可通过液压油或其他介质耗散的热能，来削弱振动运动的强度。悬架系统也与轮胎的附着力及操控等性能相关。传统的悬架系统为固定的机械结构，弹簧的刚度和阻尼的设定皆为固定形式，虽然理论成熟、构成简单、性能稳定，但是理论上只能在特定的载荷和特定的路面条件下才能达到较好的操控性[1]，对于道路条件和装载条件较为恶劣的情况无法兼顾。如较小的弹簧刚度和较小的阻尼的较“软”悬挂设定，会产生较好的行驶平顺性，但在加减速和转向工况中又会产生过大的车身纵倾、侧倾，同时在汽车负载增加或减少时，会产生过大的车身姿态变化；而采用较大的弹簧刚度和较大的阻尼的较“硬”悬挂设定，虽然在汽车加减速和转向工况及负载变化的情况中能控制过大的车身姿态变化，获得了较好的操控稳定性，但舒适性较差，同时过于颠簸直接影响驾乘者的乘坐舒适性和货物的完好程度，且车辆轮胎对路面长期的冲击也容易损坏路面。
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1.2 油气减振支柱系统的简述
油气减振支柱系统主要由具有阻尼装置的液压缸和气体蓄能装置（内置或外置）构成，由于以惰性气体作为弹性介质，因而具有优于弹簧减震器的非线性刚度特性[4]。油气减振支柱在压缩、回弹行程中，油液往复运动传递弹性力，当油液流经活塞上的阻尼装置时，将产生有效的阻尼力衰减振动；而蓄能器中高压惰性气体作为弹性元件，减少了减振支柱总成的质量，可比板簧轻 50%，比扭簧减少 20%[5]。
1.2.1 油气减振支柱的分类
经过近 70 年的发展，已经有各种结构形式的油气减振支柱应用于载重货车、重型工程机械及军用装甲车等多个领域。油气减振支柱的分类有很多种方法[6]：1、 按气腔的布置方式分类，可以分为外置气腔式油气减振支柱和集成式油气减振支柱：外置气腔式油气减振支柱如图 1.1（a）所示，将蓄能器（高压气囊）通过刚性管路连接液压缸，结构简单，方便拆卸，但由于其有效工作面积较小导致气腔工作压力较大，稳定性较差；混合式油气减振支柱如图 1.1（b）所示，通过在油腔中直接注入惰性气体，起到内置气体弹簧的作用，但由于气体在油气减振支柱工作中容易溶解于油液中使油气减振支柱的性能不稳定；集成式油气减振支柱如图 1.1（c）所示，将蓄能器集成于油气减振支柱的液压油缸中，液压油与惰性气体相互隔离，集成式油气减振支柱能增大气腔的有效工作面积，可有效降低气腔工作压力，但不易拆卸和维护[7]。
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第 2 章 单气室油气减振支柱的测试与分析
2.1 概述
油气减振支柱的基本原理同传统减振器相似，通过液压缸内的液压油为介质传递因为路面不平对车辆产生的作用力以及减振支柱产生的反作用力，油液往复流经阻尼孔产生阻尼力。而油气减振支柱的核心部件——气体弹簧，以惰性气体为弹性元件。由于气体弹簧的非线性刚度特性，可通过设计适宜的初始充气压力及气腔体积，满足不同的载重能力要求，同时，可使车辆在较宽的载荷变化范围内维持偏频稳定[50]。集成式油气减振支柱的概念最先由 Rakheja[7]提出，杨磊[47]建立了的理想情况下单气室油气减振支柱数学模型，为验证单气室油气减振支柱的简化数学模型[7]建模方法的正确性，根据已有的单气室结构的相关基本参数设计、加工单气室油气减振支柱样件，运用 MTS-849 台架实验系统和 MTS-Flex Test60 控制器协同 NI 数据采集系统和 Labview 软件搭建 5 通道数据采集系统，通过《振动与冲击隔离器性能测试方法》（GB/T15168-1994）的相关方法和规范制定相应的实验计划和规范，通过采集相关信号参数用以测试并分析减振支柱样件的非线性刚度及阻尼特性，同时与单气室结构的数学模型进行对比分析。验证单气室油气减振支柱数学模型建模方法的准确性。
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2.2 集成式单气室油气减振支柱样品总体尺寸设计
图 2.1 即为集成式油气减振支柱的结构，根据集成式油气减振支柱的相关技术要求，计算出单气室集成式油气减振支柱各腔室的几何参数，包括气腔直径、高度、初始充气压力，油腔尺寸、充油量等参数。同时针对浮动活塞和大活塞设计相应的油-气密封结构和油-油密封结构，设计气腔充气结构和油腔充油结构和测试安装边，并对各腔室设置传感器安装孔方便收集测试数据。本文通过设计静平衡负载能力为 200kg（即承载 200kg 载荷时减振支柱处于 1/3-1/2 行程位置处）的实验样品，通过计算如壁厚、活塞杆长度、密封部件参数等，同时设计上、下连接法兰用以连接实验设备同时设计气体及液压油的充入结构、阻尼孔及相关油-气密封结构，在保证油-气密封性能的前提下尽可能减小浮动活塞在往复运动过程中的摩擦力。
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第 3 章 双气室油气减振支柱的理论模型的建立.............40
3.1 概述.............40
3.2 集成式双气室油气减振支柱的工作原理.......40
3.3 油液的压缩特性推导............42
3.4 集成式双气室油气减振支柱数学模型的推导........44
3.5 集成式双气室油气减振支柱刚度特性及阻尼特性公式推导...........54
3.6 集成式双气室油气减振支柱静平衡位置参数推导.........56
3.7 本章小节.....57
第 4 章 双气室油气减振支柱特性的模拟与仿真分析.....59
4.1 概述.............59
4.2 油气减振支柱仿真模型的建立.....59
4.3 仿真结果的分析和对比与模型验证......62
4.4 油气减振支柱刚度特性分析.........71
4.5 油气减振支柱阻尼特性仿真和分析......75
4.6 结构参数对双气室油气减振支柱动态特性的影响总结..........78
4.7 单、双气室油气减振支柱动态特性的仿真与对比.........79
4.8 本章小结.....81
第 5 章 结论与展望.......84
5.1 研究工作总结......84
5.2 主要创新内容......85
5.3 继续研究方向及展望............85
第 4 章 双气室油气减振支柱特性的模拟与仿真分析
4.1 概述
在上一章中建立了双气室油气减振支柱的物理模型，为验证数学模型的正确性，同时分析双气室油气减振支柱的非线性刚度特性及输出特性，可应用计算机仿真技术建立虚拟模型，不仅可以高效的展示结构系统的动力学、运动学等特性，同时软件可以通过可视化界面方便快捷地构建各种图像曲线，可极大的缩短模型建立的时间，提升了设计效率。为着重分析双气室油气减振支柱的弹性力特性，本章应用第三章推导而出双气室油气减振支柱的数学模型，应用 MATLAB 软件建立无摩擦力情况下的油气减振支柱的 MATLAB/Simulink 模型，同时应用 MSC/ADAMS 软件建立无摩擦力情况下的 ADAMS 虚拟样机模型。通过对比分析模拟结果，验证无摩擦力的数学模型的准确性，同时为下一阶段的单、双气室油气减振支柱动态输出力特性的对比提供理论模型基础。同时本章在验证 MATLAB/Simulink 数学模型及 ADAMS 虚拟样机模型的正确性的前提下，通过分析不同位移激励情况下油气减振支柱的位移特性和速度特性分析其动态特性，同时分析初始充气压力差异等条件和阻尼孔直径等结构参数等对油气减振支柱的工作特性的影响。最后通过单、双气室油气减振支柱的虚拟样机模型对比分析了不同结构的承载性能。
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总结
油气减振支柱作为一种介于主动悬挂和被动悬挂之间的新型结构，在拥有相对紧凑的结构的前提下，拥有非线性的刚度及阻尼特性，对改善车辆的乘适性、承载能力、平顺性、安全性等多方面具有广阔的应用前景。因此，在今后的很长一段时间内，油气减振支柱及其特性的研究工作都将是减振支柱系统探究领域的重点之一。本文根据学者 S. Rakheja[48]和杨帆[47]等人提出的集成式油气减振支柱的概念，以及华侨大学的杨磊[47]所建立的单气室油气减振支柱简化模型的基础上通过设计单气室油气减振支柱的样件并应用 MTS849 台架实验平台完成了油气减振支柱样品的试验，通过数据分析验证油气减振支柱理论模型的正确性并进一步优化了油气减振支柱的数学模型；并在单气室油气减振支柱的基础上建立了双气室油气减振支柱的 MATLAB/Simulink 数学模型和 ADAMS 虚拟样机模型，同时将摩擦力因素和油液的压缩性因素加入到油气减振支柱的数学模型中，分析了无摩擦力情况下的双气室油气减振支柱的承载特性、刚度特性和阻尼特性，验证了数学模型的准确性；同时对比分析单、双气室油气减振支柱在相同条件下的动态输出力，验证集成式油气减振支柱结构的高效性。本文主要的研究内容和结论如下：1、 本文在广泛查阅国内外相关文献资料的前提下，系统的分析了不同类型、结构的油气减振支柱的性能特点及油气减振支柱的主要研究方向和相关关键技术。2、 在已有的单气室油气减振支柱简化数学模型的基础上，加工样件并应用MTS849 台架实验平台对进行了动态特性测试，通过采集的各种数据对比单气室油气减振支柱的数学模型，分析了样品的动态特性，验证了集成式油气减振支柱理论的正确性，并通过加入摩擦力因素修正并提高了油气减振支柱数学模型的准确性。然而由于未能测定油液的压缩特性、气体的实际多方系数及实际摩擦力变化规律等原因，造成实验结果与数学模型有一定误差。
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参考文献（略）