油气悬挂系统特性.pdf

油气悬挂系统特性 吴永闯 游明琳 1三一汽车起重机械有限公 司研究院 长沙4 1 0 6 0 0 2贵 州师范大学机械 与电气工程 学院贵 阳5 5 0 0 0 1 摘要在分析油气悬挂系统机构形式及液压原理的基础上 ，运用机械振动理论，计算蓄能器的刚度，建 立悬挂液压缸位移、速度与载荷特性数学模型，并应用系统结构图进行等价分析，最后通过悬挂液压缸的速度 与负载变化分析悬挂系统的特性 ，得出相应的结论，为进一步研究油气悬挂系统提供理论依据。 关键词油气悬挂系统；特性；系统结构图 中图分类号U 4 6 3 ． 3 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 1 2 0 0 6 1 0 3 Ab s t r a c t Ba s e d o n a n a l y s i s o f t h e s t r u c t u r a ]t y p e a n d h y d r a u l i c p ri n c i p l e o f t h e o i l - g a s s u s p e n s i o n s y s t e m ，t h e p a p e r u s e s t h e me c h a n i c a l v i b r a t i o n t h e o t o c a l c u l a t e t h e r i g i d i t y of t h e e n e r g y a c c u mu l a t o r a n d d e v e l o p t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r d i s p l a c e me n t ，s p e e d，a n d l o a d c h a r a c t e ri s t i c s of t h e s u s p e n s i o n h y d r a u l i c c y l i n d e r ，p e r f o r ms e q u i v a l e n t a n a l y s i s o n t h e a p p l i c a t i o n s y s t e m s t r u c t u r a l d r a w i n g ，a n d d r a ws c o n c l u s i o n s b a s e d o n t h e c h a r a c t e ris t i c s o f t h e s u s p e n s i o n s y s t e m b y a n a l y z i n g t h e s p e e d a n d l o a d c h a n g e o f t h e s u s p e n s i o n h y d r a u l i c c y l i n d e r ，p r o v i d i n g t h e o r e t i c b a s i s for f u r t h e r s t u d y o f t h e o i l g a s s us pe ns i o n s y s t e m． Ke y wo r d s o i l g a s s u s p e n s i o n s y s t e m；c h a r a c t e ri s t i c s ；s y s t e m s t r u c t u r e d r a w i n g O 引言 1 油气悬挂系统蓄能器刚度计算 车辆在不平路 面行驶过程 中会激起 汽车的振 动 ，当这种振 动达到一定程度 时，将影 响驾驶 员 的驾驶环境。车轮 与路 面之 间 的动 载荷 ，不仅影 响轮胎的附着效果 ，而且影响车辆 的操纵稳定性。 悬挂系统是 车架 与车桥之间 的传力连 接装置 ，其 功用是把路 面作用 于车轮上 的垂直反力 、纵 向反 力和侧向反力 以及这些反力所 造成 的力矩传递到 车架上 ，以缓 和 由不 平 路 面 传 给 车身 的 冲击 载 荷 ，衰减 由冲击载 荷引起 的承载系统 的振动 。为 提高车辆运动的速度，改善驾驶员的驾驶环境 ， 以及适应各种路况 的要求 ，目前大型工程车辆底 盘多使用油气悬挂 系统。油气悬 挂系统性能 的好 坏 直 接 影 响 车 辆 的 通 过 能 力 、舒 适 性 和 平 』 顷性 。 油气悬挂系统以油液传递压力，用惰性气体 通常是氮气作为弹性介质，由蓄能器 相当于 气体弹簧 和具有减振器功能的悬挂液压缸组成。 本文 以通用油气悬挂 系统为例 ，分析悬挂液压缸 位移 、速度 与载荷 特性关系 ，并 通过建立悬挂 液 压缸的数学模型进行特性分析。 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 油气悬挂系统蓄能器 的初始充 气压力一般为 2 ． 06 ． 0 MP a ，其 工作原理见 图 l。从 图中可 以 看 出，油气悬挂就 是靠高压气体的弹性变形来 吸 收不平路面对车辆 的冲击。图 2所示为采用理想 气体模型分析蓄能器的工作状态。 e 。 a 未充气 b 充氮气达到预定压力 e 液压油储存 d 达到最大工作压力 ． e 排出液压油 f 降到最低工作压力 图 1 蓄能器工作原理图 一 61 a 充 气状 b 液压缸 中位时状态 C 液压缸液压油进入蓄能器后的状态 图2 蓄能器的工作状态 气体状态的变化规律符合理想气体状态方程 ] P 0 p p W 1 V 一△v o 乩 2 式中V o 、 、V分别 为压力 P o 、P B 、P对应 的气体体积， 为蓄能器的额定体积，△ u 为液 压油进入蓄能器体积，n为多变指数 。 由式 1 、式 2 得 P ／ V P [ V o ／ 一△V o L L ] n p 0 l_ 一 r 、 E P o ／ p 一 aV o u ／ ] 设蓄能器的横截 面积 ，则 蓄能器在液压 变 化方向上产生的力 F A ． p，设蓄能器内液压油液 面变化 ，则 A V o u A z ，综合上述可得 而 4 由式 4 得到蓄能器的刚度 誓 而 ㈩ a 3 由式 5 可得液压缸处于中位时蓄能器的刚度 d Z z o 警 “ 一 【 J P ㈩ 【 。J 2 油气悬挂系统载荷模型研究 建立理想的油气悬挂系统载荷模 型时作如下 设定 1 不考虑液压油的刚度 ，只考虑蓄能器的 气体刚度；2 阻尼孔是非线性的 ，但此处只作 为 线性要素考虑 ；3 仅考虑影响悬挂液压缸的主要 原因 ，分析研究其 频率 和相平面 图的形状。图 3 为悬挂液压缸速度与负荷及位移与负荷特性。 一 6 2 一 图 3 悬挂液压缸速度 与负荷及位 移与负荷 特性 根据图 3建立方程式 q h A h A z 7 A △ p h k z h 8 q A A z △ p 一卸 ／ R 9 A △ p k a z L 1 0 4 卸 A b △ p h 1 1 式中z 为无杆 腔蓄能器 内液压油液面变化 ， 为有杆腔蓄能器 内液压油液面变化 ，4 为蓄能 器的横截 面积，A 为液压缸无 杆腔 的横截 面积 ， A 为液压缸有杆腔 的横截 面积 ，△ p 为无 杆腔压 力变化量 ，卸 为有杆腔压力变化量 ， 为液压缸 行程 ， 为液压缸负载变化量，月为液阻值，卸 为无杆腔蓄能器的压力变化量 ，q 为蓄能器与有 杆腔之间的油液流量 ，g 为蓄能器与无杆腔之 间 的油液流量。 式 7 ～ 式 1 1 可以使用方块 图表示 ，即可 将 图 3等价变换为图 4所示的方块图。 图 4图 3的方框图 根据控 制工程原理 ，对图 4进行 简化 ，可得 其等价变换，如图5所示。 2 k【 似 一 AL ／ A ． 】 n Ll 。 图 5图 3的等价变换 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 二 I l f f 啦 舶 图 5中带入复变量 s j co，液压缸速度 王与载 荷变化 A f以及频率 CO的关系为 A Z L R 』 二 1 2 当频率 CO高时 ，式 1 2 中 与 的关系变 为 A f A 2L R，即等式的左右两边的数值越接近，三 与 的关系不再受频率的影响 ，两者变为直线关 系。这是因为频率越高与速度振幅 。 对应的位移 振 幅 X o f , o ／ w 越小 ，进 出蓄 能器 的液压 油量变 小 ，液压缸载荷由阻尼孔 R决定。 当频率 CO低时 ，由式 1 2 得 曼与 a f的关 系为 △ ， 二 3 一 丛 一 ， 一 1 n ， ． ‘ ⋯⋯ 一 蚴 J co Fo c o s cot 由 支s i n co t 、s i n 2 co c o s ∞ 1 可得 k A ／ A AL ／ A X ／ co『 - 1 [ 一 。 ] J 一 与 △ 厂的关系接近椭 圆，这是 因为频率越低 ， X。 s i n co t 的速度振幅 。 越小 ，通过阻尼的流 量越小 ，受 到阻尼孔的影 响消失 ，液压缸 的载荷 由通过蓄能器的液压油量决定 。 通过拉氏变换将式 互s 带入式 1 2 中，液 压缸的位移 与载荷变化 以及频率 co的关系为 R k [ A h ／ A 一 A ] 1 3 若频率 co降低 ，由式 1 3 得 与 的关系 r 越接近式 [ A 一 A L 。 ] ， 与 if- k ／ A ／ A a f 的关系与频率无关，变为直线关系。这是由于频 率降低 ，通过 阻尼的流量减小 ，受 到阻尼孔 的影 响随之消失 ，液压缸 的载荷 由通 过蓄能器 的液压 油量决定 。频率 co越高 ，由式 1 3 得 与 的 关系为 a f 戤 2L 肷 0 s i n co t 2 L c o s cotFo c o s cot 由 X o s i n co t 、s i n 。 co t c o s co t 1 可得 【 与 △ 厂的关系接近椭 圆。频率越高 ，位移振 幅 越小 ，进入蓄能器的液压油量变小 ，液压缸 的载荷 由阻尼孔 R决定 。 3 结论 1 在设计悬挂液压缸时，若 已经确定 了悬挂 液压缸的速度载荷特性 、位移载荷特性 ，把此悬 挂液压缸 的速度 载荷 特性 图 、位移载荷特性 图作 为制造悬挂液压缸的检查基准意义重大。 2 随着悬挂液压缸的频率变化 ，速度载荷特 性 、位移载荷特性 图的形 状会发生变化。本文 的 计算分析方法 为进一 步研究油气悬挂 系统提供 了 理论依据。 参考文献 [ 1 ]靳晓雄 ，张立军，江浩 ．汽车振动分析 [ M] ． 上海 同济大学出版社 ，2 0 0 2 [ 2 ]王守城 ，容一命 ．液压传动[ M] ．北京北京大学出 版社 ，2 0 0 6 ． [ 3 ]张义 民 ．机 械 振 动 [ M] ．北 京 清华 大 学 出 版 社 ．2 0 0 7 ． 作 著 吴永闯 地 址三一汽车起重机械有限公司研究院 邮．编 4 1 0 6 0 0 收稿 日期2 0 1 5 0 71 0 起重运输机械 2 0 1 5 1 2