油气悬架在全液压底盘上的应用与建模.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O1 4年 第 0 2期 油气悬架在全液压底盘上的应用与建模 田 勇 ． 田文朋 长安大学工程机械学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 摘 要 为克服传统的弹簧悬架系统线性 特性 的缺 点 ， 在全液压底盘上采用 先进 的油气悬架技术 。油气悬架 系统 具有 非线性的变刚度 特性 和变 阻尼特性 ． 有助于提高车辆 的平顺性 和稳定性 。 根据车辆工作要求 ， 对悬架系统进行部分参数计算 ， 为油气悬架 的设计提供理 论依 据。 根据双缸耦 连物理模 型， 建立刚度特性 和阻尼特性 的非线性数学模型 。 为油气悬架 的参数选择 和优化奠定基础 。 合理地选择油 气悬架系统的工作参数 。 将会进一步提高车辆 的平顺性 和稳定性 。 关键词 油气悬架 ； 刚度特性 ； 阻尼特性 ； 模型 中图分类号 T H 2 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 2 0 0 5 2 0 4 Ap p l i c a t i o n a nd M od e l i n g o f Hy d r o p ne u ma t i c S u s p e ns i o n f o r t he F u l l Hy d r a u l i c Ch a s s i s T I AN Yo n g， T I AN We n g - pe n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g Ma c h i n e r y ， C h a n g ’ a n U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 6 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o o v e r c o me t h e s h o r t c o mi n g s o f l i n e a r t r a i t o f t h e t r a d i t i o n a l s p ri n g s u s p e n s i o n s y s t e m， a d v a n c e d h y d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n t e c h n o l o g y wa s a p p l i e d i n t h e f u l l h y d r a u l i c c h a s s i s ． HP S h a s n o n l i n e a r c h ara c t e ri s t i c s o f s t i ff n e s s a n d d a mp i n g ， w h i c h wi l l i mp r o v e r i d e c o m f o rt a n d s t a b i l i t y o f t h e v e h i c l e s ． T h i s p a p e r d o e s s y s t e m p a r a me t e r s ma t c h i n g c alc u l a t e d a c c o rdi n g t o t h e j o b r e q u i r e m e n t s ， w h i c h p rov i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e s i g n o f t h e HP S ． T h i s p a p e r e s t a b l i s h a n o n l i n e a r ma t h e ma t i c al mo d e l o f the c h ara c t e r i s t i c s o f s t i ff n e s s a n d d a mp i n g a c c o r d i n g t o the p h y s i c a l mo d e l o f t wo c o u p l e d c y l i n d e rs， wh i c h e s t abl i s h e d s o me b a s i s f o r t h e p a r a me t e r s e l e c t i o n a n d o p t i mi z a t i o n o f HP S ．C h o o s i n g t h e r e a s o n a b l e p ara me t e r o f HP S w i l l i mp rov e rid e c o mf o r t a n d s t a b i l i t y o f the v e h i c l e s mu c h mo r e ． Ke y wo r d s h y d r o - p n e u ma t i c s u s p e n s i o n； s t i ff n e s s ； d a mp i n g； mo d e l O引言 车辆悬架是 连接 车架 和车桥所有部件 的总成 ． 一 般主要 由弹簧装置 、减振器和导 向机构 3部分组成 。 其作用是 把路面作 用于车轮上 的反 向作 用力以及 这 些反 向作用力所 产生 的力矩 ， 平稳 、 可 靠地传递 到车 架上 。 以保证车辆正常行驶 。 目前 ． 国内普通采用的车辆悬架 主要为 由弹性元 件和阻尼元件组成的传统悬架 。而传统悬架系统 由于 其刚度 和阻尼 固有 的线性特性 ． 故对于不平坦路面适 应性较差 ． 难 以满足人们 对车辆行驶 平顺性 、 安全性 和操纵稳定性 的要求 油气悬架 由蓄能器 和悬架液压 缸组成 ． 用油液传递压力 ． 以惰性气体作为 弹性介质 。 悬架液压缸 内部 的阻尼孔 、 单 向阀代替 了通常 的减振 器元件 ． 构成 了集 弹性元件和减振器功能于一体 的悬 架 系统 。油气悬架具有非线性 的变 刚度 和变阻尼 ． 使 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 2 作者简介 田勇 1 9 8 8 一 男 ， 河南周 口人 ， 在读硕士研究 生 ， 主要从事液压 系统分析与设计 、 机械动力学分析 、 系统 动态仿 真等方 面的研 究。 52 得车辆 动态性能受路 面条件 和载荷等环境 因素影响 小 ． 车辆具有较好的平顺性 和稳定性 。 目前 国内外市场上 的重型工程机械主要采用 的是 通用汽车底盘或者改装通用汽车底盘 ．其悬架系统基 本上是传统悬架 。因油气悬架能保证大型机械具有较 好 的动态性能 ，故新研发 的重量大 、机动性较差的全 液压底盘采用了油气悬架系统 。 1 油气悬架 的结构 和主要特性 油气悬架结构如图 1 所示 ．它主要 由液压缸和左 右两个蓄能器组成。液压缸 中有 A、 B、 C三个油腔 ， 其 中充满 油液 ． A腔和 B腔油液通过 阻尼孔及单向阀连 图 1 油气 悬架原理 示意 图 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 0 2 ．2 0 1 4 通 ， 而 C腔油液与 A、 B两腔油液 由活塞隔离。左右两 个蓄能器分别与 B腔和 C腔连通 ．蓄能器 内充人高压 氮气 ， 高压氮气 由气囊与油液相隔离 。 油气悬架系统工作过程可 以分为复原行程和压缩 行程。在复原行程 中 。 活塞相对缸筒 向上运动 。 A腔容 积缩小 ．油液压力增大 。该腔油液通过阻尼孔压入 B 腔 。 B腔油液再压人左蓄能器 ， 压缩 1腔中的氮气。 活塞 向上运动 C腔容积增大 ． 油液压力降低。在 2腔高压氮 气的压力作用下 ． 右蓄能器中的油液被压人 C腔。在压 缩行程 ， 活塞相对缸筒 向下运动 ， A腔容积扩 大 ， 油液 压力 降低 ． 左蓄能器 1 腔 内高压氮气将油液压人 B腔 ， B腔油液通过阻尼孑 L 和单 向阀向 A腔补充 活塞向下 运动使 C腔油液压力升高 ．将该腔油液压入下右蓄能 器 ． 使得右蓄能器 2腔内的氮气被压缩 。 当车辆行驶时 ， 活塞在缸筒 内上 、 下运动 。 使 A、 B 两腔油液在压差 的作用下往复地通过阻尼孔和单向阀 孔 ．具有压差的油液流过阻尼孔和单向阀时消耗能量 ． 衰减汽车的振动． 这一过程就形成 了油气悬架系统的阻 尼特性 。而与上 、 下油腔相连的蓄能器内充满封闭的高 压氮气 ． 通过高压氮气的变形来承受载荷 ． 减轻地面对 车辆的冲击 ． 这一过程就形成了油气悬架的弹性特性 。 油 气悬 架储 能 比很 大 ．约为 3 3 0 0 0 0 N m ／ k g 以 6 MP a氮气充气压力为例 ，重量 比钢板 弹簧轻 5 0 ％【 ” 。 油气悬架 以其优越的非线性 弹性特性和 良好的减振性 能 。 能够最大限度地满足工程车辆的平顺性要求。油气 悬架除弹性和减振功能外 ．其液压缸缸体还具有一定 的导向作用 。 故所需车体布置空间较小。油气悬架具有 以下特性 1 具有非线性变刚性、 渐增 性的特性 ， 如 图 2所 示。在平坦路面行驶时 ， 液压缸动行程较小 ． 悬架刚度 较小 ， 行驶平稳性较好 ； 在起伏地行驶 时 。 液压缸 动行 程较大 ， 悬架 刚度较 大 ， 能吸收较多的冲击 能量 。 避免 产生 刚性撞击 较好的满足 了车辆行驶平稳性和缓冲 可靠性的要求 吕 Z ＼ 墓 液压缸位移 X／ m 图 2油气悬 架刚度特 性曲线 2 具有非线性变阻尼特性 ， 如图 3所示。悬挂阻 尼系数随着车架与车桥相对速度 的变化而变化 ．表现 为压缩行程阻尼系数小 ， 拉伸行程阻尼系数大 ， 起到很 好的减振作用。 液压缸位移 X ／ m 图 3油气悬架阻尼特性曲线 3 具有车体高度可调和悬挂闭锁功能。通过对悬 架液压缸的补油或排油实现车身高度调节 ．以改善车 辆的越障能力 ， 提高通过性 。车辆作业时 ， 将油气悬架 中的液压缸 和蓄能器分置 ．在连接它们 的高压管路上 加装锁止阀． 即可实现悬挂闭锁功能 ， 以保障作业的安 全性 。 2 油气悬架在全液压底盘上的应用 鉴于油气悬架优异的减振特性 ．国外 的汽车大公 司、研究机构都非常重视油气悬架 的开发和研究。 目 前 ， 国外在重 型汽车 、 自卸车 、 起重汽车上采用油气悬 架 的情况 已相当普遍 ．甚至在轿 车上也已逐渐采用油 气悬架 国内对油气悬架的实际应用还 比较少 。 但在大 吨位起重汽车和矿用 自卸载重汽车已开始逐步采用 某公司设计研发的一 台 7桥全液压底盘 ．采用独 立的油气悬架系统。为保证车辆的平顺性 ， 悬架系统设 计的预期的整体性能指标是 车身垂向加速度的均方 根小于 l m ／ s ， 相对动载的均方根值不小于， 悬架动挠度 超过限位块行程的概率小于 0 ． 3 ％。依据上述预期性能 指标 ． 对油气悬架进行 了匹配及建模 ． 通过悬架系统 台 架试验 ． 证明已达到预期 目标。该系统采用 同轴左右油 气弹簧上下腔交连 的耦连形式 。 对该 车油气悬架 系统进行理论计算 ．由于全部的 油气悬架计算过程类似 ．现以后悬架系统为例计算选 取液压缸和蓄能器 2 ． 1 后悬 架液 压 缸的确 定硎 油气悬架液压缸设计主要参数 ．各悬架均载荷为 M 8 0 ， 包含簧上质量 M1 7 3和簧 下质量 8 ； 液压缸 安装内倾角度为 仅 7 o 轮跳 上跳 1 l O mm， 下跳 1 2 0 mm； 液压缸允许工作 压 力 P 3 0 ． 5 M P a 最大动载荷 系数为 2 ． 0 ，允许超 载 1 0 ％。 1 计算悬架液压缸最大轴向力。液压缸轴向力 F为 F M g ／ c o s 1 考虑超载和动 载荷作用 ， 将 已知条件 带人 1 式 ， 得液压缸的轴向最大受力 为 F 1 ． 1 x 2 ． 0 x F 1 7 7 5 1 8 ． 6 N 2 5 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 2期 2 计算液压缸直径 。由公式 p D H ， 4 3 得 到液 压 缸直 径 D 为 1 ／ 2 D H 4 F l p 1 T 4 将 p 3 0 ． 5 MP a 3 ． 0 5 x 1 0 P a代入 4 式 ， 得 到 D H 8 3 ． 8 m m， 圆整后 取 D n 1 0 0 mm。 3 确定液压缸行程 5 。在极限条件下 的路 面上行 驶时 ． 由于路面冲击会产生 明显 的轮跳 ， 最大幅度可达 到上跳 1 1 0 m m， 下跳 1 2 0 mm， 故 S 2 3 0 mm。 2 ． 2隔膜 式 蓄能器 的确 定【4 _ 固 隔膜式蓄能器是通过上壳和下壳扣合构成封闭罐 体 ．其 中的弹性隔离囊与下壳构成一个兼贮蓄和补充 液能的封闭腔 ．来解决液压工作系统中能量的贮蓄和 补偿 。其重量和容积 比最小 ， 反应灵敏 ， 低压消除脉动 效果显著。计算过程中 ， 不考虑油液的压缩性。 1 计算悬架液压缸工作压力。在静止空载时工作 压力最低。最低工作压力 P 。 为 p I MI／ f 订 D H ／ 4 _ 9 ．2 6 M P a 5 故预充气体压力 P 为 p 0 ≤ O ． 7 0 ． 9 l 0 ． 9 p i 8 ． 3 4 MP a 6 最高工作压力p 2 3 0 ． 5 MP a 。 2 计算蓄能器有效容积变化量 A V。公式为 A V V 1一 V 2 1 T ， 4 Js ’ 7 式 中 在P 时的气体容积 ， L ； 厂 在P 时的气体容积 ， L ； S ’ 最大轮跳量 ． 取 1 2 0 m m。 代人数据 ， 求得 AV 1 ． 2 2 L 。 3 计算理想气体初始体积 。 气体的多变状态方 程 为 p o V 0 p i V 1 p 2 V 2 8 式 中 气体多变指数 ． 对于理想气体 ， 等温过程时 r - I 。 绝热过程时 r 1 ． 4 理想气体初始体积 ， L 。 联 立 7 、 8 式 ， 得 V o A V ／ P o ／p 。 1／r 一 p 。 ／p “ 9 实际行驶中 ． 气体在快速的压缩和扩张时 ． 认为是 绝热过程 。故将相关数据代入 9 式 中， 求得 V o 1 ． 8 5 L 。 因此 ， 考虑选取公称容积为 2 ． 0 L的隔膜蓄能器。 3 油气悬架外特性模型的建立 3 ． 1 油气 悬 架刚 度特 性模 型 油气悬架具有非线性刚度 ．其侧倾及纵倾 刚度会 5 4 随着车身倾角的增大而迅速提高 ．如果将左右油气悬 架通过油液管路按照一定方式进行耦连 ．可以进一步 提高车身姿势稳定性 ， 并减少车身所受扭矩 ， 提高车身 寿命。本车所采用的连接方式如图 4所示 。 图 4油气 悬 架 系统 耦 连 示意 图 图 4中各符号意义说 明 p 旷 一蓄能器充气压力 ； 蓄能器容积 ； p 一 蓄能器的平衡压力 ； B __ 一 单蓄能器平衡状态的气体容积 ； Ⅱl 一无杆腔液压油容积 ； A 油缸无杆腔截面积 ； p l 一 无杆腔压力 ； _ 有杆腔液压油容积； A 油缸有杆腔截面积 ； p 。 _一 有杆腔压力。 计算液压缸的静刚度 栅， 液压缸的静 刚度为静态 变化过程中液压缸所受力对位移的微分 。由于油气悬 架系统采用油液实现力 的传递和采用高压气体实现载 荷冲击 的削减 。 其受力难 以用位移直接表示。但在液压 缸产生位移时． 油液压力 和体积发生变化 。 液压缸位移 和内部油液压力之间的关系容易推导 ．且液压缸受力 大小和油液压力直接相关 ．由此便可以通过压力这个 中间参数来推导液压缸受力与位移的关 系．即液压缸 的静刚度 本文通过对压力和位移两个参数 的关 系式 巧妙 的变换 ． 最后得到液压缸的静刚度 。 当图 4中液压缸在 方向产生行程时 ．液压缸 内 排出的容积为 A 的液压油 因蓄能器 内气体 的压缩与 液压油 自身的压缩而被吸收 则有等式 Al 2 △ A c c △ 咀 1 O 液压油压缩减小的液压油容积 △ 为 T， △ 0 卸 h 1 1 A 蓄能器吸收的液压油容积 △ 觚 为 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 0 1 4 1 2 鲁[ 卜 卜 V K h △ p 3 式 中 液 压油 的体 积模 量 。 由 1 3 可得 d X 2 V B V iL la 1 4 d 卸 A咖 [ 1 卸 }。 A 由于液 压缸 的刚度为液压 缸所 受力对 位移 的微 分 ， 有 d X 1 1 5 将式 1 5 代人 1 4 式 ， 可得液压缸无杆腔 的刚性 K h 的倒数 1 ／ K h 为 L 一 1 6 缸 A 牛 。 同理 ， 可得油缸的有杆腔刚度的倒数 1 1 1 A L r p s [ I △ p 】 h } △ p 】 。 一 O KL 液压缸的静刚度 K 凹为 KA c r Kh KL 3 ． 2油气 悬架 阻尼特 性模 型 1 7 1 8 油气悬架结构如图 1 所示 ．在 A、 B腔之间装有单 向阀和阻尼孔 ． 当车辆行驶时 ． 路面起伏引起活塞在液 压缸内的上下运动 ．这样使 内环形腔和外环形腔 内的 油液在压差 的作用下往复地通过阻尼孔和单 向阀 ． 具 有压差 的油液流过 阻尼孔和单 向阀时消耗能量、衰减 汽车的振动 ．蓄能器 内高压氮气的弹性变形能减轻地 面对车辆的冲击 在悬挂缸运动距离为 时 。 单位时间 内 A、 B腔之 间 的油 液流 量 Q S ， X 1 9 拉伸行程 中．单向阀关闭 ，油液只经过 阻尼孔流 动 ． 阻尼孔流量为 Q 1 C q c4 。 。 x ／ p ／ p 一 2 0 式 中c I广一 长孔 流量 系数 ， 取 0 ． 8 2 ； A0 】 孔 口面积 ； △ p 阻尼孔两侧压力差 ； p 流体的密度 。 拉伸行程 的阻尼力 l △ p s A 2 1 在拉伸行程 中阻尼孔 的流量等于两腔之间的油液 流量 即 Q Q。 2 2 联立 1 9 、 2 O 、 2 1 、 2 2 可得阻尼系数 2 3 C 。A o 压缩行程时 ， I 、 I I 腔单 向阀和阻尼孑 L 同时接通 ． 则 两腔间的液压油的流量为 Q 2 C A o 1 A ∞ M2 -A p ／ p 2 4 式 中 A厂单 向阀有效过流面积。 同理可得压缩行程 的阻尼力为 ． T 2 5 c n 0 l 0 2 阻尼系数为 c C O t ll “ ； 2 6 一 _ _ 一 二 u ， 。 。 A 位 由刚度和阻尼的数学表达公式可以看 出油气悬架 具有非线性变刚度和非线性变阻尼 的特性。 4 结论 1 油气悬架是一种先进的悬架装置 ， 具有非线性 刚度特性 和阻尼特性 等普通 弹簧 悬架难 以 比拟 的优 点， 非常适用于大型车辆 ， 可提高车辆动态特性 ； 2 根据工作要求 ， 对油气悬架 系统进行 了悬挂液 压缸和蓄能器 的匹配计算 。为实际选 型提供 了理论依 据 。在实际选型时 ， 除了要满足匹配参数的要求外 ， 还 应考虑对部件材料的强度要求 3 建立 了刚度特性和阻尼特性的数学模 型 ， 从理 论上说 明了油气悬架具有非 线性刚度和阻尼特性 ． 为 进一步研究实际应用 中油气悬架参数 的选择和优化提 供 了理论指导。 参 考 文 献 [ 1 ] G i a c o mi n J ． N e u r a l N e t w o r k S i mu l a t i o n o f a n A u t o mo t i v e S h o c k A b s o r b e r [ J 】 ． E n g i n e e r A p p l i c a t i o n g A r t i fi c i a l I n t e l l i g e n c e ， 1 9 9 1 ， 1 5 9 - 6 4 ． 【 2 】 马国清 ， 王树新 ， 檀润华． 油气悬挂系统特性研究【 J 】 ． 液压与气 动 ， 2 0 0 2 ， 3 1 - 2 ． [ 3 ] 李俊仁． 油气 悬挂 技术 在矿用胶 轮车上的应用[ J ] ． 汽车实用技 术 ， 2 0 1 2 ， 2 6 - 8 ． [ 4 】 成 大先． 机械设 计手册 第 五版 ， 第 5卷 【 M] ． 北京 化学工 业 出版社． 2 0 0 8 ． 【 5 】 贺德克 液压 技术有限公 司． 蓄能器[ Z ] ． 上海 贺德克液 压技术 有限公司 ． 2 0 0 1 ． [ 6 ]6 陈杰斌 ． 油气悬 架系统在 全路 面起 重机上 的应用设 计[ D ] ． 重 庆 重庆大学 ， 2 0 0 7 ． 5 5 一 得 ～