越野车油气悬架的建模与试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 3 7卷 第 8期 汽车工程 Aut o mo t i v e Eng i n e e r i n g 越野车油气悬架的建模与试验研究 2 01 51 61 刘 刚 ， 陈思忠 ， 王文竹 ， 荣 刚 1 ．北京 2． x - 大学机械 与车辆工程 学院 ， 北京1 0 0 0 8 1 ； 2 ．沈 阳航空航天大学机 电工程 学院， 沈阳1 1 0 1 3 6 [ 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。 关键词 油气悬架 ； 试验与仿真 ； 阻尼特性 Mo d e l i n g a n d Ex p e r i me n t a l S t u d y o n t h e Hy d r o p n e u ma t i c S u s p e n s i o n o f Off r o a d Ve h i c l e s Li u Ga ng 一，Che n S i z ho ng ，W a ng W e nz h u Ro ng Ga n g 1 ． S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g in e e r i n g， B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， B e o i n g 1 0 0 0 8 1 ； 2 ． C o l l e g e ofMe c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g， S h e n y a n g A e r o s p a c e U n iv e r s i ty， S h e n y a n g 1 1 0 1 3 6 [ A b s t r a c t ] Wi t h c o n s i d e r a t i o n s o f t h e p i p i n g l o s s e s ， l o c a l l o s s e s a n d d y n a m i c f r i c t i o n b e t w e e n p i s t o n s t e m a n d s e a l i n g，a n o n l i n e a r mo d e l f o r t h e h y d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n o f a o f f - r o a d v e h i c l e i s b u i l t ，wi t h a s i mu l a t i o n c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t he e f f e c t s o f t h e p a r a me t e r s o f d a mp i n g v a l v e s o n t h e d a mp i n g c h a r a c t e ris t i c s o f h y d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n．Th e r e s u l t s s h o w t h a t ，whe n o t h e r p a r a me t e r s r e ma i n u n c ha n g e d，d i f f e r e n t d a mp i n g c h a r a c - t e r i s t i c s c a n b e h a n d i l y o b t a i n e d b y c ha n g i n g t h e v a l v e c o r e s wi t h d i f f e r e n t fl o w a n g l e ．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s ba s i c a l l y a g r e e w e l l w i t h t e s t d a t a ， v e fi i n g t h e c o r r e c t n e s s o f h y d r o p n e u m a t i c s u s p e n s i o n m o d e l b u i l t ． Ke y wo r d shy dr o- pn e u m a t i c s us p e ns i o ns；t e s t a n d s i m u l a t i o n；da mpi ng c h ar a c t e r i s t i c s 日 Ij百 越野车辆设计时须同时考虑其在铺装路 面和非 铺装路面的机动性 ， 这 给设计带来一定难度 。油气 悬架具有变刚度特性 ， 即刚度 随簧载质量的增加而 提高， 既能改善车辆在一般路面上的行驶平顺性， 又 能防止在大起伏路面上行驶时出现悬架被击穿 的情 况 ， 较适合越野车辆使用。 目前 ， 国内外学者对油气 悬架的研究主要集 中在两个方面 1 精准、 合理油 气悬架数学模型的建立和试验研究。如文献 [ 1 ] 和 文献 [ 2 ] 中对重型车辆主动油气悬架进行 了建模 和 仿真； 文献 [ 3 ] 中建立 了油气悬架长通孔紊 流阻尼 模型。 2 开发新型的油气 悬架结构形式 ， 以避免 传统悬架在车辆行驶平顺性和操纵稳定性之间的折 中设计 。如文献[ 6 ] 和文献[ 7 ] 中介绍 了连通式 油气悬架的几种连接方式 ， 并对其性能进行 了对 比 分析。 1 油气悬架结构和工作原理 油气悬架是以油液传递压力， 以气体 如氮气 作为弹性介质的弹性元件。同时， 油液通过阻尼阀 时， 又产生阻尼力 ， 可见 ， 油气悬架就是一种带有液 力阻尼的气体弹簧。根据越野车辆 的行驶路况和驾 驶特点设计的油气悬架 ， 其结构如图 1 所示 。它主 要 由悬架缸组件 、 阻尼阀组和蓄能器组成。安装于 活塞杆 上 的 活 塞 ， 其 周 向 均匀 分 布 6个 直径 达 原稿收到日期为2 0 1 3年2月 5日， 修改稿收到 日期为 2 0 1 4年 2月 2 6日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘刚 ， 等 越野车油气悬架的建模与试验研究 9 3 7． 9 ． 5 m m的通孔 ， 虽然 活塞把 悬架缸 分为 I腔 和 Ⅱ 腔 ， 但由于通孔直径较大， 节流作用非常小 ， 可认为 悬架往复运动时 I腔和 Ⅱ腔的压力基本相 同 ， 活塞 只起导 向作用。这样设计的优点是活塞两侧受到的 压力差较小 ， 且无须考虑活塞、 活塞杆与缸筒之 间产 生的泄漏 ， 降低设计要求。 蓥 一 6 一压缩阀 F ； - 常 图 I 油气悬架结构简图 当阻尼阀内置 时， 车辆 在坏路上行驶 时就会遇 到散热问题 ， 油液温度过高不仅会造成黏度降低 ， 而 且会改变蓄能器 内气体的性能 ， 从 而影 响到油气悬 架 的动态特性。外置 阻尼 阀组主要 由常通孔 、 压缩 阀和复原阀组成。当油气弹簧两端相对运动速度较 i l U ,-J ， 油液只流经常通孔 ， 避免了压缩阀和复原阀的 频繁开闭， 改善 了阻尼 阀的动态特性且能提高其使 用寿命 。 2 油气悬架非线性数学模型的建立 油气悬架的特性与其零部件的磨损情 况、 工作 时环境温度 、 油液黏度和油液在油气悬架 内流动状 态等有关， 影响因素较多， 因此在建立油气悬架数学 模型时， 须根据具体情况做出如下相应假设 J 。 I 各密封环节工作可靠， 系统没有外泄漏。 2 不考虑在油液 流动过程 中由于压 降产生 的气穴 现象 的影响。 3 I腔和 Ⅱ腔的压力相等。 4 在 整个拉伸 、 压 缩工 作过 程 中， 油液 温度 保持 不变 。 5 油液 的体积弹性模量为常数。 6 忽略压力变 化引起的系统刚性构件 的弹性变形。 根据油气悬架系统 的工作原理可知 ， 油气悬架 在外界激励作用下， 其输出力主要有气体弹性力、 油 液阻尼力 和活塞与 缸筒之 间的摩擦 力。如 图 1所 示 ， 以满载静平衡位置为原点 ， 假设活塞杆 固定 ， 作 用在悬架缸上 的力 为 F， 悬架缸的位移为 ， 悬架缸 的受力平衡方程为 F P1 一 P g A g P g A g F f F d F F f 1 式 中 P 为 I 腔内的压力 ， P a ； P 为蓄能器 内气体压 力 ， P a ； A 为活塞杆 的截 面积 ， m ； F d 为 阻尼力 ， N； F 为弹性力 ， N； F 为摩擦力 ， N。 在通常情况下 ， 由于油气悬架工作时处于振颤 的状态 ， 润滑 良好 ， 摩擦力较小。油气悬架的主要功 能性作用力为前两者 。由于摩擦力的值相对 于油 气悬挂缸的输 出力而言并不很 大 ， 故在研究 过程 中 常用试验法来确定其值 ， 本文 中在经过大量试验测 定后 ， 油气 悬 挂 缸摩 擦 力 大小 的变 化 范 围 为 0． 5～1 k N。 2 ． 1 蓄能器特性分析 根据热力学定律 ， 蓄能器 中气体的状态方程为 P I／ g P j V 2 一 A 3 式中 为静平衡 时， 蓄能器 内气体体积 ； P j 为静平 衡时 ， 蓄能器内气体压力 ； 为位移 时， 蓄能器 内 气体体积 ； r 为气体多变指数 ； 由蓄能器的结构 可知 ， P P 为蓄能器油室 内的压力。 2 ． 2非线性阻尼特性分析 油气悬架是利用油液黏性阻尼衰减振动的 ， 阻 尼 的产生主要来 自3个方面 工作液流经阻尼孔 的 流体阻尼 、 流经蓄能器出 口的流体 阻尼和活塞与缸 壁相对滑动产生 的摩擦阻尼。流体流经阻尼孔的流 动状态为纯紊流， 这 已被大量的试验所验证 J 。 外置阻尼阀组的结构如图 2所示。由于锥阀阀 口关闭时为线密封 ， 因此锥阀不仅密封性能好 ， 而且 开启阀口时无 “ 死区” ， 阀芯稍有位移 阀 口即开启 ， 动作灵敏。因此 ， 压缩 阀和复原 阀均采用锥 阀结构 型式。同时， 为充分实现弹性缓冲作用 ， 压缩阀阀孔 的直径 d 大于伸张阀阀孔的直径d 。 图 2 外置阻尼阀组结构图 2 ． 2 ． 1 阻尼阀开阀前数学模型的建立 ’ 以压缩行程为例建立油气悬架 的数学模型 ， 复 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 8 期 原行程模型建立过程与之相 同。 当油气弹簧两端相对运动速度较低 时， 系统总 流量 q 亦较小 ， 此时油液仅通过常通孔进入蓄能器 。 此时常通孔流量与总流量相等 ， 油液流经常通孔满 足薄壁小孔的流量公式 ， 可得 [ q o q A gv 、 1 P P一 斗 【‘ 2 c A 式 中 P 为阻尼 阀人 出口处压力 ， P a ； P ，为阻尼 阀出 人 口处压力 ， P a ； q为系统总流量 ， m ／ s ； q 。为 常通孔流量 ， m ／ s ； p为油液密度 ， k g ／ m ； C d 0 为常通 孔流量系数 ； A 。 为常通孔面积 ， r n ； 为油气 弹簧两 端的相对运动速度 ， m ／ s 。 2 ． 2 ． 2 阻尼 阀部分开阀后数学模型的建立 锥阀结构示意 图如 图 3所示 。从 阀的结构可 知 ， 阀内液流速度 、 压力呈轴对称 ， 作用于阀上 的各 种力在径向上 自相平衡 ， 因此在讨论 中只须考虑沿 轴线方向上的力 。 阻尼阀导向 和限位装置 图 3 锥阀结构示意图 作用在阀芯上的力平衡方程为 P2 3 w d ／ 4 k v o F G 5 式 中 P 一 。 P - p 3 ， P a ； k 为压缩 阀弹簧刚度 ， N ／ m； 加为弹簧预压缩量 ， m； h为阀 口开度， m； G为阀芯 重力， N； F C d w d h P 2 3 s i n 2 0 ， 为稳态液动力 ， N； 为液流角， r a d ； C 为压缩阀流量系数。 忽略阀芯重力和流体 与侧壁 间的黏性力 ， 则压 差与开度的关系式为 f ， 一 { q cd A， Pz 一，／ p c d x 1 T d h √ 2 P z 一 ， ／ p 7 【 g o C do A o , ／ 2 P 2 3 ／ p 式中 q 为压缩 阀流量 ， m ／ s ； A 为 压缩 阀通 流面 积 ， m 。 2 ． 2 ． 3 阻尼阀全开时数学模型的建立 当系统流量 q继续增大时， 压缩 阀达到最大开 度 ， 再度形成固定通道节流 ， 为车辆提供较大阻尼 ， 主要抑制车轮高频共振并防止悬架击穿 ， 以适应车 辆安全性的阻尼匹配需要。此时的流量公式为 f 9 g 。 g A s { q ， C a w d h √2 P 2 3 ／ p 8 【 q 0 C d 0 A 0 ,／ 2 P 2 3 ／ p 式 中 h y m a 为压缩阀最大开度 。 2 ． 2 ． 4 沿程压力损失 油液由油缸到蓄能器或由蓄能器流回油缸的过 程 中， 沿途须克服各种阻力 ， 引起压力损失 ， 即沿程 损失。按照达西一 韦斯 巴赫 D a r c y We i s b a c h 公式 计算 A Lp p I q 9 式中 P 为蓄能器接 E l 处压力 ， P a ； A为沿程阻力系 数 ， 与雷诺数 、 管路内径和管壁粗糙度有关 ； L 。 为管 路长度 ， r n ； D 。 为管路内径 ， m； s 。 为管路截面积 ， m 。 2 ． 2 ． 5 局部压力损失 油液流经油气 弹簧管路 中的油管接头等部 件 时 ， 引起的流动损失 ， 即为局部压力损失。把各接头 处的局部压力损失都折算 到蓄能器接 口处 ， 忽略了 其他接口处 的局部压力损失 ， 则有 P P 。 ㈢ 10 式 中 为局部压力损失系数 ， 主要与局部 的形状有 关 ； 5 为蓄能器接 口处截面积 ， m 。 P 一 P _一 6 3 油气悬架性能仿真分析 0 ． 2 5 订 1 - 4 C d x h s i n 2 0 ／ d 一 当油气弹簧两端相对运 动速度较高时 ， 系统流 量 q亦较大 ， 根据式 4 ， 阻尼 阀两侧压差 达到开启 压力时， 阻尼阀部分打开， 总的节流面积随压差的增 加而增大。此时油液分别流经常通孔和压缩阀进入 蓄能器 。压缩 阀两侧的压差与常通孔两侧的压差相 等， 则其流量公式为 油气悬架的具体结构参数和物理参数见表 1 。 根据所建立的数学模型 ， 利用 Ma t l a b进行仿真分析。 仿真时采用振 幅为 0 ． 0 5 m， 频率分别 为 0 ． 4 ， 0 ． 9 5 ， 2 ． 5 ， 3 ． 1和 3 ． 5 H z的正弦激励。 不同激励频率下作用在悬架缸上的力 F与激励 的位移和速度的关系曲线如图4和图5所示。由图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘刚 ， 等 越野车油气悬架的建模与试验研究 9 3 9 表 1 油气弹簧非线性数学模型仿真参数 参数 数值 蓄能器初始体积 ／ L 0 ． 7 5 蓄能器初 始压力 P ／ MP a 3 ． 3 1 活塞杆直径 d ／ mm 7 3 ． 1 0 工作缸直径 D／ mm 1 0 4 ． 4 0 常通节流孔面积 A o ／ m m 1 9 ． 9 6 伸张阀孔直径 d ／ m 0 ． 0 0 7 伸 张阀弹簧刚度 ／ N ／ m 1 9 3 4 5 伸 张弹簧 预压缩量 h , o ／ m 0 ． 0 0 5 压缩 阀孔直径 d y ／ m 0 ． 0 1 压缩 阀弹簧刚度 k y ／ N ／ m 1 7 5 4 6 压缩弹簧预压缩量 h ,o ／ m 0 ． 0 0 5 流量系数 C d 0 ． 8 2 管路 直径 D。 ／ m O ． 0 1 2 管路长度 L p ／ m O ． 1 8 沿程 阻力 系数 A 0 ． 0 4 9 局部压力损失系数 0 ． 9 6 液流角 0 ／ r a d ， 4 丑 器 鼗 教 图4 不同激振频率下综合输出力与位移的关系曲线 冬 丑 缸 淑 教 舞 图5 不同激振频率下综合输出力与速度的关系曲线 可见 ， 激振频率较低时 ， 复原行程的曲线与压缩行程 的曲线很接近 ， 即曲线基本呈对称性 ； 但 随着激振频 率 的提高 ， 非对称性逐渐显著。这是 由于阻尼力的 非对称性造成的。阻尼力与位移和速度 的关 系曲线 如图 6和图 7所示 。由于激振位移和激振速度与激 振频率分布存在 A s i n 2 和 A 2 w f c o s 2 的关系， 即激振位移和激振速度都随激振频率的升 高而增大。由图可见 ， 当激振频率较低时 ， 激振速度 也较低 ， 没有达到开阀速度 ， 油液仅通过常通孔在悬 架缸与蓄能器 间流动 ， 压缩行程和阻尼行 程阻尼力 的大小相等 ， 呈现对称性。随着激振频率的增加 ， 激 振速度首先达到压缩 阻尼 阀的开启速度 图 7中的 V ， 压缩阻尼阀逐渐开启。激振频率进一 步增加 ， 激振速度达 到伸 张阻尼 阀的开启 速度 图 7中的 V ， 伸张阻尼阀也逐渐开启 。相 同激振频率压缩阻 尼力小于伸张阻尼力。图 7中 V k m f 为伸张阻尼阀达 到开启极 限时的激振速度 ， V 为压缩阻尼阀达到开 启极限时的激振速度 ， 可见 ， 伸张阻尼 阀先于压缩阻 尼阀达到开启极限。 嗵 盟 采 墨 图 6阻尼力与位移 的关 系曲线 ● ● Vkmf Ykf ’ Yky kmy - ● 图7 阻尼力与速度的关系曲线 研究阻尼阀系参数的变化对油气悬架阻尼特性 的影响， 可为阻尼可调油气悬架的设计提供理论依 据 加 。通过仿真可以很方便地研究各阀系参数的 影响， 由于篇幅所限， 这里只给出液流角的变化对阻 尼特性 的影响曲线 ， 如图 8和图 9所示 。可见 ， 当液 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 0 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 8期 凹 雹 稚 垮 位移， m 图8 不同液流角下的位移阻尼特性 一I 厂 0 ／ 2’ - - - 一 0n ／ 3 一一一 0h i 4’ ， ／ 6 速度／ m／ s 图9 不同液流角下的速度阻尼特性 流角 由 6增大到 2 由锥 阀变为平阀 时， 压缩 行程和伸张行程的阻尼力都逐渐变小。对于不同吨 位的车辆 ， 可在其他参数不变的情况下， 通过更换具 有不同锥角的阀芯 ， 获得相应的阻尼特性。 4 油气悬架性能试验验证 为验证此油气悬架结构设计的合理性和上述数 学模型的正确性， 选用北京佛力公司生产的悬架试 验台对该悬架进行试验验证。试验 中采用标准 的正 弦信号作 为激励信 号 ， 以 3种 振 幅 0 ． 0 2 ， 0 ． 0 4和 0 ． 0 5 m ， 3种频率 0 ． 5 ， 1 ． 6 7和 3 ． 1 H z 分多组进 行 试验 。 由于篇幅所限 ， 文中仅给出频率为 3 ． 1 H z ， 振幅 为 0 ． 0 5 m时的试验数据与仿真结果的对 比， 如图 1 0 所示 。由图可见 ， 仿真结果与试验数据基本吻合 。 5 结论 1 仿真与试验 曲线基本 吻合 ， 说明所建立 的 速度／ m ／ s 图 1 O 试验和仿真的速度特性曲线 油气悬架非线性数学模型基本正确 ， 可用来分析 阀 系参数的影响。 2 可在其他参数不变的情况下 ， 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 ， 形 成系列化。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 参考文献 Mi c h e l e I e l u z z i ，P a t r i z i o Tu r e o，Ma u r o Mo n t i g l i o ．De v e l o p me n t o f a H e a v y T r u c k S e m i - 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