单气室油气悬架阻尼特性分析.pdf

第 1 1期 2 0 1 4年 1 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 79 单气室油气悬架阻尼特性分析 鲍卫宁 ， 胡三宝 1 _ 1江汉大学 机电与建筑工程学院， 湖北 武汉4 3 0 0 5 6 ； 2 ． 武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 摘要 介绍了一种单气室油气悬架结构．L- r 作原理， 推导了该油气悬架阻尼特性数学模型， 利用Ma t l a b对油气悬架的 阻尼力进行 了理论计算 ， 得到 了油气悬架示功特性 曲线 ， 并结合 台架试验数据进行 了对 比， 验证 了模型的有效性。然后 ， 根据所建立的油气悬架阻尼特性数学模型， 改变阻尼孔直径、 激振频率、 单向阀节流口过流面积等关键参数考察了油气 悬架阻尼力的影响因素。研究结果表明 阻尼力随着激振频率的增大而增大， 随着阻尼孔直径、 单向阀节流口过流面积的 增大而减 小。 关键词 油气悬架； 阻尼特性； 阻尼力； 车辆 中图分类号 T H1 6 ； U 4 6 3 ． 3 3 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 1 - 0 0 7 9 0 3 An a l y s i s o n Da mp i n g Ch a r a c t er i s t i c s o f Hy d r o - P e n u ma t i c Su s p e n s i o n wi t h Si n g l e Ga s Ce l I BA0 W e i n i n g 1 ．HU S a n b a o 1 ． S c h o o l o f E l e c t r o me c h a n i c a l Ar c h i t e c t u r a l En g i n e e r i n g ，J i a n g h a n Un i v e r s i t y ，Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 5 6，C h i n a ； 2 ． Hu b e i Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d T e c h n o l o g y o f Au t o mo t i v e P a r t s ，W u h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ，Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 7 0， Ch i n a A b s t r a c t A h y d r o - p e n u m a t i c s u s p e n s i o n w i t h s i n g l e g a s c e l l W as p r e s e n t e d ，a n d t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e h y d r o p e n u mat i c s usp e nsi o n w a s d e d u c e d ． T h e n t h e d a m p i n g f o r c e of h y d r o - p e n u m a t i c s u s p e n s i o n W as c al c u l a t e d w i t h Ma t l a b ， and t h e i n d i c a t i o r d i a g r am o fh y d r o - p e n u m ati c s u s p e nsi o n W as d r a w n ． A b e n c h t e s t w as c a r r i e d o u t ， a n d t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e m ath e mat i c al m o d e l o fh y d r o - p e n u m a t i c s usp e n s i o n W as c o r r e c t ． O n t h i s b a s is， i n flu e n c e s ofp a r am e t e r s c h ang e s u c h as d amp i n gh o l e d i a m e t e r ， e x c i t at i o n f r e q u e n c y ， c h e c k v al v e o r ific e ar e aw e r e a n al y z e d ． The r e s u l t s h o w s t h at t h e d a m p i n g f o r c e ofh y d r o - p e n u m a t i c s usp e nsi o n i n c r e ase s as t h e r is e ofe x c i t ati o n f r e q u e n c y ，and d e c r e ase s as t h e r i s e ofc h e c k v al v e o r ifi c e are aan dd am pi n gh o l e di a me t e r ． Ke y W o r d s Hy d r o - Pe n u ma t i c S u s p e n s i o n； Da mp i n g Ch a r a c t e r i s t i c ； Da mp e rF o r c e ； Ve h i c l e 1引言 悬架是车辆系统中的重要组成部件，直接影响车辆的行驶 平顺性、 操纵稳定性以及疲劳耐久等性能。悬架系统通常由弹性 元件、 阻尼元件与导向杆系等组成， 常用的弹性元件有螺旋弹簧、 钢板弹簧 、 扭杆弹簧等； 而阻尼元件多采用液力式减振器。 对于工 程车辆而言， 因其经常行驶在较为恶劣的道路条件下， 大多采用 了油气悬架结构。 油气悬架结合了空气弹簧与液力式减振器的优 点， 具有结构紧凑、 易于布置 、 耐久．胜好、 成本较低等特点。 因此， 在油气悬架研究领域有大量学者进行研究。文献 建立 了某 3 6 0 t 矿用自卸车单气室油气悬架数学模型，结合能够反映矿 用 自卸车的五 自由度车辆模型， 分析了油气悬架刚度与阻尼对车 身加速度等指标的影响， 并进行了优化设计。文献呀0 用 B P神经 网络对油气悬架动态力进行了识别，并与等效线性法进行了比 较， 为油气悬架理论就算提供了一种参数识别的方法。 文献[3 1以七 自由度整车联通式油气悬架为研究对象， 利用 A D A MS 、 A ME S i m 与 Ma t l a b ／ S i m u l i n k建立联合仿真模型， 对某油气悬架车辆进行了 仿真， 并结合遗传算法进行了仿真优化， 优化结果提高了车辆的 行驶平顺性。 文献 羊 细研究了油气悬架阀系参数对悬架刚度特 性、 阻尼牛 寺 J 『生以及悬架性能的影响， 考虑了伸张阀、 压缩阀的阀芯 弹簧刚度、 预警力等， 建立了能够反映阀系开启过程的油气悬架 阻尼特『生 数学模型， 并结合试验数据验证了模型的正确性。 文献目 设计了一种阻尼可调的外置阻尼阀块 ， 对这种形式的阀块阻尼特 性进了详尽的理论分析，建立了基于可调阻尼阀的油气悬架模 型， 通过改变调节阀的参数考察了参数变化对油气悬架动态特I生 的影响。 文献 寸 单气室油气悬架进行了深入研究， 建立了非线性 油气悬架数学模型， 结合 A D A MS进行仿真修正了数学模型中的 来稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 4 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 3 0 5 3 1 4 作者简介 鲍卫宁， 1 9 6 8 一 ， 男， 湖北武汉人， 博士， 副教授， 主要研究方向 汽车动力学及控制 8 0 鲍卫宁等 单气室油气悬架阻尼特性分析 第 1 1 期 关键参数；然后对考虑密封摩擦与非密封摩擦的结果进行了对 比， 对比结果表明 考虑密封摩擦的油气悬架数学模型更加精准， 但是密封摩擦对数学模型的精度影响较小。 2油气悬架的工作原理 一 款单气室油气悬架， 由蓄能器、 阻尼器、 液压缸、 活塞以及 液压管路组成， 如图 1 所示。 其中， 阻尼器中包含了单向阀以及与 单向阀并联的阻尼孔。 当油气悬架处于压缩行程时，活塞 向上推动油液经过阻尼 器。 此时， 当油液压力未达到压缩单向阀开启压力时， 油液从阻尼 器中的并联阻尼孔流过，当压力达到压缩单向阀开启压力后， 油 液同时从阻尼孔与单向阀经过。油液经过阻尼器后到达 曰腔， 从 而挤压气腔 D中的惰性气体。 当油气悬架处于伸张行程时， 活塞向下运动， 在A腔中形成 了一定的真空度，从而使得 曰腔中的油液经过阻尼器 C流向A 腔； 阻尼器中的油液同样先经由阻尼孔， 待压力达到伸张单向阀 开启压力后 ， 才同时从伸张单向阀与阻尼孑 L 同时经过。 图 1油气悬架结构简图 F i g ． 1 S c he me o f Hy d r o - Pn e u ma t i c S u s p e n s i o n 3油气悬架的数学模型 根据图 1 所示的油气悬架结构，做以下假设油液不可压 缩 ； 油气悬架 内部无 内泄漏发生 ； 忽略油液 的黏温特性影 响； 忽略 系统内部摩擦力的影响。 3 ． 1压缩行程数学模型 当活塞刚开始向上推动时， A腔中油液压力较小， 未到达压 缩阀开启压力， 油液通过阻尼孔流向曰腔， 此时的阻尼力由阻尼 孔提供 ， 根据小孔节流公式有 Q j d A d 、 ／ 1 式中 通过阻尼孔的油液流量； c 流量系数； A 阻尼孔等 效过流面积； △ p A、 B两腔之间的压力差； 油液密度。 因为不考虑系统内部的内泄漏，所以可认为系统内部流量 相等， 因此有 Q -- A 菇 2 式中 液压缸内活塞向上推动引起的油液流量变化； A 液 压缸通流面积； 一活塞运动速度。 结合式 1 与式 2 可以得出压缩阀开启前油气悬架的阻尼 力为 ．3 ， Fo a p 与 互 3 2c A 随着活塞的继续运动， 油液压力达到压缩阀开启压力时 ， 压 缩阀打开。 此时， 油液同时经由压缩阀与阻尼孔流向B腔。 因此， 根据流量定律有 Q G Q d Q c c dA d ＼ ／ c aA 、 ／ 4 式中 Q c 通过阻尼阀系区域 c的油液流量； Q 通过压缩阀的 油液流量； 一压缩阀等效过流面积； 卸 一阻尼孔两侧压 力差； 一压缩阀两侧压力差。 类似的， 此时有 Q Q c -- A 。 5 压缩 阀开启后油气悬架阻尼力为 F I Ap - B 6 3 _ 2伸张行程数学模型 由前述内容可知伸张行程与压缩行程原理类似，其阻尼力 计算方法也与压缩行程相近。 因此， 伸张行程在伸张阀未开启时， 阻尼力为 A 7 2c d A 式中 △ p _ - A、 两腔压力差。 伸张阀开启后， 阻尼力为 F1 -- , 4 a p _一 菇 8 2 c d A d A 。 式中 ，-伸张阀等效过流面积。 4油气悬架阻尼特I生 影响因素分析 4 ． 1油气悬架阻尼特性仿真试验 根据减振器台架试验国标 Q C ／ F 5 4 5 1 9 9 9 汽车筒式减振器台 架试验方法的相关规范进行了油气悬架的台架试验 ，以频率 1 ． 6 7 H z 工况为例进行说明。图 2中虚线所示为油气悬架台架试 验的示功特性曲线 ，试验工况为 1 ． 6 7 H z 频率下 5 m m、 1 0 ra m、 1 5 mm、 2 0 mm、 2 5 m m幅值的正弦位移输入。图中正值为伸张行程 阻尼力， 负值为压缩行程阻尼力， 试验数据经过了平滑处理剔除 了高频干扰波形。 依照台架试验的工况要求， 结合油气悬架阻尼力 特陛数学模型对相应工况进行仿真试验， 计算结果如图2中实线所 示， 同样， 图中正值为伸张行程阻尼力， 负值为压缩行程阻尼力。 位移 一 图2油气悬架仿真与试验示功特性对比图 F i g ． 2 I n d i c a t i o r Di a g r a m o f Hy d r o -P n e u ma t i c S u s p e n s i o n S i mu l a t i o n a n d T e s t No ． 1l N O V ． 2 0 1 4 机 械设 计 与 制造 由图 2可以看出 1 试验曲线数值略大于仿真计算的数 值 ， 这是因为仿真模型均采用理想模型 ， 并且忽略了系统的内摩 擦等因素造成， 但是试验与仿真的结果差别并不大， 在合理范围 内； 2 试验曲线与仿真曲线大致吻合 ， 证明了油气悬架阻尼特 陛 数学模型的正确性。 4 ． 2油气悬架阻尼特性影响因素分析 油气悬架的阻尼特性受到自身结构参数以及外界因素的影 响，通过仿真试验确定各个参数对油气悬架阻尼特性的影响趋 势， 可以更好地为油气悬架设计与优化提供参考。影响油气悬架 阻尼特性的因素有很多， 如阻尼孔直径、 激振频率、 单向阀系节流 口面积等。以所建立的油气悬架阻尼特f生 数学模型为基础， 采用 2 5 mm行程工况为例， 改变阻尼孔直径、 激振频率、 压缩阀节流 口 等效过流面积考察油气悬架阻尼力的变化趋势。 阻尼孔直径选用 5 m m、 6 mm、 7 m m三种不同直径进行计算 ，阻尼力变化如图 3 所 示， 随着阻尼孔直径的变大， 油气悬架阻尼力越小， 说明小阻尼孔 可以提供较大的阻尼力。 位移 mm 图 3阻尼孔直径对油气悬架阻尼力的影响 F i g ．3 E f f e c t s o f Da mp i n g Ho l e Di a me t e r o n Hy d r o - P e n u ma t i c S u s p e n s i o n Da mp i n g Pe r f o r ma n c e 位移 ra m 图4激振频率对油气悬架阻尼力的影响 Fi g ． 4 Ef f e c t s o f Ex c i t a t i o n F r e q u e n c y o n Hy d r o - Pe n u ma t i e S u s p e ns i o n Da mp i n g P e rfo rm a n c e 位移 m m 图5压缩阀节流口等效面积对油气悬架阻尼力的影响 Fi g ． 5 Ef f e c t s o f Ch e c k Va l v e Orific e Ar e a o n Hy d r o -P e n u ma t i c S u s p e n s i o n Da mp i n g P e rfo rm a n c e 由图4 、 图5可以看出 随着激振频率的增大， 油气悬架阻尼 力逐级递增； 而单向阀节流口等效面积的增大引起油气悬架阻尼 力 的减小。 5结论 针对单气室油气悬架的阻尼特性进行了详细研究，通过理 论建模计算与台架试验相结合的方法验证了所建立的数学模型 的有效性。在此基础之上， 对阻尼孔直径、 激振频率、 压缩阀节流 口等效过流面积等关键参数变化引起的油气悬架阻尼特性改变 进行了分析。 1 所建立的油气悬架阻尼特l生 模型是有效的， 可以 较好地反应出油气悬架的外特性。 2 通过分析表明油气悬架阻 尼力随着激振频率的增大而增大； 随着阻尼孔直径 、 单向阀系节 流口面积的增大而减小。 参考文献 [ 1 ] 徐道『临， 张林， 周加喜．重型矿用自卸车油气悬架参数优化[ J ] ． 振动与 冲击， 2 0 1 2 ， 3 1 2 4 9 8 1 0 1 ． X u D a o l i n ， Z h a n g L i n ， Z h o u J i a x i ． P a r a m e t r i c o p t i mi z a t i o n 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 o f a h e a v y mi n i n g d u mp e r l J J ． J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a n d S h o c k ， 2 0 1 2 ， 3 1 2 4 9 8 1 0 1 ． [ 2 ] 杨斌 ， 范文杰 ， 张子达． 油气悬架动态力的识别[ J j _ 农业机械学报， 2 0 0 7 ， 3 8 4 1 6 1 8 ． ． Ya n g B i n ， F an We n I j i e ， Z h a n g Z i - 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