单气室油气悬架系统的建模与仿真研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 4期 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 3 单气室油气悬架系统的建模与仿真研究 蔡言龙 ， 张 洪， 刘利 宝， 郭增彩 太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 分 析了单气室悬架 油缸的结构 和工作原理 ，并 建立 了单气 室悬架油缸数 学模型和二 自由度悬架 系统数学模 型。然后运用 A ME S i m建立了合理的油气 悬架 系统模 型， 分析 了阻尼孔直径的大小对悬架系统振动特性 的影 响。为单气 室油气悬架 系统 的深入研究 建 立了基础 。 关键词 单气室悬架油缸 ； A ME S i m； 阻尼 孔 ； 数学模型 中圈分类号 T H1 3 7 ； U 4 6 3 ． 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 4 0 0 1 8 04 M o d e l i n g a nd S i mu l a t i o n o f t h e S i n g l e c h a mbe r Hyd r o p n e uma t i c S u s p e n s i o n S y s t e m C AI Ya h - l o n g， Z HANG S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n Ho n g， L I U L i - b a o ， GUO Z e n g - c a i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t An aly s i s s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p ri n c i p l e o f t h e s i n g l e - c h a mb e r s u s p e n s i o n c y l i n d e r ,a n d e s t a b l i s h ma t h e ma t i c a l mo d e l s o f t h e s i n g l e - c h am b e r s u s p e n s i o n c y l i n d e r a n d t wo DOF s u s p e n s i o n s y s t e m． T h e n ， s e t u p the r e a s o n ab l e h y d r o - p n e u ma t i c s u s p e n s i o n s y s t e m mo d e l b a s e d o n AMES i m a n d a n a l y s i s the d i a me t e r s o f the o r i fi c e o n the i n fl u e n c e o f t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e ris t i c s o f s u s p e n s i o n s y s t e m T h i s s t u d y e s t a b l i s h e s t h e f o u n d a t i o n f o r f u r t h e r s t u d i e s o f t h e h y d ro p n e u ma t i c s u s p e n s i o n s y s t e m． Ke y wo r d s s i n g l e c h a mb e r s u s p e n s i o n c y l i n d e r ； AME S i m； o rif i c e ； ma the ma t i c a l mo d e l O引言 由于油气 悬架具有 良好 的非线性 刚度 和阻尼特 性 ． 并可以实现 自由调节车身高度和刚性闭锁等功能 ， 因此在矿用 自卸车 、工程车辆和军工车辆上得到了广 泛的应用【 n 。单气室悬架油缸结构简单 、 加工要求低 、 工 作可靠 、 应用较多 ， 因此对单气室油气悬架的数学模型 和阻尼特性的研究具有实际意义 1 单气室悬架油缸工作原理 单气室悬架油缸的结构如图 1 所示 。它主要 由活 塞及活塞杆 2 、 缸筒 3 、 阻尼孔 4和单 向阀 5等部件组 成 悬架油缸的内部有 I 和 Ⅱ两个油腔 ． 油腔 I 一方面 通过阻尼孑 L 4和单 向阀 5与油腔 Ⅱ相连通 ．另一方面 通过液压油管 7与蓄能器 6相连通 。活塞及 活塞杆 2 在上 ． 通过上铰接端 口 1与车架铰接 ； 缸筒 3在下 ， 通 过下铰接端 口 8与车桥铰接 悬架油缸的工作过程可 以分为压缩行程和复原行 程两部分回 当悬架处在压缩行程时．活塞及活塞杆 2相对于 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 1 4 作者简介 蔡言龙 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山东 高密人 ， 硕士研 究生 ， 研 究方 向为车 辆结构分 析与现代设计 方法 。 1 8 缸筒 3向下运动 ， 此时 ， 油腔 I 体积变小 、 压力变大 ， 油 腔 Ⅱ体积变大、 压力变小 。 单向阀 5打开 ， 油腔 I里 面 的液压油受到压缩 向两个方 向流动 ．一部分液压油通 过单 向阀 5和阻尼孔 4流人油腔 Ⅱ另一部分液压油 经过液压油管 7流入蓄能器 6 ．使蓄能器 气室受 到压 缩 ， 体积变小 ． 压力升高。 1 一上 铰 援 端 E l 2 一活 塞 及 活 塞 杆 3 一 缸筒4 一 阻尼孔5 一 单 向阀 6 一 蓄能器7 一 液压油管8 一 下 铰接端 口 图 1 单气室悬架油缸结构 当悬架处在复原行程时 ．活塞及 活塞杆 2相对 于 缸筒 3向上运动 ， 此时 ． 油腔 I体积变大、 压力变小 ， 油 腔 Ⅱ体积变小 、 压力变大 ． 单 向阀 5关 闭 ， 油腔 Ⅱ中的 液压油通过 阻尼孔 4流人油腔 I．蓄能器 6中的部分 液压 油也 流入 油 腔 I Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N O ． 0 4 ． 2 0 1 4 2 数学模型的建立 在建立油气悬架数学模型时做 了如下假设 1 假设活塞与缸筒 内壁之 间没有摩擦 ， 液压油在 液压管道内流动时没有摩擦 2 假设液压油是连续不可压缩的 ， 且整个油气悬 架系统密封性 良好 ， 不存在任何泄漏 ； 3 假设 蓄能器气室 内 N 处于绝热状 态 ， 压 强和 体积不受温度影 响 2 ． 1 悬 架油 缸数 学模 型 将 单气室悬 架油缸 简化 为如 图 2所示 的数 学模 型 图 中取悬架 油缸的静平衡位 置为初始位置 ， 悬架 油缸 的输 出力为 F．活塞及活塞杆相对 于缸筒 的位移 为 图 2悬 梁 油 缸 数 学 模 型 由流体力学知识 ．建立单气室悬架油缸 的输出力 平衡方程 ， 如下 F p 1 S l - p 2 1 式 中 卜悬架油缸输 出力 ， N p l 、 p 厂油腔 I、 油腔 Ⅱ的压 力 ， P a ； ．s 、 一油腔 I、 油腔 Ⅱ的有效截面面积 ， m 。 P 1 和 P 2 存在如下关系【 3 J p l 2 2 s i g n 2 式 中 液压油密度 ， k g ／ m 。 ； p 流过阻尼孔和单向阀的流量 ， m3 ／ s ； A 阻尼孔和单向阀的过流面积 。 mz ； c _ 一流量系数 ， 通常 ， C O ． 6 ～ 0 ． 8 1 6 活塞相对于缸筒的移动速度 ． s ； s i g n 符号函数 ， 定义为 s i g n X { 0 0 O 一 1 O 阻尼孔和单 向阀的流量计算公式 。 如下 Q S zX 3 由热力学相关知识可知 ．蓄能器 内气体 的状态方 程 。 如下 p V 0 V 0 4 式 中p 。 蓄能器初始状态下的气体压力 ， P a ； 蓄能器初始状态下 的气体体积 ， m ； p 蓄能器动态下的气体压力 ， P a ； 蓄能器动态下的气体体积 ， m s 气体多变指数 ， 通常 ， r l ～ 1 ． 4 。 蓄能器内气体体积变化关系， 如下 V V - s 1 - 2 5 式 中 活塞相对 于缸筒的位移 ， m。 忽略油液在管道内流动时的摩擦 。 可得 p 1 6 式 1 6 所组成的数学方程组 即为单气室悬架 油缸的数学模型 ． 由此可以求 出输出力 F的表达式 ． 如 下 丢 ． 2s ig n 7 V - s l 一 C 当悬架油缸处于压缩或复原行程时 ． 即 和 发生 变化时， 便可求出悬架油缸的输出力 F的值 。由式 7 可知 ，影响悬架油缸输出力 的参 数有蓄能器初始压力 与初始体积、 活塞杆 的截面积、 阻尼孔和单向阀的有效 节流面积等 。由式 7 第二项可以看出阻尼力与活塞及 活塞杆相对于缸筒 的移动速度的平方成正比．可知油 气悬架的阻尼力是非线性 的 2 ． 2二 自由度悬 架 系统数 学 模型 如 图 3所示 ．建立重型车辆悬架系统 的单轮二 自 由度振动数学模型 此模型只考 虑悬挂在垂直方向的 振动 。 忽略其他 自由度的振动 。根据数学模型可得悬挂 质量和非悬挂质量的运动方程 ， 如下 X3 一 F 0 8 1 2 nK 2 1 2 0 9 式中 。 、 非悬挂质量和悬挂质量 ， k g ； 、 、 路面激励 、非悬挂质量块和悬挂 质量块 的位移 ， m ，、 ， 非悬挂质量块和悬挂质量块的加速 度 。 m ／ s ； ，非悬挂质量块 的速度 ， m ／ s ； K． 轮胎刚度 ， N ／ m； e轮胎阻尼 ， N ／ m S - 1 。 由式 7 、 8 和 9 即构建 了单轮二 自由度振动数 学模型。 1 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 0 4期 图 3二 自 由度 悬 架 系 统 数 学 模 型 3 基于 AME S i m建模仿真研 究 3 ． 1 模型 建 立与 仿真 根据 图 3所示 的单 轮二 自由度悬 架系统 数学模 型 ， 建立其 A ME S i m仿真模型 图 4 。为系统中的每个 图形模块选择合理的子模型 ．然后为每个 图形模块设 置需要的特性参数 ． 主要参数如表 1 所示。 悬 架 油 缸 蓄 能 器 悬挂质量 ④液 图 4 二 自由度悬架系统 AME S i m 模型 表 1 AME S i m模 型参数 参数名称 参数值 单位 油缸行程 活塞杆外径 d 缸筒内径 蓄能器初始压力 蓄能器初始体积 气体多变指数 ， 阻尼孔流量系数 单向阀流量系数 悬挂质量 瞄 非悬挂质量 逝 轮胎刚度 五 轮胎阻尼 G 3 0 0 m m 9 0 m m 1 1 0 ra m 4 5 b a r 4 ． 5 L L 4 O ． 6 2 0 ． 6 1 6 0 0 0 kg 1 0 0 0 k g 3 0 0 0 0 0 0 N ／ m 1 0 0 0 N ／ mS - 运用 A ME S i m批处理命令 ．设置阻尼孔的直径分 别 为 1 、 1 ． 5 、 2 、 2 ． 5 、 3 、 3 ． S mm， 仿真 时 ， 先让 悬架 系统在 没有外部激励的情况下达到静平衡 ．然后添加一个 时 间为 0 ． 4 s 、 幅值 为 0 ． 0 3 m的路面位移激励 。在 A ME S i m 运行模式下 ， 设置仿 真时间为 6 s ， 仿 真步长为 0 ． 0 0 1 s ， 20 进行批处理仿真 。 最后 ，输 出在不 同阻尼孔直径下车身的垂直位移 见 图 5 和垂直加速度 曲线 见 图 6 。为 了使 曲线 清 晰 ，图中仅 给出了阻尼孔直径 为 l mm、 2 m m和 3 ． 5 m m 下部分时间的加速度 曲线 。 g ＼ 趟 图 5 不 同阻尼孔直径下车身垂直位移 曲线 { { 醛 瑙 景 图 6不 同 阻尼 孔 直 径 下 车 身 垂 直 加 速 度 曲线 3 ． 2仿 真 结果 分析 通过分析图 5可以得到 1 阻尼孔的直径较小时 ， 车身位移有一个 比较大 的负值 ， 且车身达到平衡位置所需要的时间较长 ； 2 随着阻尼孑 L 直径增大 由 l mm增大到 2 ． 5 m m 时 ． 车身位移 的负值逐渐减小 。 且车身达到平衡所 用 的时 间也 减小 3 当阻尼孑 L 直径继续增大 由 2 ．5 mm增大到 3 ．5 mm 时 ， 车身位移在平衡位置上下振动 ， 且振动 的幅值 也 越来越大 ． 车身平衡所用的时间也越来越大 通过分析图 6可 以得到 1 阻尼孔 的直径越小 ， 车身垂直加速度振荡 幅度 越大． 其波峰和振荡频率也越大 2 车身垂直加速度达到平衡 的时间， 随着 阻尼孔 的直径增大 ， 先减小然后又增大 。 综上可知 ． 阻尼孔过小 ． 车身垂 直位移和加速度会 出现过大 的幅值 峰值 ； 阻尼孔过大 ， 车身垂直位移和 加速度达到平衡 的时间会过长 我们可以综合分析车 一 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 0 4 ． 2 0 1 4 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 4 液压系统动态特性研究方法分析 晁智强， 宁初明， 韩寿松 ， 刘相波， 朱奇龙 装 甲兵工程学院 机械工程系 ， 北京1 0 0 0 7 2 摘要 液压系统 由于其 工作环境 的复杂性 ， 受 到的外 部干扰较多等 因素的影响 ， 良好的动态特性能有效 保证系统 的稳定性 和过 渡品 质。利用计算机进行仿真分析和试验验证可有效掌握液压系统的动态性能 ， 为改进 系统设计和完善现有系统提供依据。 关键 词 液压系统 ； 动态特性 ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ； U 4 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 4 0 0 2 1 0 3 The Ana l y s i s o f t he Re s e a r c h M e t h od o n Hyd r a u l i c S y s t e m Dy n a mi c Be h a v i o ur C H A0 Z h i q i a n g ， N I NG C h u m i n g ， H AN S h o u s o n g ， L I U Xi a n g - b o ， Z HU Q i - l o n g A c a d e my o f A r m o i r e d F o r c e s E n g i n e e r i n g Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Be c a u s e o f t h e c o mp l e x i t y o f wo r k i n g c o n d i t i o n s ， t h e i n fl u e n c e o f t h e e x t e r n al d i s t u r b a n c e t o the h y d r a u l i c s y s t e m i s mo r e ， a n d g o o d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s c a n e ff e c t i v e l y e n s u r e the s t a b i l i t y a n d t r a n s i t i o n o f q u a l i t y s y s t e m． Us i n g c o mp u t e r s i mu l a t i o n an a l y s i s a n d e x p e r i me n t v ali d a t i o n c a n e ff e c t i v e l y g r a s p t h e d y n a mi c p e rf o r ma n c e o f h y d r a u l i c s y s t e m， p r o v i d i n g the b a s i s f o r i mp r o v i n g the s y s t e m d e s i g n a n d t h e e x i s t i n g s y s t e m． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m ； d y n a mi c b e h a v i o u r ； s i mu l a t i o n 0 引言 液压传动及控制技术[ - 卅由于具有输 出功率大 、 控 制精度高、 响应速度快等诸多优点 ， 液压系统在 国民经 收稿 日期 2 0 1 3 一I 1 1 9 作者简介 晁 智强 1 9 6 7 一 ， 男 ， 吉林辉南人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事流体传 动和控制方 面的研究 工作 。 济领域和军事装备中的应用越来越广泛 ．其性能的好 坏直接影响到整个系统的性能 由于液压系统其 自身构成的复杂性 ．负载变化的 多样性 ， 工作环境的恶劣性等诸多 因素的影响 ． 在实际 工程系统 中动态品质引起 的稳定 性等问题 日益严重 ． 仅进行 系统静态特性 的研究 已远不能满足现代工程实 际的要求 ， 必须对动态特性进行分析研究。针对不 同设 身垂直位移 、 加速度的幅值和达到平衡的时间情况 ． 得 到阻尼孔直径的最优值 。本例中 ， 阻尼孔直径的最优值 在 2 ～ 2 ． 5 mm之 间 4 结语 1 通过分析 单气 室悬 架油 缸 的结 构 和工作 原 理 ． 建立 了单气室悬架油缸 的数学模型 和重 型车辆悬 架 系统 的单 轮二 自由度振 动数学模 型并推导 出了悬 架油缸 的输 出力 的方程 ． 得 出悬架油缸 阻尼力是非线 性 的 2 基于 A ME S i m建立 了单气室油气悬架系统 的 二 自由度模型 ． 通过仿真 ． 分析了单气室油气悬架不同 阻尼孔 直径对车身垂直位移和垂直加速的影响 ．为单 气室油气悬架系统的深入研究建立 了基础 参考 文 献 李 占芳， 仝军令， 李 威． 单气 室油气 弹簧的优化设计研 究[ J ] ． 振 动与冲击。 2 0 1 1 ． 4 1 6 6 1 7 2 ． 秦家升， 安 静， 等． 油气悬架 的特征及其结 构原理分析[ J ] ． 工程 机械， 2 0 0 3 ， 1 1 7 1 0 ． 孙继勋， 赵 广俊 ， 吕建刚。 等． 基 于 A ME S i m 的单腔 油气悬架 阻 尼特性仿真分析【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 6 2 4 2 7 ． 刘雷， 阮春 红． 基 于 A ME S i m 的重 型车辆 油气悬 架振动 特性 仿真研究[ J ] ． 液压与机床， 2 0 1 1 ， 5 1 0 5 1 0 7 ． 蔡 福海． 全路面起 重机油气悬 架系统仿真 与优 化『 D 1 ． 大 连 大 连理工大学． 2 0 0 6 ． 杨 非， 雷金柱 ． 基 于 A ME S i m 的工程 车辆液 压悬架 系统仿 真 【 J 】 ． 液压气动 与密封， 2 0 0 8 ， 2 3 1 3 4 ． 曹瑞元， 张宏， 熊诗 波． 矿用 汽车油气悬 架系统建模 与仿真[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 1 ， 1 2 3 9 2 4 1 ． 21 Ⅲ 网