工程车辆双桥油气悬架性能对比仿真分析.pdf

2 01 5年 8月 第 4 3卷 第 1 6 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 6 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 6 ． 0 2 9 工程车辆双桥油气悬架性能对比仿真分析 李魁 ，张洪，蔡言龙 太原科技大学机械工程 学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要通过分析全路面起重机双桥油气悬架组的液压系统油路图，建立双桥油气悬架组的 7自由度数学模型，分析并 联式和独立式双桥油气悬架模型主要区别，并利用 A ME S i m仿真软件建立并联式和独立式双桥油气悬架仿真模型。对比分 析了两种悬架系统 的压力 、轮胎 动载荷 、垂直加速度等参数 的最大值 ，得 出并联式 悬架组 的性 能指标要 优于独立 双桥悬架 的结论。 关键词 全地面起重机 ；双 桥油气悬 架 ；仿真分析 中图分类 号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 6 - 0 9 1 4 S i mu l a t i o n Re s e a r c h o n t h e Two Ax l e s Hy d r o． p ne u ma t i c S us pe n s i o n f o r Co n s t r uc t i o n Ve hi c l e s L I Ku i ， ZHANG Ho ng， CAI Ya n l o n g S c h o o l o f t h e 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 U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4。C h i n a Ab s t r a c t ．．By a n a l y z i n g t h e h y d r a u l i c s y s t e m c i r c u i t d i a g r a m o f t h e a l l t e r r a i n c r ane’ s t wo a x l e s h y d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n H P S ， 7 D O F m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e t w o a x l e s H P S g r o u p w a s e s t a b l i s h e d ． T h e m a i n d i f f e r e n c e s o f i n d e p e n d e n t t y p e a n d p a r a l l e l t y p e t wo a x l e s HPS mo de l we r e a l s o s t u di e d，a n d t he i r s i mu l a t i o n mo de l s we r e s e t u p b a s ed o n AMESi m s o f t wa r e ．The ma x i mum p r e s s u r e，t i r e d y n a mi c l o a d，a n d v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n a b o u t t h e i n d e p e n d e n t t y p e a n d p a r a l l e l t y p e t wo axl e s HP S mo d e l w e r e c o mp a r a t i v e l y a n aly z e d． T h e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e p e r f o r ma n c e i n d e x o f t h e p a r a l l e l t y p e t w o axl e s HPS i s s u p e r i o r t o t h a t o f t h e i n d e p e n d e n t t wo axl e s HPS． Ke y wo r d s Al l t e r r a i n c r a n e；T wo a x l e 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 i mu l a t i o n a n a l y s i s 油气悬架是全地 面起重机底盘 的关键 装置 ，也是 实现多桥车辆底盘的必备条件 ，是发展现代特种车辆 及大型车辆 的关键技术 之一 。工程 车辆的油气悬架系 统油路连接方式分为并联式 和独立 式⋯。 目前 ．国内 针对双桥油气悬架 的研究成 果和论 文较少 。作者 以某 6桥全路 面起重机的油气悬架 系统为研 究对象 ．建 立 双桥油气悬架 的 7自由度数 学模 型 ，并基于 A M E S i m 仿真软件分别建立并联式和独立式双桥油气悬架仿真 模 型 ．通过对 比分析 了两种悬架系统的压力 、轮胎动 载荷 、垂 直加 速度等参数的最大值 ，得到两种悬架 系 统 的性 能特征 ，为多轴工程车辆油气悬架 的研究及应 用提供 有效的参考 。 1 双桥油气悬架液压原理 图 1 为全路面起重机并联式双桥油气悬架组的液 压系统油路 图。如 图 1所 示[ 2 ] ，此 振 动模 型 包 括 车 身 、液压软管 、4个液 压 油缸 、4个 阻尼孔 、4个单 向阀 、2个 蓄能器 、4个 非悬 挂质 量块 以及 4个 轮胎 简化模型等。 P T 液 压缸 气 控 阀 蓄 能 器 电磁 阀 回 油 电磁 阀 进 油 图 1 并联式油气悬架的液压系统油路图 图中，液压油缸 、液压软管 、单 向阀以及阻尼孑 L 构成悬架油缸 ，另外把车轮简化成阻尼和弹簧，其质 量归于非 悬 挂质量 块 。其 连接 方 式为 1桥 2桥 的两个悬架液压缸 的有杆腔之 间和无 杆腔之 间分别 相 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 6 基金项 目山西省特色重点学科建设 项 目 晋 教材[ 2 0 1 2 ]1 4 5 作者简介李魁 1 9 8 8 一 ，男 ，硕士研究生，现从事非路面机械的虚拟样机技术研究。E m a i l 9 2 机床与液压 第 4 3卷 连 ．两个悬架液压缸的无杆腔通过锁紧阀与蓄能器相 连 ，且该蓄能器还通过液压管道与 2 桥 1 桥的两 个 悬架液压缸 的有杆腔相连 ，悬架液压缸的无杆腔还 分别通过 回油 阀、进油 阀与液压系统的 回油 口、进 油 口相通 ，悬架液压缸 的有杆腔与 2 桥 1 桥 的蓄 能 器相连。当进油 阀接通 ，可 以实现车架整体升高 ；当 回油阀接通 ．可 以实现 车架 整体 降 低 当锁 紧阀 断 开 ，悬架 系统处 于刚性 闭锁状态 ；当锁紧阀接通 ，悬 架系统处于弹性 负载状态 。 图 2为独立式油气悬架液压系统油路图，该模型 具有 4 个蓄能器 并联式油气悬架组具有 2个 ，且 该模型 的 1 桥和 2桥 之间 的油气悬 架系统 是独立 的 ， 没有通过液压油管连接。 P T 1 一 液 压缸2 一 气控 阀 3 一 蓄 能器4 一 电磁 阀r 回 油 5 一 电磁 阀 进 油 图 2 独立式油气悬架液压系统油路图 2双桥油气悬架数学模型的建立 油气悬 架系统 的物理结构复杂 ，且在实际工作过 程中不确定 性因素较多 ，为建立其数学模型 ，需要将 悬架系统进行必要的简化 ，如果完全按照实际情况建 立其数学模型，会为研究带来不必要的工作量 ，增加 研究 的难度 ，影响研究的后续进展 。文 中对其做下述 简化 ] 1 忽略活塞 和缸筒相对运动 时的摩擦 ； 2 假设油气悬架内的油液不能被压缩 ，且其 特性不受外部条件的影响； 3 假设蓄能器中的氮气和外界绝对绝缘 ，即 气体的相关参数不受外界环境因素的影响； 4 假设 整个 系统在 工作 过程 中不存 在泄 漏 问 题 5 假设车架为刚性体。 建立如图 3 所示的双桥油气悬架的振动模型。该 模型具有 7自由度 ，可 以反 映 车身 质 心 的垂直 、侧 倾、俯仰运动，还有4个非悬架的垂直位移运动。 图3 双桥油气悬架组的数学模型 图3中，m表示车身的质量 k g ；， 、t， 分别表 示 车架 的侧倾 、俯仰转 动惯量 k g m ；X表 示质 心处垂直位移 m ； 、 表示 车架 的侧 倾角 、俯仰 角 r a d ； 、厶表示左右两侧液压缸上铰接点到质 心的水平距离 m ；R 、R ， 表示质心到 1 、2桥的 水平距离 m ；A、a表示液压缸大腔、小腔的横截 面积 m ；P ～ p 表示 4 个 油缸小腔 的压力 P a ； P 。 ～ p 表示 4个 油缸 大 腔 的压 力 P a ；m。 ～m 表 示 4 个非悬挂质量 k g ；X ． ～ X 表示 4个轮胎受到 的位移信号 m ；X ～ X 表示 4个非悬挂的垂直方 向的 位 移 m ； C 、K 表 示 轮 胎 的 等 效 阻 尼 N s ／ m与等效刚度 N ／ m 。 根据图 3 所示的简化的振动模型，推导其振动微 分方程 4 ∑ p A P n 一 m g 1 i1 1 0 。 ∑ p A p n 一 ∑ p A p 。 i 1 ， 3 i 2，4 m K 。 一X C m 6 K 一X 6 C m 3 K X 3 一X 7 C 。 3 m 8 K X 一X 8 C 4 一 墨 P a l a P A 1A 4 一 p 2 0一 P A 2 A 5 一 7p a 3 aP A 3 A 6 一 Bp a 4 口一P A 4 A 7 由式 1 一 7 可 以得 到 4个 液压 缸上 铰接 处点的垂直速度及垂直位移，如果车架的侧倾角与俯 仰角都比较小 ，则垂直速度与垂直位移表示为 、 ＼ 2 3 、 ， o p A A P ∑ R 一 、， 0 p A A p ／ 2 ∑ R 膨 第 1 6期 李魁 等工程车辆双桥油气悬架性能对比仿真分析 9 3 x 。 2 ＼ x L ＼ R ＼ x3 ＼ x t , f 0 一 R 2 4 ＼ L 2 ＼ R 2＼ 2 ； l x L t R 。 c 2 x L 2 R 。c3 x L 一 R 2 x 4 义一L 2 一R 2 毒 8 9 式 中 x ． ～ x 为给 4个液压缸活塞杆 的速度 m ／ s ； ， ～ 为给 4个液压缸活塞杆 的位移 m 。 3 并联式双桥油气悬架的仿真模型的建立 为研究上述模 型的振动规律及特性 ，由图 3和式 1 一 9 ，运用 A M E S i m 软件 ，建立 图 4所 示 仿 真模 型。该模 型包括 1 个 车身单 元 C A R B O D Y 、4 个 液压缸单元 、2 个蓄能器模块 H A 0 0 0 、4个阻尼 孔模块 O R 0 0 0 、4个单 向阀模块 C V 0 0 0 、4个 非悬挂质量模块 M A S 0 0 2 、4个 刚度 一 阻尼单元 S D 0 0 0 0 A 、1 个普通液压特性元件 F P 0 4 、4个 位移信号发生器 U D 0 0 以及液压管 H L 0 1 。 图 4 并联式油气悬架 的仿真模 型 1 车身单 元 。这个 模 块是 超 级元 件 ，主要 利 用公式 1 一 9 并利用 A ME S i m S i g n a l C o n t r o l 库 中的各个 元件建立 ，包 括积分器元 件 I N T O 、信 号 复制模 块 D Y N D U P 2 、恒 定 信 号 源 C O N S 0 、 信号变量一 机械变量转换元件 F V X S G1 以及基本 的算术运算元件等。在各个模块建立过程中，各个悬 架油缸为车身单元输入力 F信号，车身单元为悬 架油缸反馈位移 X和速度 信号，其反馈信 号按照式 8 和式 9 进行 计算得 出。 2 油气悬架 。每个悬架液压缸分别 由两个 B R ． P 1 8和 B H C l l 子模 块 构 成 ．蓄 能 器 选用 H A 0 0 0子 模 型，阻尼孔和单 向阀分别选用 O R 0 0 0和 C V 0 0 0子模 型 ，液压油管选 用 H L 0 1 子模型 。 3 其他部件 。刚度 一 阻尼单元 轮胎 的数学 模 型 为 S D 0 0 0 0 A．非 悬 挂 质 量 块 的 数 学 模 型 为 MA S 0 0 2 ，路面发生器 的子模 型为 U D 0 0 ，需要对 轮胎 的阻尼和刚度 、非悬挂质量 、路面激励等参数进行设 置，可以得到轮胎动载荷等变量。 4独立式双桥油气悬架仿真模型的建立 为 了对 比分析并联式与独立式油气悬架各方 面的 性能差异 ，建立 了独立式双桥油气悬架 的 A M E S i m仿 真模型 ，见 图 5 。独 立式油气 悬架 的建立方 法和过程 和并联式油气悬架相类似 ，分别建立车身单元 、油气 悬架 和其他部件 ．该模 型与并联 式油气 悬架模 型主要 区别在 于 该模 型具 有 4个 蓄 能器 并联 式 油气 悬 架具 有 2 个 ，且该模 型 的 1桥和 2桥 之 间的油气 悬 架 系统是独立的 ，没有通过液压油管连接 。 图 5 独立式油气悬架的仿真模型 并联式悬架系统的仿真主要参数如表 1 所示。由 于独立式悬 架系统有 4 个 蓄能器 。独立 式悬架 系统将 每个蓄能器的初始体积 设置为 2 L ，其他参数与双 桥油气悬架组一致 ，按照表 1 进 行设 置。 表 1 系统主要仿真参数 活塞杆外径 d ／ mm 缸筒内径 D ／ mm 蓄能器初始压力 p o ／ MP a 蓄能器初始体积 ／ L 气体多变指数 r 阻尼孔 流量系数 C 单向阀流量系数 c 油管直径 d ／ mm 车身质量 m ／ k g 非悬挂质量 m ／ k g 轮胎等效刚度 K／ N 1 13 ． 轮胎等效阻尼 C ／ N s i n 左右轮胎间距 L ／ m 前后桥 间距 R ／ m m 枷 4 ㈣ 一 姗 一 一 2 9 4 机床与液压 第 4 3卷 5 并联式和独立式油气悬架仿真结果对比分析 在 A ME S i m软件 中，为两种 油气悬架 系统 的同一 个车轮添 加一 个如 图 6所示 的位 移 激励 ，其 幅 值取 0 ． 0 4 m、时间为 0 ． 4 s ，设定 合理 的仿真 时间 和步 长 进行仿 真。输 出两种悬架系统的压力对 比曲线 、轮胎 动载荷对比曲线 、车身质心垂直加速度对比曲线．如 图 7 9 所示 ．其中 ．M 为并联式 双桥 油气悬 架 的仿 真曲线 ，N为独立式双桥油气悬架 的仿真 曲线 。 7 5 Z 7 0 禧 6 5 辅 6 0 墓s s 5 O 45 O ． O 1 ． O 2 ． 0 3 ． 0 4 ．0 5 ． O 时间， s 图 6 路面位移激 励 时域 曲线 县 官 煅 最 删 1 ll} 1 0 ． 0 1 ．0 2 ． 0 3．0 4 ． 0 5 ． 0 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 时 间， s 时 间， s 图 8 两种悬架系的轮胎 图 9 两种悬架 系的垂直 动载荷对比曲线 加速度对比曲线 分析仿真曲线 ，可得如下分析结果 1 见图 7 ，在相 同的路面激励下 ，两种悬架 系 统 内的压力值在仿真 时间的前 0 ． 6 s内变化 规律差别 较大 在 t 0 ． 6 s 以后 ，曲线波峰差别很小，但波动 规律有一定 的滞后性 ，并联式悬架系统的压力的最大 值要 比独立式小 ，并联式悬架系统相对于独立式悬架 系统可以减少 液压 冲击对液压管道 的破坏 ，降低液压 油管断裂发生 的可能性 。 2 见 图 8 ，在相 同的路面激励下 ，两种悬 架系 统的轮胎动载荷曲线 在仿 真时 间的前 0 ． 8 s内变 化规 律差别较大在 t 0 ． 8 s 以后，曲线振动规律基本相 同 特 别是在 1 ． 2 s 以后 轮胎 动载荷 曲线几 乎 重合 ， 随着时间的延长 。振 幅差越 来越小 。并联式悬架 的轮 胎动载荷的最大值 比独立式悬架小 ，说 明并联悬架 系 统对路面和轮胎冲击力更小．减少对路面和轮胎的破 坏，道路友好性更好。 3 见图 9 ，在相同的路面激 励下 ，两种悬架 系 统 的轮胎垂直加速度 曲线 的最 大值 出现 在 1 S内，两 种悬架 系统 的垂直加速度在整个仿真时间内的振动规 律相同 ，随着时间的延长 ，振幅差越来越小 。且并联 双桥悬架组 的垂直 加速 度最 大值 要 比独立 双 桥悬 架 小 ，使车辆获得 更好 的阻尼 减震 效果 和 良好 的平 顺 性 ，乘坐舒适性也较独立式悬架 系统更好 。 从图 7 9中可 以看 出 并联 式悬 架各 项 的最 大 值要比独立式悬架小 具体数据可见表 2 ，并联式 油气悬架组系统压力 、轮胎 动载荷 、垂直加速度 的最 大值分别降低 5 ． 5 ％、5 ． 1 ％和 1 7 ． 6 ％，并联式油气悬 架组系统压力 、轮胎动载荷 、垂直加速度 曲线震荡幅 度较小 ， - 说明并联式悬架 的性能 要优于独立式悬架 。 表 2 两种悬架系统最大值数据对比 6结论 首先确立了双桥油气悬架的7自由度简化振动模 型 ，然后在 A M E S i m软件 环境 中 ，分析并联式油气 悬 架和独立式油气悬架模 型主要 区别 ，并基 于 A M E S i m 仿真软件 建立并联式 和独立式油气悬架仿真模型 。对 两种油气悬架 系统进行对 比分析 。通过对 比两种悬架 系统的压力、轮胎动载荷 、垂直加速度等参数的最大 值 ，得 出并联式悬架 的性能 指标要 优于独 立式 悬架 ， 为多桥油气悬架系统的进一步研究及设计方面做了铺 垫 。 参考文献 [ 1 ]彭友谊． 油气悬架系统简介[ J ] ． 建设机械技术与管理， 2 0 0 6 5 8 0 8 3 ． [ 2 ]秦家升， 安静， 单海燕， 等． 油气悬架的特性及其结构原 理分析 [ J ] ． 工程机械 ， 2 0 0 3 ， 3 4 1 1 7 1 0 ． 『 3 ]陈志林 ， 金 达峰 ， 赵六奇 ， 等． 油气主 动悬架 非线 性模 型 的建立、 仿真与试验验证[ J ] ． 汽车工程， 2 0 0 0 2 2 1 6 2 - 1 6 6． [ 4 ]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 ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 5 1 0 5 - 1 0 7 ． 『 5 ]郭建华． 全路面起重机油气悬架系统建模与动力学仿真 研究f D] 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