工程车辆双桥油气悬架组振动特性仿真分析.pdf

试验 - 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 工程车辆双桥油气 悬架组振动特性仿真分析 蔡言龙， 张洪 ， 刘利宝， 郭增彩 太原科技大学机械工程学院 摘要 I 通过分析双桥油气悬架组的液压系统原理 ，建立全路面起重机双桥油气悬架组的 7自由度数学模型 ，并基于 AMES i m仿真软件对其建立仿真模型。在 4个车轮同时受载荷激励、 单侧车轮受载荷激励和单桥车轮受载荷激励 3种工况 下 ， 分析双桥油气悬架组的位移、 加速度、 系统压力、 侧倾角和俯仰角的振动特性， 以及不同阻尼孔直径对振动特性的影响， 为 双桥油气悬架组 的研发提供参考 。 关键词 工程车辆； 双桥； 油气悬架； 振动特性 ； 仿真 油气悬架具有 良好的非线性阻尼和刚度特性 ，可实 现刚性闭锁和 自由调节车身高度等功能 ，广泛应 用于工 程车辆 。重型车辆的油气悬架系统油路连接方式多数采 用互联式 ， 且对于具有多桥的重型车辆 ， 油气悬架 系统往 往采用双桥或多桥并联的油路连接形式。目前 ， 国内对油 气悬架的研究大都以单轮或者单桥油气悬架系统为研究 对象 ，以双桥油气悬架组为研究对象 的成果和论文几乎 为空 白。本文 以某 6 桥全路面起重机的油气悬架 系统为 研究对象 ， 建立双桥油气悬架组的 7自由度数学模型 ， 并 基于 ．a V L E S i m仿真软件对其建立仿真模型 ，研究在不同 阻尼孔直径下双桥油气悬架组的振动特性 ，为多桥工程 车辆油气悬架组的研究及应用提供有效的参考。 1 双桥油气悬架组的液压系统原理 全路面起重机双桥油气悬架组的液压系统原理如图 1 所示l1 l 。 该系统主要由 4 个悬架液压缸 、 2 个锁紧阀、 2 个 蓄能器 、 2 个回油阀、 2 个进油阀和液压油管组成。其连接 1 ． 悬架液压缸2 ． 锁紧阀3 ． 蓄能器4 ． 回油阀5 ． 进油阀 图 1 双桥油气悬架组的液压系统原理图 方式为 1 桥 2 桥 的两个悬架液压缸的有杆腔之间和无 杆腔之间分别相连 ， 两个悬架液压缸的无杆腔通过锁紧阀 作者简介 蔡言龙 1 9 8 9 一 ， 男， 山东高密人， 在读硕士， 研究方向 工程车辆油气悬架系统研究。 2 2 I 霏 缸 械l 2 0 “ ‘5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第 4 5 卷 l 第5 期 总第 4 8 7期 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。 在实际的安装过程中， 该系统中的 4 个悬架液压缸的 活塞杆在上并与车架铰接； 缸简在下与车桥铰接。 另外， 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。 2 双桥油气悬架组的 7自由度数学模型 本文在建立双桥油气悬架组数学模型时做了如下假设 1 假设车身是一个刚性体； 2 假设悬架液压缸的活塞与缸筒内壁之间没有摩擦； 3 假设系统中的液压油是连续不可压缩 的； 4 假设整个油气悬架系统密封性 良好 ，不存在任 何泄漏 ； 5 假设蓄能器气室内的气体处于绝热状态 ，其压 强和体积不受温度影响。 基于上述假设 ，建立全路面起重机双桥油气 悬架组 的 7自由度振动数学模型， 如图 2 所示。该模型主要由车 架 、 悬架液压缸 、 蓄能器、 液压油管和轮胎模型等组成 。 其 中 ， 将悬架液压 缸简化为阻尼孔 、 单向阀和液压缸 ， 将轮 胎简化为线性弹簧阻尼系统[2 1 。7自由度分别为车架的竖 直方向移动、 车架绕质心的侧倾运动和俯仰运动 ， 以及 4 个非悬挂质量在竖直方向的运动。 图 2 中 ， m为双桥承载的车身质量 ， k g ； l 、 J 为车身侧 倾转动惯量和俯仰转动惯量 ， k g m 2 ； 为车身的竖直位 移 ， m； 0 、 为车身侧倾角和俯仰角 ， r a d ； L 、 L 为车身质心 到左右悬架液压缸支撑点的距离， m； R 、 R 为车身质心到 1 桥和 2 桥的距离， m； a 、 A为悬架液压缸有杆腔和无杆腔 的有效截面面积， m 2 ； p 分别为 4 个悬架液压缸有杆 腔的压力 ， P a ； p r 分别为 4个悬架液压缸无杆腔的压 力 ， P a ； m t m 分别为 4 个非悬挂 质量 ， k g ； X X 分别为 4 个轮胎所受路面激励 ， m； X c “ X 。 分别为 4 个非悬挂质量 的 竖直位移 ， m； K t 为轮胎的等效刚度 ， N／ m； c t 为轮胎的等 效阻尼 ， N／ m ／ s 。 由图 2 所示的 7自由度数学模型 ，可 以得 出整个系 统的振动微分方程 ∑ A _ p 。 ～ 1 1 1 0 L ， ∑ P A iA - p Ⅱ 屯 ∑ p IA _ p 。 l 1． i 2． 4 J 4 , R ∑ A - P Ra - R ∑ P a lA -- p 口 A - P 口 m 。 ； K - X c t 。 - 2 A m 2 6 K 2 - X 6 G l 2 6 2 A 葺 K l X 3 - X ， c f 毫 A m 4 X 8 K t X 4 - X 8 c t 4 - 2 8 十 p Ⅱ 8 4 A 由上述微分方程可以得到车架与 4 个悬架液压缸支 撑点的速度和位移 ，即车架反馈给 4 个悬架液压缸的速 度和位移，当车身的侧倾角和俯仰角较小时该速度和位 图2 双桥油气悬架组的7自由度数学模型 p 4 C 2 0 1 4 5 I 工 械I 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 - 研究 T e s t a n d Re a s e a r c h 移可以表示为 。 』 ￡ 』 。 』 』 一 L f R 。 』 ， f f 一 f 』 一 f 一 R 』 ， 』 ￡ J 。 』 书 4 一 f 。 』 』 』 一 尺 I 』 一 L J 一 R 』 式中 ～ 为车架反馈给 4 个悬架液压缸的速度， m ／ s ； 为车架反馈给 4 个悬架液压缸的位移 ， m。 ⋯ 3 基于 AME S i m的双桥油气悬架组仿真分析 3 ． 1 建立 AME Si m 仿真模型 为了研究双桥油气悬架组的振动特性 ， 根据图2 所示 的悬架系统 7自由度振动数学模型 ，建立A ME S i m仿真 模型 ， 如图 3 所示。 该仿真模型主要包括 车身单元、 悬架 液压缸、 蓄能器 、 阻尼孔和单向阀、 非悬挂质量 、 轮胎 的刚 度和阻尼单元、 液压流体特性、 液压油管以及路面激励。 1 车身单元 该单元是基于整个系统的振动微分方 程 以及公式 1 和 2 在 A ME S i m 中建立 的超级元件 ， 它 由A ME S i m的信号 一控制库中的元件搭建而成 ，包括车 身的质量 、 侧倾转动惯量 、 俯仰转动惯 量 ， 以及车身质心 到左右悬架和前后桥之问的距离等参数 。通过该单元可 以仿真得到车身的加速度、 速度 、 位移 、 侧倾 角和俯仰 角 等参数 ，它解决了 A ME S i m 的机械库元件只能进行一维 图3 双桥油气悬架组的AME S i m仿真模型 仿真的问题。 2 油气悬架系统 每个悬架液压缸分别 由两个 B R P 1 8 和 B HC 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 R0 0 0 和 C V 0 0 0子模型 ， 液压油管选用 HL 0 1 子模型 。 3 其他部件 轮胎的刚度和阻尼单元选用 S D 0 0 0 0 A 子模型 ， 非悬挂部分选用 MA S 0 0 2 子模型 ， 路面激励选用 2 4 I 霏 缸 献l 2 0 ’5 U D 0 0 子模型 。 在 A ME S i m参数模式下为系统的各部分设置参数 ， 主要仿真参数见表 1 。 3 ． 2 仿真结果分析 3 ． 2 ． 1 4 个车轮同时受激励下系统仿真分析 运用 A ME S i m批处理命令 ， 设置悬架液压缸阻尼孔 的直径分别为 2 n M 、 3 n u n 、 4 t 一 和 5 一 ，然后给 4 个 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 缸 械 第 4 5 卷 I 第5 期 总第 4 8 7 期 表 1 系统主要仿真参数 参数名称 参数值 活塞杆外径 d ／ ra m 9 0 缸筒 内径 D／ m m 1 1 O 蓄能器初始压力 P 。 ／ k P a 4 5 0 蓄能器初始体积 ／ L 4 ． 5 阻尼孔流量系数 0 ． 6 2 单向阀流量系数 O ． 6 1 油管直径 ／ ram 2 5 车身质量 m／ k g 2 4 0 o O 轮胎等效刚度 K 。 ／ N ／ m 2 o o0 o O 轮胎等效阻尼 c l ／ N ／ m ／ s l 0 0 0 左右轮胎间距 ， m 2 ． 5 9 前后桥 间距 ， m 1 ． 6 5 车轮同时施加一个时间为 0 ． 4 S 、幅值为 0 ． 0 3 n l 的路面位 移激 励 ， 设置仿真时 间为 5 S ， 仿 真步长 为0 ． 0 1 s ， 进行仿 真。输出在不同阻尼孔直径下车身质心竖直位移振动特 性曲线、质心加速度振动特性曲线和油气悬架系统中的 压力变化曲线， 如图 4 - 6 所示。 mm毒 S m m - 0．O 1 ． 0 2 ． O 3 ．0 4 ． 0 5．0 图4 不同阻尼孔直径下车身质心位移振动特性曲线 图 5 不同阻尼孔直径下车身质心加速度振动特性曲线 图6 不同阻尼孔直径下系统的压力变化特性曲线 由图 4 - 6 可以得到系统竖直位移、加速度和压力的 峰值 ，并通过各曲线的振动变化规律得到系统达到平横 的时间， 如表 2 所示。通过分析可得 表 2 不 同阻尼孔直径下系统振 动数据 阻尼孔直径 ／ mm 2 3 4 5 位移峰值 ， m 0 ． 0 3 7 0 ．0 2 5 0 ．0 2 2 0 ． 0 2 3 加速度峰值 ／ m s 4 ．0 2 ． 9 1 ． 9 1 ． 6 压力峰值 P a 1 1 ． 6 1 0 ． 7 1 0 ． 5 1 0 ． 6 系统平衡时间 短 较短 较长 长 1 系统的位移峰值 、 加速度峰值和压力峰值均 出 现在系统仿真的前 1 S 内 ， 随着时间的增加 ， 系统会在平 衡位置上下振动， 且振动幅值逐渐减小 ， 最终系统会恢复 平衡。 2 阻尼孔直 径越小 ， 系统 的位移峰值 、 加速度 峰 值和压力峰值越大 ， 且系统达 到平衡的时 间越短。 3 随着阻尼孔直径的增大 ， 系统位移 、 加速度和压 力的振动幅值会逐渐增大 ， 系统达到平衡的时间会增大。 3 ． 2 ． 2 单侧车轮受激励下系统仿真分析 将 3 ． 2 ． 1 中的同时给 4个车轮施加路面激励改为仅 给单侧的车轮施加路面激励 ， 并将仿真时间改为 2 s ， 其他 仿真条件不变 ， 进行仿真。 输出在不同阻尼孔直径下车身 质心侧倾角振动特性曲线， 如图 7 所示。 通过分析图 7可得 1 受到单侧路面激励后 ， 系统的侧倾角会在平衡 位置上下振动 ， 振 动幅值 逐渐减小 ， 最终 系统会 恢复平 衡， 说明双桥油气悬架组具有抗侧倾的能力。 2 系统在不 同阻尼孔直径下产生的侧倾角峰值和 产生峰值 的时间相同 ， 峰值均为 0 ． 0 1 5 r a d ， 产生峰值 的时 2 0 1 4 ．5 l 杠敞 I 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 侧倾角／ r a d 图7 不同阻尼孔直径下车身侧倾角振动特性曲线 问均为 0 ． 2 7 S ， 说明阻尼孔直径的大小对侧倾角的峰值的 影响较小。 3 阻尼孔直径越大 ， 侧倾 角振动幅值也会越大 ， 且 系统恢复平衡的时间会增大 ，说明阻尼孔直径的大小对 侧倾角恢复平衡时间的影响较大。 3 ． 2 ． 3 单桥车轮受激励下系统仿真分析 将 3 ．2 ．2中的给单侧的车轮施加路面激励改为给单 桥 1 桥 的车轮施加路面激励 ， 其他仿真条件不变 ， 进行 仿真 。输 出在不同阻尼孔直径下车身质心俯仰角变化曲 线 ， 如图 8 所示。 ⋯ ～ 一 一 西3／ m 帅 图 8 不 同阻尼孔直径下车身俯仰角变化 曲线 通过分析图 8 可知 1 系统在受到单桥激励作用下， 系统的俯仰角不会 产生明显的振动， 且不会恢复到平衡位置， 说明双桥油气 悬架组不具有抗俯仰的能力。 2 俯仰角最终达到一个稳定值， 达到稳定的时间会 随着阻尼孔直径的增大而增加。 3 系统俯仰角的最终值会随着阻尼孔直径的增大 2 6 l 工 缸拭 I 2 0 1 4 ． 5 先增大 2 ～ 4 n l n 1 ， 后减小 4 5 m m 。 系统在不同阻尼孔直径下俯仰角的最终值和系统稳 定时间， 如表 3 所示 。 表 3 不 同阻尼孔直径 下俯仰角最终值及稳定时间 阻尼孔直径 ／ mm 2 3 4 5 俯仰角最终值 ／ r a d 0 ． 0 l 8 0 ． 0 2 9 0 ． 0 3 5 0 ．0 3 3 系统稳定时间， s 0 ．7 0 ． 9 1 ． 1 l _8 4结论 1 分析了全路面起重机双桥油气悬架组的液压系 统原理 ，建立了全路面起重机双桥油气 悬架组的 7自由 度振动数学模型 ， 并给出了系统的振动微分方程 。 2 基于 A ME S i m建立了双桥油气悬架组的 7自由 度仿真模型 ，且车身单元 的建立解决了 A ME S i m的机械 库元件只能进行一维仿真的问题。 3 通过仿真 ， 分析了双桥油气悬架组的位移振动特 性 、 加速度振动特性 、 系统压力 、 侧倾 角和俯仰角的变化 规律 ， 以及不同阻尼孔直径对它们的影响 ， 为双桥及 多桥 油气悬架组的研究和应用提供 了有效的参考。 参考文献 m彭友谊． 油气悬架系统简介卟建设机械技术与管理． 2 0 0 6 5 8 0 8 3 ． [ 2 1挂恒． 大型轮式车辆油气悬架及电液伺服转向系统研究 f D1 ． 浙江 浙江大学． 2 0 1 1 ． 【 3 1曹杨， 倪文波 ， 黄赫 ． 等． 重载矿舄自卸车油气悬挂的试验 研究m． I程机械， 2 0 1 3 6 2 4 2 7 ． 【 4 1刘雷 ，阮春红． 基于 A ME S i m 的重型车辆油气 悬架振动特 性仿真研究哦． 液压与机床， 2 0 1 1 5 1 0 5 1 0 7 ． 【 5 1孙继勋， 赵广俊 g建鼬． 等． 基于 A ME S i m的单腔油气悬 架阻尼特性仿真分析Ⅱ 】 ． 液压 气动与密封 ， 2 0 1 0 6 2 4 -2 【 6 1李占芳． 全军令， 李或． 单气室油气弹簧的优化设计研究m． 振动与冲击 2 0 1 1 4 1 6 6 1 7 2 ． 通信地址 山西省太原市万柏林区寒流路 6 6号太原科技大 学 9 4 号信箱 0 3 0 0 2 4 收稿日期 2 01 3 - 1 1 - 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m