油气悬架外置机械感应阻尼阀特性研究.pdf

8 0 机 械 设 计与 制造 Ma c hi n e T De s i g nMa n u f a c t ur e 第 7期 2 0 1 1 年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 7 0 0 8 0 0 3 油气悬架外置机械感应阻尼阀特性研究 王 勋 陈思忠 安徽柳工起重机有限公司， 蚌埠 2 3 3 0 0 0 北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 1 0 0 0 8 1 A s t u d y o n t h e o u t s i d e s e n s i t i v e d a mp e r v a l v e o f h y dr o - p n e u ma t i c s u s p e n s i o n f o r v e h i c l e s W ANG Xu n ， CHEN S i - z ho n g ‘ An h u i L i u g o n g Cr a n e C o ． S t d， Be n g b u 2 3 3 0 0 0 ， C h i n a 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d V e h i c l e E n g i n e e r i n g ， B e i j 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 i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a 【 摘要】 设计了一种无需任何电子控制系统就可实现阻尼调节 }其工作原理 、 内部结构及其外特性。根据流体连续性方程 、 运动微分方 外置可调阻尼阀数学模型，研究了该阻尼阀的阻尼特性。 并通过仿真 }和普通外置阻尼阀对车辆平顺性和车轮接地性的影响。 仿真结果表明 现油气悬架阻尼力的两级调节， 使车辆平顺性和操纵稳定性得以改善 i 关键词 油气悬架； 外置感应阻尼阀； 外特性 的外置机械感应 阻尼阁，分析 了 程以及伯努利方程等理论建立了 分析对比了外置机械感应 阻尼阀 ，所设计的外置感应阻尼 阀可实 【 A b s t r a c t 】 A n e w o u t s id e a d j u s t a b l e d a m p e r i s d e v e l o p e d , w h i c h c a n b e c o n t r o l le d b y o p e r a t i n g o n t h e adj u s t abl e v a l v e w i t h o u t e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m ． T h e w o r k i n g p r i n c ip l e ， e l e me n t s s t r u c t u r e a n d v a l v e b e h a v i o r s o f t h e d e v e l o p e d v a l v e a r e s t u d i e d ． A mat h e m ati c a l mo d e l f o r o u t s i d e adj u s t a b l e d amp e r v a l v e i s e s - t a b l i s h e d b y ado p t i n g c o n t i n u i t y e q u ati o n ， d if f e r e n t i a l e q u ati o n s o f mo t i o n ， B e r n o u l l i E q u at i o n a n d t h e d a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c i s s t u d i e d ． B e s i d e s t h e v a l v e p ara m e t e r s ’ i n flu e n c e o n t h e r i d e a n d w h e e l g r o u n d 一 h e s i o n Q 厂 ‘ v e h i c l e i s s t u d i e d b y s i mu l ati n g a n d c o m p a r i n g t h e o u t s i d e s e nsi t i v e d amp e r v a l v e w i t h c o m m o n o n e w h i c h r e s u l t s i n d i c a t e t h at t h e o u t s i d e adj u s t abl e d a m p e r d e v e l o p e d c a n b e adj u s t e d w i t h h y d r o - p n e u - m a t i c s u s p e n s i o n o n t w o s t a g e s ， w h i c h i m p r o v e t h e r i d e a n d c o n t r o l s t a b i l i t y o ft h e v e h i c l e ． Ke y wo r ds Hy dr 0 _ _ pn e umat i c s u s pe n s i on； Out s i de s e n s i t i v e da m p e r v a l v e； Out s i de c h ar a c t e r i s t i c s ● ～● ⋯ “～⋯⋯ ～ i 、 - 、 ⋯ i “ ， “ 1 i、 0 庸 j i、 1 1 ● ■ _ 1 0、 ● 、 - ／ ● 中图分类号 T H1 6 ， U 4 6 3 ． 3 3 文献标识码 A 1 ’上言 何电 子控制系统 就可 实现阻尼的调节， 满足多种路况下、 行驶状 1 日 IJ舌 f 电 丁任币 q 尔现 L 叫 头 阻 匕 州}同l ， 『呐 疋乡 跆 L l、 、 1 ] 恹 被动悬架系统的阻尼一般是在设计条件下经参数优化而确定 态变化时车辆对阻尼阀的使用要求， 其成本也最低， 可靠性最高， 的， 一经选定， 在车辆运行过程中无法针对车辆状态和道路条件等 因此其具有广阔的应用前景和研究价值 。基于某油气悬架设计 因素的变化进行调节， 这就限制了悬架性能的进一步提高。 了一种外置机械感应式可调阻尼阀， 并建立了该阻尼阀的数学模 而具有阻尼可调特性的悬架可根据道路条件等因素选择合 型。 应用该模型可以清楚地描述阻尼阀的阻尼机制， 进行阻尼阀的 适的阻尼， 使车辆在平顺性和操纵稳定性之间处于一个最优的结 动态性能分析及车辆动力学性能研究。 合 点 ” 。 可 调 阻 尼 阀 按 上 作 原 理 可 分 为 四 类机 械 式 、 电 子 控 制 式 、 2阻尼阀结构和工作原理 磁流变和电流变式 、 压电阻式[2 1 。 而机械感应式可调 阻尼阀无需任 设计 的外詈机械感 廊阻 尼阀结构 ． 如图 1所示 ． 该阻尼阀 主 ★来稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 0 参考文献 [ 1 ] 彭国 君．液J土缸密封装置的分析与研究[ J ] ．煤矿机械， 2 0 0 1 1 5 2 5 4 ． [ 2 ] 魏龙， 等．机械密封端面摩擦机制与摩擦状态[ J ] _润滑与密封， 2 0 0 8 6 3 9 4 2 ． [ 3 ] C a r l s o n J D ， C a t a n z a r i t e D M， C l a i r K A ． 1 J J ．C o m m e r c i a l M a g n e t o r h e o 1 0 g i c a l F l u i d De v i c e s Te c h no l o g y ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mo d e r n P h y s i c s B， 1 9 9 6 ． 1 0 2 3 2 4 2 8 5 7 -2 8 6 5 ． [ 4 ] 瞿伟廉， 等新 型足尺磁流变液阻尼器的 设计及仿真分析[ J ] ．武汉理工 大学学报 ， 2 0 0 7 2 8 5 8 8 [ 5 ]H u a n g J ， Z h a n g J Q ， Y a n g Y ． [ J ] ． A n a l y s i s a n d d e s i g n o f a c y l i n d ri c a l ma g n e t o - r h e o l o g i c a l f l u i d b r a k e J o u r n a l o f Ma t e r i a l s Pr o c e s s i n g Te c h n o l o g y ， 2 0 0 2， 1 2 9 5 5 9 -5 6 2 ． [ 6 ] 李建勋．液压缸活塞密封陛能的有限元分析[ D ] ． 沈阳 东北大学， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 李建国， 等．油封动密封机制的有限元分析[ J ] |润滑与密封， 2 0 0 7 1 9 7 - 9 9 ． [ 8 ]C a r l s o n J D ．A d a p t r o n i c s a n d s u l a l [ s t r u c t u r e s [ M] ．B e d i m S p r i n g e r ～ Ve r l a g． 1 9 9 9 1 8 0 1 9 5 ． [ 9 ] 赵四海， 尤福祯．磁流变液密封机制及结构设计 Ⅲ搁 滑与密封， 2 0 0 6 ， 1 7 5 3 1 3 8 1 3 9 ． [ 1 0 ] 金忠．摆动液压缸组合密封的建模与计算[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 1 o 1 8 - 2 2 ． 第7 期 王 勋等 油气悬架外置机械感应阻尼阀特性研究 8 l 要由一个固定阀 7 和一个浮动阀 3 串联组成。浮动阀 3 悬置在 两个始终压缩的且较软的两个弹簧之间， 其可在一定范围内滑动， 由限位座 1 限制其上下移动的区域。当路面对车轮的激励较小 时， 油气悬架系统油液流量较小， 浮动阀 3 在液流的推动下没有 到达限位 ， 其伸张阀和压缩阀无法开启， 油液仅能流过固定阀 7 产生阻尼力； 当路面对车轮的激励较大时， 油气悬架系统油液流量 较大， 浮动阀 3 在液流的推动下到达限位， 其伸张阀和压缩阀开 启， 油液流过浮动阀 3 产生阻尼力并会叠加到由油液流过固定阀 7 产生阻尼力上， 形成大阻尼。因此， 外置机械感应阻尼阀是根据 悬架变形量， 也即路面激励的大小， 自动感知以调整阻尼的大小的 机械式可调阻尼阀。 图 1外置机械感应阻尼阀结构简图 1 ． 限位座 2 ． 压缩阀 浮动阀3 ． 浮动阀体 4 ．常通孔 浮动阀 5 ．伸张阀 浮动阀6 ．压缩阀 固定阀 7 ． 固定阀体 8 ． 常通孔 固定阀9 ． 伸张阀 固定阀 3阻尼阀数学模型的建立 设计的外置机械感应阻尼阀由固定阀和浮动阀组成 ，其最 基本的阻尼元素包括常通孔、 压缩阀和伸张阀。下面分别针对这 三个阻尼元素建立数学模型。假定所研究的流体为定常、 不可压 缩、 不计重力的流体， 并忽略阻尼阀内存在的间隙引起的泄漏和 温度对油液特f生的影响。 3 ． 1常通孔的数学模型的建立 根据伯努利方程可知， 油液流过常通孔压差与流量可表达为 q v 6 A 、 ／ 2 △ ／p 1 式中 q v 流经常通孔的油液流量； A 常i 臣 孑 L 过流面积； △ 常通孔两端的压差； p 一油液的密度； 一 常通孔对应的流量系数。 3 - 2压缩阀数学模型的建立 压缩阀模型结构， 如图 2 所示。 图中 A _ 压缩阀单个阀孔的面积； A。 一阀口盘片与阀孔作用的面积 K 一压紧弹簧的刚度。 根据伯努利方程可知， 油液通过压缩阀孔时流量与压差关 系可表达为 q v A 。、 ／ 2 △ ， p 2 式中 g 流经压缩阀孔的油液流量； △ _压缩阀孔两端的压差。 根据伯努利方程和盘口的几何关系可知，油液推开单向阀 阀片后， 盘口压差与流量关系可表达为 g 8 百 G A △ ，／,o 3 h c a A 。 ／ K 4 式中 △ 一压缩阀孔两端的压 差； _ 单向阀阀片开启高度； F 单向阀预紧力。 单向阀上的总压差为 A AP o ． △只 5 图 2压缩阀剖面简图 3 ． 3伸张阀数学模型的建立 所设计的伸张阀为“ 3 f ’ 结构， 其结构如图3 所示。 图中 r 厂 阻尼阀孔的内、 外半径； 厂 阻尼阀中心线到阻尼阀孔中心线的距离； R广垫片半径。 对于“ 3 f ’ 结构 ， 当阀开启高度很小时， 流量将与 为阻尼阀 的开启高度 成正比， 与液体粘性成反比 。 图 3伸张阀剖面简图 由流体连续性方程及其运动微分方程可以推导出 黜 △ ㈤ 式中 通过阻尼阀流体的速度向量； 叩 一液体动力黏度； ， 一 阻尼阀孔的个数； q v ， 通过所有拉伸阀孔的流量； E 一阀盘材料的弹性模量； 个孔上由压差引起的阀盘作用力； 口 膜片弹簧阀盘的角度； 5 广第J ． 片膜片弹簧的厚度。 式 6 应满足下式 一 世盟 一 一凶翟 r 圆七一 一 凶 丑 一 8 2 机 械 设计 与 制造 No ． 7 J u 1 ． 2 0 1 1 2 2 2 S 3 △ P Ⅺ 币 I r L， “ 竺 1 0 1 n r 2 ／ q 壁 E S 3 ～ △ P ⋯ 一～一 J～ ⋯ L， “ 浮动阀运动的区间设为_ 3 0 ra m。装有普通外置阻尼阀与外 置机械感应阻尼阀的悬架在 D级道路上不同车速下的车身加速 7 度 R MS 、 车轮动载荷 R MS 对比， 如图 5 、 图6 所示。 当车速较低时， 装有外置机械感应阻尼阀的悬架在 D级道 如果条件 7 不成立， 则阻尼阀不能进一步打开。达到最大 开阀高度 h ma x 时， 这时的关系将变成线性 ， 即 盯h 3 AP q v r - 1 0 n r 2 ／ 超 r , E △ P ⋯ J 8 4感应阻尼阀和普通阻尼阀对比研究 以国内某新开发的轻型高机动越野车为例， 采用 1 ／ 4悬架动 力学模型分析装有外置机械感应阻尼阀的油气悬架对车辆平顺 性和接地性的影响。外置机械感应阻尼阀的外特性曲线， 如图 4 所示 。 4 5 4． 0 重 5 嚣 3 ．0 2． 5 2 ． o 1 0 活塞速度／ m ／ s - 图4外置机械感应阻尼阀外特性曲线 7o o0 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 船 L 2 0 0 0 1 O 2 O 3 O 4 O 5 0 6 0 7 0 8 O 车速／ k m ／ h 图 5车身加速度与车速关系 曲线 1 O 2 O 3 0 4 O 5 0 6 0 7 0 8 0 车 , ／ k m ／ h 图 6车轮动载荷与车速关系曲线 路上其簧载质量加速度 R MS值低于普通外置阻尼阀。 随著车速的升高， 悬架动行程增大， 外置机械感应阻尼阀进 入硬模式几率增大， 簧载质量加速度 R MS 值的增长速度高于普 通外置阻尼阀。 当车速较低时， 装有外置机械感应阻尼阀的悬架在 D级道 路上其车轮动载荷 R MS 值与普通外置阻尼阀相差不明显。随著 车速的升高， 外置机械感应阻尼阀进入硬模式几率逐渐增大， 到 达某一车速后车轮动载荷 R MS 值低于普通外置阻尼阀。 因此， 外 置机械感应阻尼阀可以在低速时提高车辆的平顺性， 在高速时提 高车轮的接地性。 5结束语 基于某油气悬架设计了一种无需任何电子控制系统即可实 现阻尼可调的外置机械感应阻尼阀。建立了该阻尼阀的数学模 型， 并通过仿真研究了其外特陛。对比了装有普通外置阻尼阀与 外置机械感应阻尼阀的悬架在 D级道路上平顺性和车轮动载荷 的变化情况。 仿真结果表明， 采用外置机械感应阻尼阀的油气悬架 [ 】 『 以 在低速时提高车辆的平顺性， 在高速时提高车轮的接地性， 进而 可以在一定程度上提高其在越野路上的机动速度。因此， 这种阻 尼阀更适合在高速越野车上应用。 参考文献 l 1 j Yu D e f u ．D e s i g n S t u d y o f S m o o t h n e s s - t o - S a f e t y R a t i o i n S u s p e n s i o n S h o c k A b s o r b e r o u t e r C h a r a c t e r i s t i c[ J 1 ．V e h i c l e a n d P o w e r T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 3 3 0 3 2 ． [ 2 ] J o h n C D ．T h e s h o c k a b s o r b e r h a n d b o o k[ M] ． U S A S o c i e t y o f A u t o m o t i v e En g i n e e r s ， I n c， 1 9 9 9 ． [ 3 j Ri c h a r d V K， WAN G C h e n g g u o ， QI A N L i x i n ， E t a1 ． A n e w s h o c k a b s o r b e r m o d e l f o r u s e i n v e h i c l e d y n a mi c s s t u d i e s[ J ] ．V e h i c l e s y s t e m d y n a mi c s ， 2 0 05， 4 3 61 3 - 6 31 ． [ 4 J D u y mS W．S i mu l a t i o n t o o l s ， mo d e l i n g a n di d e n t i fi c a t i o n ， f o r a n a u t o mo t i v e s h o c k a b s o r b e r i n t h e c o n t e x t o f v e h i c l e d y n a m i c s l J ] ． V e h i c l e s y s t e m d y n a mi c s ， 2 0 0 0 3 3 2 6 1 2 8 3 ． [ 5 ] L a n g H H．A s t u d y o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a u t o mo t i v e h y d r a u l i c d a mp e a t h i g h s t r o k i n g f r e q u e n c i e s [ D] ． U S A， T h e U n i v e r s i t y o f Mi c h i g a n ， 1 9 7 7 ． 1 6 j S e g e l L ， L a n g H H ． The me c h a n i c s of a u t o mo t i v e h y d r a u l i c d a mp e r s a t a i h i s h s t r o k i n g f r e q u e n c i e s [ J ] ．Ve h i c l e s y s t e md y n a mi c s ， 1 9 8 l 1 0 8 2 - 8 5 ． [ 7 ] L a c r o i x B ， S e e r s P， L i u Z h a o h e n g ． A p a s s i v e n o n l i n e a r d a m p i n g d e s i g n for a r o a d r a c e c a r a p p l i c a t i o n S A E 2 0 0 6 2 0 1 2 1 9 8 4 [ R ] ． [ s ． L ． ] S A E ， 1 9 8 4 ． [ 8 ] H r o v a t D ． A p p l i c a t i o n s o f o p t i ma l c o n t r o l t o a d v a n c e d a u t o m o t i v e s u s p e n s io n d e s i g n l J j ． A S ME J D y n S y s t Me a s C o n t r o l ， 1 9 9 3 ， 1 1 5 3 2 8 3 4 2 ． [ 9 ] G ． G a r y w a n g ．D e fi n i t i o n a n d R e v i e w o f V i r t u a l P r o t o t y p i n g[ J J ． J o u r n a l o f Co mp u t i ng a n d I n f o r mati o n S c i e n c e i n En g i n e e r i n g ， S e p t e mb e r 2 00 2 ， 2 3 2 3 2 2 3 5 ． [ 1 0 ] Mi c h a e l N e g n e v i t s k A rt i fi c i a l I n t e l l i g e n c e AG u i d e t o I n t e l l i g e n t S y s t e ms S e c o n d E d i t i o n ． B e i j i n gC h i n a Ma c h i n e P r e s s 2 0 0 5 1 6 5 - 2 1 5 ．