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        工程車輛雙橋油氣懸架性能對比仿真分析

        2015-04-27 02:46:36李魁張洪蔡言龍
        機(jī)床與液壓 2015年16期
        關(guān)鍵詞:獨(dú)立式雙橋蓄能器

        李魁,張洪,蔡言龍

        (太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山西太原030024)

        油氣懸架是全地面起重機(jī)底盤的關(guān)鍵裝置,也是實(shí)現(xiàn)多橋車輛底盤的必備條件,是發(fā)展現(xiàn)代特種車輛及大型車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。工程車輛的油氣懸架系統(tǒng)油路連接方式分為并聯(lián)式和獨(dú)立式[1]。目前,國內(nèi)針對雙橋油氣懸架的研究成果和論文較少。作者以某6 橋全路面起重機(jī)的油氣懸架系統(tǒng)為研究對象,建立雙橋油氣懸架的7 自由度數(shù)學(xué)模型,并基于AMESim仿真軟件分別建立并聯(lián)式和獨(dú)立式雙橋油氣懸架仿真模型,通過對比分析了兩種懸架系統(tǒng)的壓力、輪胎動載荷、垂直加速度等參數(shù)的最大值,得到兩種懸架系統(tǒng)的性能特征,為多軸工程車輛油氣懸架的研究及應(yīng)用提供有效的參考。

        1 雙橋油氣懸架液壓原理

        圖1 為全路面起重機(jī)并聯(lián)式雙橋油氣懸架組的液壓系統(tǒng)油路圖。如圖1 所示[2],此振動模型包括車身、液壓軟管、4 個液壓油缸、4 個阻尼孔、4 個單向閥、2 個蓄能器、4 個非懸掛質(zhì)量塊以及4 個輪胎簡化模型等。

        圖1 并聯(lián)式油氣懸架的液壓系統(tǒng)油路圖

        圖中,液壓油缸、液壓軟管、單向閥以及阻尼孔構(gòu)成懸架油缸,另外把車輪簡化成阻尼和彈簧,其質(zhì)量歸于非懸掛質(zhì)量塊。其連接方式為: 1 橋(2 橋)的兩個懸架液壓缸的有桿腔之間和無桿腔之間分別相連,兩個懸架液壓缸的無桿腔通過鎖緊閥與蓄能器相連,且該蓄能器還通過液壓管道與2 橋(1 橋) 的兩個懸架液壓缸的有桿腔相連,懸架液壓缸的無桿腔還分別通過回油閥、進(jìn)油閥與液壓系統(tǒng)的回油口、進(jìn)油口相通,懸架液壓缸的有桿腔與2 橋(1 橋) 的蓄能器相連。當(dāng)進(jìn)油閥接通,可以實(shí)現(xiàn)車架整體升高; 當(dāng)回油閥接通,可以實(shí)現(xiàn)車架整體降低; 當(dāng)鎖緊閥斷開,懸架系統(tǒng)處于剛性閉鎖狀態(tài); 當(dāng)鎖緊閥接通,懸架系統(tǒng)處于彈性負(fù)載狀態(tài)。

        圖2 為獨(dú)立式油氣懸架液壓系統(tǒng)油路圖,該模型具有4 個蓄能器(并聯(lián)式油氣懸架組具有2 個) ,且該模型的1 橋和2 橋之間的油氣懸架系統(tǒng)是獨(dú)立的,沒有通過液壓油管連接。

        圖2 獨(dú)立式油氣懸架液壓系統(tǒng)油路圖

        2 雙橋油氣懸架數(shù)學(xué)模型的建立

        油氣懸架系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且在實(shí)際工作過程中不確定性因素較多,為建立其數(shù)學(xué)模型,需要將懸架系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化,如果完全按照實(shí)際情況建立其數(shù)學(xué)模型,會為研究帶來不必要的工作量,增加研究的難度,影響研究的后續(xù)進(jìn)展。文中對其做下述簡化[3-7]:

        (1) 忽略活塞和缸筒相對運(yùn)動時的摩擦;

        (2) 假設(shè)油氣懸架內(nèi)的油液不能被壓縮,且其特性不受外部條件的影響;

        (3) 假設(shè)蓄能器中的氮?dú)夂屯饨缃^對絕緣,即氣體的相關(guān)參數(shù)不受外界環(huán)境因素的影響;

        (4) 假設(shè)整個系統(tǒng)在工作過程中不存在泄漏問題;

        (5) 假設(shè)車架為剛性體。

        建立如圖3 所示的雙橋油氣懸架的振動模型。該模型具有7 自由度,可以反映車身質(zhì)心的垂直、側(cè)傾、俯仰運(yùn)動,還有4 個非懸架的垂直位移運(yùn)動。

        圖3 雙橋油氣懸架組的數(shù)學(xué)模型

        圖3 中,m 表示車身的質(zhì)量(kg) ; Ⅰ、J 分別表示車架的側(cè)傾、俯仰轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2) ; X 表示質(zhì)心處垂直位移(m) ; θ、φ 表示車架的側(cè)傾角、俯仰角(rad) ; L1、L2表示左右兩側(cè)液壓缸上鉸接點(diǎn)到質(zhì)心的水平距離(m) ; R1、R2表示質(zhì)心到1、2 橋的水平距離(m) ; A、a 表示液壓缸大腔、小腔的橫截面積(m2) ; pa1~pa4表示4 個油缸小腔的壓力(Pa) ;pA1~pA4表示4 個油缸大腔的壓力(Pa) ; m1~m4表示4 個非懸掛質(zhì)量(kg) ; X1~X4表示4 個輪胎受到的位移信號(m) ; X5~X8表示4 個非懸掛的垂直方向的位移 (m) ; Ct、Kt表示輪胎的等效阻尼(N·s/m) 與等效剛度(N/m) 。

        根據(jù)圖3 所示的簡化的振動模型,推導(dǎo)其振動微分方程:

        由式(1) — (7) 可以得到4 個液壓缸上鉸接處點(diǎn)的垂直速度及垂直位移,如果車架的側(cè)傾角與俯仰角都比較小,則垂直速度與垂直位移表示為:

        x1~x4為給4 個液壓缸活塞桿的位移(m) 。

        3 并聯(lián)式雙橋油氣懸架的仿真模型的建立

        為研究上述模型的振動規(guī)律及特性,由圖3 和式(1) — (9) ,運(yùn)用AMESim 軟件,建立圖4 所示仿真模型。該模型包括1 個車身單元(CARBODY) 、4個液壓缸單元、2 個蓄能器模塊(HA000) 、4 個阻尼孔模塊(OR000) 、4 個單向閥模塊(CV000) 、4 個非懸掛質(zhì)量模塊 (MAS002) 、4 個剛度- 阻尼單元(SD0000A) 、1 個普通液壓特性元件(FP04) 、4 個位移信號發(fā)生器(UD00) 以及液壓管(HL01) 。

        圖4 并聯(lián)式油氣懸架的仿真模型

        (1) 車身單元。這個模塊是超級元件,主要利用公式(1) — (9) 并利用AMESim Signal & Control庫中的各個元件建立,包括積分器元件(INTO) 、信號復(fù)制模塊 (DYNDUP2) 、恒定信號源 (CONS0) 、信號變量-機(jī)械變量轉(zhuǎn)換元件(FVXSG1) 以及基本的算術(shù)運(yùn)算元件等。在各個模塊建立過程中,各個懸架油缸為車身單元輸入力(F) 信號,車身單元為懸架油缸反饋位移(X) 和速度(v) 信號,其反饋信號按照式(8) 和式(9) 進(jìn)行計算得出。

        (2) 油氣懸架。每個懸架液壓缸分別由兩個BR Pl8 和BHCll 子模塊構(gòu)成,蓄能器選用HA000 子模型,阻尼孔和單向閥分別選用OR000 和CV000 子模型,液壓油管選用HL01 子模型。

        (3) 其他部件。剛度-阻尼單元(輪胎) 的數(shù)學(xué)模型為SD0000A,非懸掛質(zhì)量塊的數(shù)學(xué)模型為MAS002,路面發(fā)生器的子模型為UD00,需要對輪胎的阻尼和剛度、非懸掛質(zhì)量、路面激勵等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,可以得到輪胎動載荷等變量。

        4 獨(dú)立式雙橋油氣懸架仿真模型的建立

        為了對比分析并聯(lián)式與獨(dú)立式油氣懸架各方面的性能差異,建立了獨(dú)立式雙橋油氣懸架的AMESim 仿真模型,見圖5。獨(dú)立式油氣懸架的建立方法和過程和并聯(lián)式油氣懸架相類似,分別建立車身單元、油氣懸架和其他部件,該模型與并聯(lián)式油氣懸架模型主要區(qū)別在于: 該模型具有4 個蓄能器(并聯(lián)式油氣懸架具有2 個) ,且該模型的1 橋和2 橋之間的油氣懸架系統(tǒng)是獨(dú)立的,沒有通過液壓油管連接。

        圖5 獨(dú)立式油氣懸架的仿真模型

        并聯(lián)式懸架系統(tǒng)的仿真主要參數(shù)如表1 所示。由于獨(dú)立式懸架系統(tǒng)有4 個蓄能器,獨(dú)立式懸架系統(tǒng)將每個蓄能器的初始體積V0設(shè)置為2 L,其他參數(shù)與雙橋油氣懸架組一致,按照表1 進(jìn)行設(shè)置。

        表1 系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

        5 并聯(lián)式和獨(dú)立式油氣懸架仿真結(jié)果對比分析

        在AMESim 軟件中,為兩種油氣懸架系統(tǒng)的同一個車輪添加一個如圖6 所示的位移激勵,其幅值取0.04 m、時間為0.4 s,設(shè)定合理的仿真時間和步長進(jìn)行仿真。輸出兩種懸架系統(tǒng)的壓力對比曲線、輪胎動載荷對比曲線、車身質(zhì)心垂直加速度對比曲線,如圖7—9 所示,其中,M 為并聯(lián)式雙橋油氣懸架的仿真曲線,N 為獨(dú)立式雙橋油氣懸架的仿真曲線。

        圖6 路面位移激勵時域曲線

        圖7 兩種懸架系統(tǒng)的壓力對比曲線

        圖8 兩種懸架系的輪胎動載荷對比曲線

        圖9 兩種懸架系的垂直加速度對比曲線

        分析仿真曲線,可得如下分析結(jié)果:

        (1) 見圖7,在相同的路面激勵下,兩種懸架系統(tǒng)內(nèi)的壓力值在仿真時間的前0.6 s 內(nèi)變化規(guī)律差別較大; 在t=0.6 s 以后,曲線波峰差別很小,但波動規(guī)律有一定的滯后性,并聯(lián)式懸架系統(tǒng)的壓力的最大值要比獨(dú)立式小,并聯(lián)式懸架系統(tǒng)相對于獨(dú)立式懸架系統(tǒng)可以減少液壓沖擊對液壓管道的破壞,降低液壓油管斷裂發(fā)生的可能性。

        (2) 見圖8,在相同的路面激勵下,兩種懸架系統(tǒng)的輪胎動載荷曲線在仿真時間的前0.8 s 內(nèi)變化規(guī)律差別較大; 在t=0.8 s 以后,曲線振動規(guī)律基本相同; 特別是在1.2 s 以后輪胎動載荷曲線幾乎重合,隨著時間的延長,振幅差越來越小。并聯(lián)式懸架的輪胎動載荷的最大值比獨(dú)立式懸架小,說明并聯(lián)懸架系統(tǒng)對路面和輪胎沖擊力更小,減少對路面和輪胎的破壞,道路友好性更好。

        (3) 見圖9,在相同的路面激勵下,兩種懸架系統(tǒng)的輪胎垂直加速度曲線的最大值出現(xiàn)在1 s 內(nèi),兩種懸架系統(tǒng)的垂直加速度在整個仿真時間內(nèi)的振動規(guī)律相同,隨著時間的延長,振幅差越來越小。且并聯(lián)雙橋懸架組的垂直加速度最大值要比獨(dú)立雙橋懸架小,使車輛獲得更好的阻尼減震效果和良好的平順性,乘坐舒適性也較獨(dú)立式懸架系統(tǒng)更好。

        從圖7—9 中可以看出: 并聯(lián)式懸架各項的最大值要比獨(dú)立式懸架小(具體數(shù)據(jù)可見表2) ,并聯(lián)式油氣懸架組系統(tǒng)壓力、輪胎動載荷、垂直加速度的最大值分別降低5.5%、5.1%和17.6%,并聯(lián)式油氣懸架組系統(tǒng)壓力、輪胎動載荷、垂直加速度曲線震蕩幅度較小,說明并聯(lián)式懸架的性能要優(yōu)于獨(dú)立式懸架。

        表2 兩種懸架系統(tǒng)最大值數(shù)據(jù)對比

        6 結(jié)論

        首先確立了雙橋油氣懸架的7 自由度簡化振動模型,然后在AMESim 軟件環(huán)境中,分析并聯(lián)式油氣懸架和獨(dú)立式油氣懸架模型主要區(qū)別,并基于AMESim仿真軟件建立并聯(lián)式和獨(dú)立式油氣懸架仿真模型。對兩種油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行對比分析,通過對比兩種懸架系統(tǒng)的壓力、輪胎動載荷、垂直加速度等參數(shù)的最大值,得出并聯(lián)式懸架的性能指標(biāo)要優(yōu)于獨(dú)立式懸架,為多橋油氣懸架系統(tǒng)的進(jìn)一步研究及設(shè)計方面做了鋪墊。

        [1]彭友誼.油氣懸架系統(tǒng)簡介[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2006(5) :80-83.

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