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文档简介
1、工程车辆油气悬架舒适性的研究徐州师范大学工学院封士彩摘要:以德国c1032起重机油气悬架为研究对象,建立数学模型,应用M船LB53/s删NK3.O进行计算机仿真,得出车架和车桥相对于地面的位移、速度、加速度的衰减规律,探讨油气悬架的舒适性,为油气悬架的优化设计提供可行性理论和定性定量的依据。叙词:油气悬架数学模型舒适性研究Al,s仃埘:Tlli8p8perIakes山e&llallynlade o田1032craneshyd睁pneu蝴dc suspe嘴ion as1e 8tudy objec【,estah8Il-esi饽Illa山en豫c“州ela11d conductscom叫耐甜
2、硼ll撕witIlMATLAB5.3/SIMULrNl(3.O80m.1k mdl】ci职lawB 0fthe di8phcemem,speed andaccele吼ion0f tIle cha斛is and缸le reI舐ve t0tll。gmuTldarederived and出e c叩航0f tIle m1叩e玎sionisdiscIl88ed1k8pmvidesat11eore6cd ba面8fbrhydI伊pnen胡c哪8pemion叩E而蒯0n.1畸w删r出:Hyd廿pneLllatic8Ll印e啷ionMa由衄日ticalmoddC讲jn&udy车辆运行的舒适性是其机动性
3、能的重要指标之一。对于较恶劣的工况,良好的舒适性不仅能满足乘座人员的身心要求,而且能减轻车辆及运载货物的疲劳和损坏。由于传统的钢板弹簧悬架系统不能同时满足车辆运行的舒适性、耐久性、通过性和操纵稳定性等功能,而油气悬架却能有效地改善这一状况,因而研究油气悬架的舒适性可为其国产化和性能优化设计提供可行性理论和定性定量的依据。l数学模型的建立为了研究车辆的振动性能,将车辆简化为物理模型。车身及所有被悬架支承的质量可以简化为一只有集中质量(称为悬挂质量的刚体;车轴(桥、车轮、轮胎及其制动器、差速器等也可简化为集中质量(称为非悬挂质量的刚体。悬架部分根据不同的结构形式进行简化,轮胎简化为一并联的弹簧及阻
4、尼器。为了研究的方便,常略去轮胎阻尼的影响并设轮胎的刚度系数为常数。考虑到左右车辙路面条件完全相同,前后车轴的运动相对独立,即可建立起2自由度1/4车架物理模型如图l 所示;也可简化为图2所示的振动力学模型,不过其刚度系数K和阻尼系数c无法用解析式来表达且均为非线性。2自由度为非悬挂质量的位移、速度、加速度和悬挂质量的位移、速度、加速度。超重运输机械200l(11图12个自由度物理模型1.地面2.车轮3.车桥4.液压腔5.蓄能器6.阻尼孔7.外环形腔8.车架9.内环形腔10.单向阀11.蓄能器1.1轮胎静变形分析轮胎的研究理论表明,轮胎的刚度可视其为线性变化,且可忽略其阻尼,这样轮胎承受悬挂重
5、量和非悬挂重量的静变形为x。:塑屿竺出(IlLe式中K。轮胎刚度系数mI非悬挂质量m2悬挂质量1.2对非悬挂质量m一性能参数分析由图1所示物理模型,应用牛顿第二定律得ml。1=K。(。o一。l+。一PlAl+P2A2一mlg(2式中w。激振信号位移1围22个自由度振动力学模型x,非悬挂质量的位移z:悬挂质量的位移4.液压缸面积P,液压腔瞬时压力A2悬挂缸外环形腔面积P,悬挂缸外环形腔瞬时压力1.3对悬挂质量m2性能参数分析对车架进行受力分析,应用牛顿第二定律得m2”2=P1AtP2A2一m29(3 1.4对阻尼孔、单向阍及左蓄能器性能参数分析根据薄壁小孔理论和蓄能器内气体状态方程理论对阻尼孔、
6、单向阀及左蓄能器性能参数分析有n圪=Pk吃(4 Ql_A2(旷。+糌+糌(5 h:札讪(矿瑚+警+半(6PL_P3_吉印(譬知咄(7即耻磊瓦两翱2×s舻(”1一”2(8式中PL、yL左蓄能器内气体瞬时压力和体积P¨yI。左蓄能器内气体平衡位置时压力和体积r一一气体多变指数p.通过阻尼孔和单向阀的流量s印(口I一口2符号函数卜蓄能器出口局部阻力系数A。蓄能器出口断面面积p油液密度dp2外环形腔油液压力变化量dp3内环形腔油液压力变化量y20外环形腔油液容量内环形腔油液容量A01阻尼孔面积A单向阀面积cd流量系数”,非悬挂质量的速度”2悬挂质量的速度口。油液压系数1.5对液压腔
7、与右蓄能器性能参数分析对液压腔与蓄能器性能参数分析P,=P。%(9 Q2_州旷囝一訾(10 P,:kA1(”z2+毕(11即肛吉争(象一咱(12式中P。k右蓄能器内气体平衡位置时的压力和体积P。、y,右蓄能器内气体的瞬时压力和体积Q2通过右蓄能器出口处油液的流量K。液压腔油液容量dpI液压腔油液压力变化量式(1一(12为独立式双蓄能器2自由度油气悬挂系统的数学模型。由此看出,在已知激振信号(位移、速度、加速度的情况下,即可求出非悬挂质量和悬挂质龟的位移、速度、加速度。2油气悬挂系统计算机仿真由上所述,虽然油气悬挂系统能用数学表达式描述,但因其数学计算过程非常复杂,故难以用解析方法求解,而只能借
8、助于计算机及其软件进行仿真计算,其司靠性则主要取决于数学模型的精确程度。计算机仿真的目的在于利用编制的计算机程序求出有关变量,揭示油气悬架内在的规律,从而减少材料费、制造费和试验费。根据数学模型,眦输入正弦波激振信号x= AsiIl(2n为例,频率从低频(O.1m到中频(5m到高频(15Hz,振幅从微幅(5mm到中起重运输机械2001(11等幅度(30mm再到大幅度(60Tm,应用MAnAB 语言进行计算机仿真,结果见表l。以激振信号的频率,=3,振幅A=30rnrn为例得到的悬挂与非悬挂质量位移与时间关系曲线如图3,速度与时间关系曲线如图4,加速度与时间关系曲线如图5。图3位移与时问关系曲线
9、地面,车轿车架图4速度与时间关系曲线地面车轿车架表1油气悬挂系统计算机仿真结果40302010鑫。望_10一2030400O.511.5时闻/s图5加速度与时间关系曲线地面车轿车架计算机仿真参数数值地面激振信号频率/l3551015地面激振信号振幅A/衄In52030603020地面激振信号位移均方根值/一3.5414.121.242.421.214.1非悬挂部分位移均方根值/mm4.96.5213.7726.314.26.28悬挂部分位移均方根值/mm6.611.555.17971.60.56地面激振信墨速度均方根值/ms一0.22l0.2670.鲫133l341.34非悬挂部分速度均方根值
10、/ms“O.0340.1220.429O802087053悬挂部分速度均方根值/ms。0.048O.156O.1220.25O.嘴003地面激振信号加速度均方根值O.145.02120.914l8283.54125.1非悬挂部分加速度均方根值O.61243017.39332954644.66悬挂部分加速度均方根值0,4482483.226.744.961.9l 车架地面位移衰减率一87182575.677992.596.13车架地面速度衰减率一1174l5l81.781.394.198.1车架地面加速度衰减率一22l50.5884.683.994.0698.473仿真结果分析车体加速度的均方根
11、值越小,乘座舒适性就越好。根据这一要求,表l中的计算结果是符合要求的。对低频微幅振动,油气悬架的减振效果不明显;对频率为1Hz的地面激振信号,由于车辆固有频率在此附近,因而引起车架振动的位移、速度、加速度等参数反而比地面激振信号的相同参数大。随着频率的增大,位移、速度、加速度衰减率明显起重运输机械加01(11增大。当激振信号频率达lO以上时,车架相对于地面位移、速度、加速度的衰减率均达94%以上,而对相同频率(表1中为5地频率、不同振幅(表l中分别为30mm和60n一的地面激振信号,尽管幅值相差较大,但其位移、速度、加速度衰减率相差并不大,可是对相同振幅(表1中为5Hm振幅、不同频率(表l中分
12、别3m和15比频率却相反。这说明油气悬挂系统对激振信号的频率是非常敏感的。从图35中看出,车架相对于3一地面激振信号的频率具有衰减性,地面高频振动时,车架速度、加速度也具有频率衰减性。2 4结论3(1应用油气悬架的起重机对路面不平度激起的振动具有位移、速度、加速度和频率的衰减性,特别对高频信号的作用更加明显。由此表明,这种;起重机对路面的不平度具有良好的隔振性能,并可6在较恶劣的路面上高速行驶。(2应用油气悬架的起重机能满足剩座舒适性7的要求,研究其理论要考虑油液的压缩性。(3文中所建立的数学模型可推广到单桥(1/2车和整车的研究,为起重机油气悬架的国产化5和性能优化提供理论和定性定量地分析依
13、据。【学位论文.绦州:中国矿业大学,砌封士彩,王国彪.工程车辆油气悬架现状与发展.矿山机械,2000,(12封士彩,王国彪.工程车辆油气悬架新型数学模型的研究.矿山机械,2001,(2封士彩等.cxPl032起重机油气悬挂性能试验的研究.工程机械,2000,(12余志生.汽车理论北京:机械工业出版社,1984 Moulcon A E出.Iy曲驷Suspension.sAE,790374:1306一1327EL厂D锄erdash S M.E如ct0f rmr卜liIle2lr con】pon即b on吐”perh瑚nce0f a hy*p哪删c ddw_ac西e8u3pe画o町%一m.pmc h
14、mMechD肾vpl210IH丑Ez J咖B0nd Gmpl Ass培ted hIodds for Hyd什Ptleuma如SusDen酝0ns in C忙Vehides.VSD,1_987,16:313332:鑫磊乏墨揪煳蝴究:赫篓泉l封士彩.cxPl032起重机油气悬挂系统减振性能的研究:Z竹.:。. QGZP型惯性制动器的特性广州港黄埔集装箱公司何业科港口装卸设备的防风制动一直是业内同仁致力于解决的棘手问题。经过多年的反复研究,广州港黄埔集装箱公司研制出一种新产品QGzPC2型惯性制动器。这种制动器在原有制动器的基础上加装了延时装置,从而达到了预期的目的,取得了良好的经济效益和社会效果。
15、1构造独特QGz-P型惯性制动器的设计原理独特可靠、结构简单,融制动器、联轴器、离台器于一体,不需要外设电源,可代替夹轨器。适用于使用空间和工作环境要求不高的设备。2防风抗台能力更强该类制动器可抗12级大风(顺轨方向,能有效地提高港口装卸设备的整体防风抗台效果。经现场牵引力试验检测,证明了其防风制动的可靠性。3起制动平稳QcZ-P型惯性制动器具有延时功能,可使制动一d力在设备大车行走过程中随电机转速的快慢而变化,最终实现平稳制动;另外,由于制动过程简化、同步性好,使其制动更直接、有效。4维修少,成本低由于Ocz.P型惯性制动器融制动器、联轴器、离合器于一体而代替了夹轨器,不需要外设电源,因此可
16、免去频繁更换联轴器传动销、缓冲胶、凋整刹车、液压杆漏油、刹车马达烧毁等大量的保修工作,有效地降低了机构的故障率和保修维护人员的劳动强度,大大地节约了维护成本。QGz.P型惯性制动器不但可以在门式起重机、斗轮机等港口机械设备上使用,也适合在集装箱岸边装卸桥等超大型的港口机械设备上使用,使用效果良好,具有推广价值。作者地址:广州市开发区黄埔新港路1号邮编:510730收稿日期:200108.29起重运输机械2001(11 工程车辆油气悬架舒适性的研究作者:封士彩作者单位:徐州师范大学工学院刊名: 起重运输机械英文刊名:HOISTING AND CONVEYING MACHINERY年,卷(期:20
17、01,(11引用次数:6次参考文献(8条1.封士彩CXP1032起重机油气悬挂系统减振性能的研究学位论文 20002.封士彩.王国彪工程车辆油气悬架现状与发展 2000(123.封士彩.王国彪工程车辆油气悬架新型数学模型的研究 2001(24.封士彩CXP1032起重机油气悬挂性能试验的研究 2000(125.余志生汽车理论 19846.Moulton A E Hydragas Suspension7.EL-Demerdash S M Effect of non-linear components on the performance of a hydro-pneumatic slow-act
18、ive suspension system8.FELEZ J Bond Graph Assisted Models for Hydro-Pneumatic Suspensions in Crane Vehicles 1987相似文献(10条1.期刊论文甄龙信.张文明.ZHEN Longxin.ZHANG Wenming单气室油气悬架的仿真与试验研究-机械工程学报2009,45(5参考车辆液力减振器的研究经验和成果,考虑密封的摩擦,建立单气室油气悬架的的非线性数学模型.在不同的充气压力下,对单气室油气悬架进行台架试验研究,分别测得油气悬架的输出力和缸筒相对于活塞杆的位移.应用多体动力学仿真软件A
19、DAMS建立单气室油气悬架的虚拟模型,将试验得到的位移与时间的关系曲线输入到虚拟模型进行仿真.将仿真得到的位移特性曲线、速度特性曲线和相应的试验曲线进行比较,修正了油气悬架数学模型中的关键参数,验证了数学模型的精确性.分别将考虑密封摩擦和不考虑密封摩擦的仿真结果与试验结果进行比较,证明考虑密封摩擦的油气悬架数学模型更精确,但密封摩擦对数学模型精度的影响在5%以下,如果粗略评价油气悬架的性能,密封摩擦可以忽略不计.2.学位论文向华荣基于油气悬架的车辆平顺性研究2005传统的被动悬架系统在改善车辆的行驶平顺性方面存在很大的局限性。随着对车辆性能的要求进一步提高,传统悬架已经不能很好满足车辆的要求。
20、而油气悬架其优越的非线性特性和良好的减振性能能够最大限度地满足车辆的要求,使其行驶平顺性得到提高。首先,本文从现有车辆悬架技术出发,结合国内外油气悬架的应用和发展状况,分析油气悬架的结构形式和特点,自行设计了单气室油气隔离式油气悬架。油气悬架将传统悬架的弹性元件和减振器组合于一体,采用惰性气体氮气作为弹性介质,以油液为传力介质。在全面分析油气悬架的工作原理和结构的基础上,建立了油气悬架的非线性数学模型。对油气悬架的系统性能做了仿真分析,并通过油气悬架的台架性能试验验证了模型的正确性。本文还研究了油气悬架的刚度特性和阻尼特性,以及主要结构参数对油气悬架刚度特性和阻尼特性的影响,研究表明油气悬架既
21、具有非线性刚度特性和非线性阻尼特性。其次,本文利用ADAMS软件,建立样车锡梅牌WXQ5260TQY飞机牵引车的虚拟传统悬架整车模型。利用试验数据建立动力学模型,使模型更接近于车辆的实际工况。并利用传统被动悬架样车的整车虚拟模型,改建油气悬架的新车型整车虚拟模型。最后,利用建立的传统被动悬架和油气悬架的整车虚拟模型,做整车平顺性虚拟试验。并将油气悬架车辆的仿真数据和传统被动悬架车辆的仿真数据对比,得出采用油气悬架车辆相对于传统被动悬架车辆的平顺性改善程度。研究结果表明,采用油气悬架的车辆较传统被动悬架车辆具有更好的行驶平顺性。达到了预计的效果,为油气悬架的装车试验奠定了基础。3.期刊论文梁贺明
22、.陈思忠.游世明.LIANG He-ming.CHEN Si-zhong.YOU shi-ming油气悬架数学建模及仿真研究-计算机仿真2006,23(4建立了双气室油气隔离式油气悬架复杂的非线性数学模型.数学模型中引入了微分的概念,考虑了液压油的可压缩性、液压软管的膨胀和长度以及液压油在管道流动过程中由于截面积突变、管道长度等引起的两种压力损失,使数学模型更真实准确地反映了物理模型.利用MATLAB/Simulink为数学模型编制了仿真程序,以正弦波作为输入信号进行仿真,通过仿真曲线对油气悬架的阻尼特性、刚度特性以及频率特性进行了详细地分析,并研究了影响油气悬架性能的各种因素,为油气悬架的参
23、数优化和匹配奠定了基础.4.学位论文张太平非线性油气悬架振动特性研究2007油气悬架技术是全地面起重机的关键技术之一,目前国内在油气悬架的振动特性参数设计、振动性能评价、结构设计等方面的研究还相对薄弱,因此对其进行研究具有重要的现实意义。本文以大连理工大学机械工程学院“全地面起重机关键技术研究”的预研项目为背景,以利勃海尔LTM1500型全地面起重机为对象,对油气悬架系统进行振动特性的研究,主要包括以下几方面的内容:(1建立了互连式油气悬架振动系统的简化物理模型和考虑恒力作用的两自由度非线性振动数学模型;以冲击函数为振动激励,利用MATLAB软件中的ODE45求解器对数学模型进行了数值分析,获
24、得了系统的动态响应特性,说明了油气悬架的非线性特性。(2利用经典动力学仿真软件MSC.ADAMS对互连式油气悬架系统进行了动力学仿真,以此来说明本文所建立油气悬架系统的非线性振动数学模型的合理性;同时对比线性振动系统模型,说明非线性油气悬架系统具有更好的减振性能。(3通过改变悬架的结构参数对其非线性刚度特性和阻尼特性进行了分析,阐述了油气悬架系统的刚度和阻尼的设计计算要点,总结了弹性元件和阻(4在数学模型的基础上建立了油气悬架的平顺性仿真模型,以时域路面载荷为振动激励,对油气悬架和线性悬架进行了平顺性仿真分析;通过仿真 模型分析了各个参数对悬架平顺性的影响趋势和重要程度。 本文通过对油气悬架系
25、统振动特性参数的研究,找到了影响系统振动的主要设计因素;设计了一种简单实用的时域路面载荷谱程序,建立了油气悬 架系统的平顺性仿真模型,总结系统各参数对平顺性的影响趋势及重要程度。这给油气悬架系统的设计提供了一定的参考价值。 5.期刊论文 狄勇.田晋跃.Di Yong.Tian Jiyue 油气悬架非公路车辆的行驶平顺性研究 -工程机械2006,37(6 油气悬架将传统悬架的弹性组件和减振器组合于一体,采用惰性气体氮气作为弹性介质,以油液为传力介质,其优越的非线性特性和良好的减振性能能 够提高非公路车辆的行驶平顺性.建立传统被动悬架和油气悬架的整车虚拟模型,进行整车平顺性虚拟试验,对比仿真数据,
26、说明采用油气悬架的车辆其垂 直振动加速度功率谱的峰值约下降50%. 6.期刊论文 张爱武.ZHANG Ai-wu 高速轮式推土机油气悬架系统特性分析 -建筑机械(上半月)2008(3 从我国高速轮式工程车辆实际发展状况出发,结合油气悬架的先进技术和工程应用,以某高速轮式推土机的油气悬架系统为研究对象,建立了油气悬架 系统的非线性数学模型,并对其特性进行了系统的研究,揭示了各参数对油气悬架系统性能的影响规律,为油气悬架系统的设计提供了理论依据. 7.学位论文 吴仁智 混合与分离式油气悬架动力学试验研究 2003 油气悬架技术是是发展现代特种车辆及大型工程车辆的关键技术,具有市场潜力和广阔的工业应
27、用前景.以实际的混气式与分离式工程车辆用油气悬 架为分析研究和试验对象,应用现代电液伺服试验设备,对油气悬架进行了动力学建模、仿真及其试验研究.同时从工程角度,提出了进行油气悬架工程设 计及其相关结构参数设计方法.本文主要研究以下内容:1.建立混气式与分离式油气悬架的物理模型和非线性数学模型.应用MATLAB/SIMULINK编制了专用 计算机仿真软件并进行了仿真.2.设计并制造了专门的油气悬架缸和改进的试验台架,组成完全模拟物理模型的油气悬架台架试验系统,利用电液伺服试验 设备进行了多组频率、振幅组合的对比试验.试验结果和仿真结果基本吻合,表明建立的油气悬架数学模型是合适的.3.建立了表示混
28、气式与分离式油气悬 架阻尼力和油气悬架弹性力的数学模型,说明其本质上的非线性刚度特性和非线性阻尼特性.通过仿真,分析了影响油气悬架刚度和阻尼的结构参数以及影 响程度.提出了车身自然振动频率设计油气悬架刚度,根据减振器设计油气悬架阻尼的方法,为油气悬架结构设计提出理论根据. 8.期刊论文 秦家升.游善兰.王增民 油气悬架系统及其数学模型探究 -建筑机械2004(2 油气悬架系统是一种新型的车辆悬架,它将液压传动控制技术和悬架融为一体,是发展现代特种车辆及大型工程车辆的关键技术,本文结合徐州工程机 械集团设计的全地面汽车起重机,对油气悬架系统及其数学模型作一探索性的研究. 9.学位论文 沈亮 主动油气悬架特性及模糊控制的研究 2009 油气悬架融合了液压传动控制技术和悬架技术,具有良好的非线性刚度和阻尼特性,是发展现代特种车辆、大型工程车辆及豪华轿车的关键技术。 油气悬架技术起源于国外,在国外已经得到成功的应用,而国内在它的设计开发方面还是一片空白,因此对油气悬架的研究是必要且迫切的。 本文在总结近年来国内
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