单气室悬架油箱的设计与建模

单气室悬架油箱的设计与建模

0在其他车辆上的应用由于油气悬浮液的良好非线性刚性和衰减特性，可以自由调整车身高度和刚性锁的功能，这主要用于矿运动自担车、工程车辆和军事车辆。单气室悬架油缸结构简单、加工要求低、工作可靠、应用较多,因此对单气室油气悬架的数学模型和阻尼特性的研究具有实际意义。1悬架缸体的组成单气室悬架油缸的结构如图1所示。它主要由活塞及活塞杆2、缸筒3、阻尼孔4和单向阀5等部件组成。悬架油缸的内部有Ⅰ和Ⅱ两个油腔,油腔Ⅰ一方面通过阻尼孔4和单向阀5与油腔Ⅱ相连通,另一方面通过液压油管7与蓄能器6相连通。活塞及活塞杆在上,通过上铰接端口1与车架铰接;缸筒3在下,通过下铰接端口8与车桥铰接。悬架油缸的工作过程可以分为压缩行程和复原行程两部分:当悬架处在压缩行程时,活塞及活塞杆2相对于缸筒3向下运动,此时,油腔Ⅰ体积变小、压力变大,油腔Ⅱ体积变大、压力变小,单向阀5打开,油腔Ⅰ里面的液压油受到压缩向两个方向流动,一部分液压油通过单向阀5和阻尼孔4流入油腔Ⅱ;另一部分液压油经过液压油管7流入蓄能器6,使蓄能器气室受到压缩,体积变小,压力升高。当悬架处在复原行程时,活塞及活塞杆2相对于缸筒3向上运动,此时,油腔Ⅰ体积变大、压力变小,油腔Ⅱ体积变小、压力变大,单向阀5关闭,油腔Ⅱ中的液压油通过阻尼孔4流入油腔Ⅰ,蓄能器6中的部分液压油也流入油腔Ⅰ。2回收3个导压剂内的5.在建立油气悬架数学模型时做了如下假设:(1)假设活塞与缸筒内壁之间没有摩擦,液压油在液压管道内流动时没有摩擦;(2)假设液压油是连续不可压缩的,且整个油气悬架系统密封性良好,不存在任何泄漏;(3)假设蓄能器气室内N2处于绝热状态,压强和体积不受温度影响。2.1单气室悬架油缸ps设计将单气室悬架油缸简化为如图2所示的数学模型。图中取悬架油缸的静平衡位置为初始位置,悬架油缸的输出力为F,活塞及活塞杆相对于缸筒的位移为X。由流体力学知识,建立单气室悬架油缸的输出力平衡方程,如下:式中F———悬架油缸输出力,N;p1、p2———油腔Ⅰ、油腔Ⅱ的压力,Pa;S1、S2———油腔Ⅰ、油腔Ⅱ的有效截面面积,m2。p1和p2存在如下关系:式中ρ———液压油密度,kg/m3;阻尼孔和单向阀的流量计算公式,如下:由热力学相关知识可知,蓄能器内气体的状态方程,如下:式中p0———蓄能器初始状态下的气体压力,Pa;V———蓄能器动态下的气体体积,m3;式中X———活塞相对于缸筒的位移,m。忽略油液在管道内流动时的摩擦,可得:式(1)~(6)所组成的数学方程组即为单气室悬架油缸的数学模型,由此可以求出输出力F的表达式,如下:当悬架油缸处于压缩或复原行程时,即X和X觶发生变化时,便可求出悬架油缸的输出力F的值。由式(7)可知,影响悬架油缸输出力的参数有蓄能器初始压力与初始体积、活塞杆的截面积、阻尼孔和单向阀的有效节流面积等。由式(7)第二项可以看出阻尼力与活塞及活塞杆相对于缸筒的移动速度的平方成正比,可知油气悬架的阻尼力是非线性的。2.2悬挂质量运动方程如图3所示,建立重型车辆悬架系统的单轮二自由度振动数学模型。此模型只考虑悬挂在垂直方向的振动,忽略其他自由度的振动。根据数学模型可得悬挂质量和非悬挂质量的运动方程,如下:式中M1、M2———非悬挂质量和悬挂质量,kg;X1、X2、X3———路面激励、非悬挂质量块和悬挂质量块的位移,m;———非悬挂质量块和悬挂质量块的加速度,m/s2;Ct———轮胎阻尼,N/m·s-1。由式(7)、(8)和(9)即构建了单轮二自由度振动数学模型。3基于阿尔斯基模型的模拟研究3.1汽车各功能特性分析根据图3所示的单轮二自由度悬架系统数学模型,建立其AMESim仿真模型(图4)。为系统中的每个图形模块选择合理的子模型,然后为每个图形模块设置需要的特性参数,主要参数如表1所示。最后,输出在不同阻尼孔直径下车身的垂直位移(见图5)和垂直加速度曲线(见图6)。为了使曲线清晰,图中仅给出了阻尼孔直径为1mm、2mm和3.5mm下部分时间的加速度曲线。3.2阻尼孔尺寸的影响通过分析图5可以得到:(1)阻尼孔的直径较小时,车身位移有一个比较大的负值,且车身达到平衡位置所需要的时间较长;(2)随着阻尼孔直径增大(由1mm增大到2.5mm时),车身位移的负值逐渐减小,且车身达到平衡所用的时间也减小;(3)当阻尼孔直径继续增大(由2.5mm增大到3.5mm时),车身位移在平衡位置上下振动,且振动的幅值也越来越大,车身平衡所用的时间也越来越大。(2)车身垂直加速度达到平衡的时间,随着阻尼孔的直径增大,先减小然后又增大。综上可知,阻尼孔过小,车身垂直位移和加速度会出现过大的幅值(峰值);阻尼孔过大,车身垂直位移和加速度达到平衡的时间会过长。我们可以综合分析车身垂直位移、加速度的幅值和达到平衡的时间情况,得到阻尼孔直径的最优值。本例中,阻尼孔直径的最优值在2~2.5mm之间。4amesim仿真(1)通过分析单气室悬架油缸的结构和工作原理,建立了单气室悬架油缸的数学模型和重型车辆悬架系统的单轮二自由度振动数学模型并推导出了悬架油缸的输出力的方程,得出悬架油缸阻尼力是非线性的;(2)基于AMESim建立了单气室油气悬架系统的二自由度模型,通过仿真,分析了单气室油气悬架不同阻尼孔直径对车身垂直位移和垂直加速的影响,为单气室油气悬架系统的深入研究建立了基础。Q———流过阻尼孔和单向阀的流量,m3/s;A———阻尼孔和单向阀的过流面积,m2;C———流量系数,通常,C=0.6~0.816;———活塞相对于缸筒的移动速度,m/s;sign()———符号函数,定义为:V0———蓄能器初始状态下的气体体积,m3;p———蓄能器动态下的气体压力,Pa;r———气体多变指数,通常,r=1~1.4。蓄能器内气体体积变化关系,如下:———非悬挂质量块的速度,m/s;Kt———轮胎刚度,N/m;运用AMESim批处理命令,设置阻尼孔的直径分别为1、1.5、2、2.5、3、3.5mm,仿真时,先让悬架系统在没有外部