油气悬架系统的非线性阻尼与振动分析

油气悬架系统的非线性阻尼与振动分析

汽车悬浮液的动态是汽车动态研究的重要内容之一。主要研究汽车的平整度、行驶安全和悬挂框架运动。油气弹簧作为油气悬架的弹性元件和阻尼元件,其性能的好坏直接影响到整个汽车悬架系统的动力学性能。因此,油气弹簧的合理的结构设计及参数选择对于重型车辆的振动特性及平顺性有很重要的意义。1弹簧及弹簧对压力的影响单气室油气弹簧结构简单、工作可靠、加工要求低,因此应用最多,且多采用筒式结构。单气室油气弹簧结构原理如图1所示。图1所示的油气弹簧结构原理简图中,活塞杆及其组件1可以在缸体10内往复运动,浮动活塞3可以在活塞杆内往复运动。气室2内充满一定量的氮气,内油室4和外油室8则充满液压油。当油气弹簧处于受压状态时,活塞杆及其组件1向上运动,外油室8容积减小,液压油处于受压状态,液压油通过阻尼孔7(当压力足够打开压缩阀5时,液压油也通过压缩阀)流入内油室4,此时内油室的容积增大,浮动活塞向下移动,气室2容积减小,压力增大,相当于弹簧储存能量。升高了的氮气压力通过液压油的传递变为作用在主活塞上的下移力,当此力与外界载荷相等时,活塞便停止运动。当压力减小时,即外油室8的压力减小时,气室2内的高压氮气则推动浮动活塞3向上运动,使内油室4内的液压油经过阻尼孔7和伸张阀9流入外油室8。2弹簧阻尼力非线性的数学模型在油气悬架系统中,阻尼主要来源于两个方面:(1)油液流经阻尼孔的液体阻尼;(2)主活塞和缸筒壁相对滑动产生的摩擦阻尼。其中,摩擦阻尼相对很小,在油气悬架工作中并不起主要的阻尼减振作用,因而,分析中不作为重点考虑。对于减振器而言,流体流经阻尼孔产生的流体阻尼是研究的重点。缸筒的输出载荷为式中:F为缸筒输出载荷;p1,A1分别为外油室的压力和截面积。流量方程为式中:Δp、p2分别为压差和内油室的压力;Q、Ac分别为阻尼孔的流量和过流面积;Cd为孔口流量系数,因为是薄壁小孔,取Cd=0.65;z,z﹒分别为缸筒相对于主活塞的位移和速度;ρ为液压油密度;sign()为符号函数。流经阻尼孔的流量与主活塞相对于缸筒的速度之间的关系为气室气体状态方程其中式中:p0、V0分别为静平衡位置时气室氮气的压力和容积;p3、V分别为动态时气室氮气的压力和容积;n为气体多变指数,油气弹簧的振动过程近似为绝热过程,此处取n=1.4。忽略浮动活塞的质量,则由式(4)—(6)可得综合式(1)—(7),可得其中,式(8)中的第二项为油气弹簧阻尼孔产生的阻尼力,可以表示为从式(9)可以看出,阻尼力与速度的平方成正比,因此阻尼力是非线性的。另外,阻尼力还与主活塞的面积、油液密度、阻尼孔的过流面积等因素有关,其中,阻尼孔的过流面积对阻尼力影响最大,其他因素的影响有限。3单轮两自由度模型图2为单轮两自由度油气悬架的振动模型。为了简化计算,便于讨论,建立模型时作以下假设:(1)车身质量分配系数为1,因为全独立悬架,其悬架质量为集中质量;(2)只考虑垂直方向的振动,不考虑其他自由度的振动;(3)悬架之间的联系质量为0。基于以上假设,建立重型汽车油气悬架系统的单轮两自由度模型,如图2所示。图中,设m1、m2分别为非悬挂质量和悬挂质量,kt为轮胎刚度,z1、z2、z3分别为路面激励、非悬挂质量和悬挂质量的位移,其中z=z2-z3。根据上述油气悬架物模型可建立如下数学模型非悬挂质量力平衡方程悬挂质量力平衡方程式(1)—(11)构建了油气悬架系统的两自由度振动数学模型。由此数学模型可知,阻尼孔的过流面积影响非悬挂质量和悬挂质量垂直方向的动态特性。4不同阻尼孔径仿真结果单轮两自由度油气悬架系统AMESim模型如图3示。虚线框中的部分为油气弹簧的AMESim模型,其他部分分别为悬挂质量、非悬挂质量及轮胎的刚度和阻尼、输入信号等。模型主要参数如表1所示。输入信号为阶跃信号,其幅值为0.05m,仿真时间为3s,步长为0.001s。仿真时,其他参数保持不变,修改阻尼孔的直径得到不同参数下的结果,如图4和5所示。图4为阻尼孔直径分别为2、3、4和5mm下的车身垂直位移曲线,图5为车身垂直加速度曲线。(1)由图4可知,随着阻尼孔直径的缩小,车身垂直方向位移响应时间缩短,车身冲击位移最大超调量变小,振荡次数减小。为此可知,小阻尼孔的系统阻尼比较大,其主要是由于阻尼孔过流面积影响油气弹簧的阻尼力,进而影响油气悬架系统的振动特性。(2)由图5可知,随着阻尼孔直径的缩小,车身垂直方向加速度的响应时间也缩短,但加速度的峰值越来越大,即车身所受到的冲击越大。综上可知,虽然减小阻尼孔的过流面积能够缩短车身振动的响应时间,但并不是阻尼孔越小越好,过小的阻尼孔会导致车身的冲击增大。因此,选择合理的阻尼孔直径,能有效的保持行车的平顺性及舒适性。5阻尼特性的影响作者以重型车辆油气悬架为研究对象,根据其实际结构作了如下研究:(1)建立了油气悬架系统的非线性阻尼数学模型和单轮两自由度振动数学模型,并得出系统的阻尼特性与主活塞的截面积、油液密度、阻尼孔的过流面积等因素有关,其中,阻尼孔的过流面积对阻尼力影响最大,其他因素的影响有限。(2)在AMESim中建立了油气悬架系统的仿真模型,并通过调整