基于功率鍵合圖的油氣彈簧懸架系統(tǒng)非線性仿真研究

基于功率鍵合圖的油氣彈簧懸架系統(tǒng)非線性仿真研究

0鍵合圖性能分析美國教授h.m.交叉在20世紀50年代末首次提出了功率鎖跟蹤理論。經過近幾十年的研究和改進，鎖跟蹤理論尤其是系統(tǒng)動力學分析提供了許多獨特之處。該理論可用統(tǒng)一的方式處理各種能量形式并存的復雜系統(tǒng),其表達系統(tǒng)動態(tài)性能的鍵合圖模型結構簡明,信息量大,可直觀揭示組成系統(tǒng)各元件間的相互作用及能量轉換關系,適用于建立多能量系統(tǒng)的動態(tài)模型分析,是一種進行復雜機械系統(tǒng)動力學分析的簡便、通用的方法。作為全路面起重機的關鍵技術之一、多橋驅動底盤研究的熱點之一,油氣彈簧懸架是一個集機、電、液3種不同能量形式于一體的復雜系統(tǒng),國內外工程界和學術界對其的研究正方興未艾。本文基于功率鍵合圖理論建立了雙氣室油氣懸架缸二自由度動態(tài)模型,利用Matlab軟件Simulink模塊建立子系統(tǒng)的方法進行仿真分析,研究了在單波路面不平度激勵下,油氣懸架缸主要參數(shù)(阻尼孔直徑、單向閥直徑、蓄能器初始壓強和初始體積)對系統(tǒng)振動性能的影響,得出了油氣懸架結構參數(shù)的可行設計范圍。1相對缸筒運動時油液壓力的變化如圖1所示,油氣懸架缸內部有3個腔,其中無桿腔Ⅰ通過進油口1與蓄能器5相連通,有桿腔Ⅱ通過單向閥2和阻尼孔3與有桿腔Ⅲ相連通,有桿腔Ⅲ通過進油口2與蓄能器6相連通。整個油氣彈簧懸架系統(tǒng)的工作過程可分為伸張行程和壓縮行程。在伸張行程,即活塞桿相對缸筒做伸出運動時,有桿腔Ⅱ容積變小,腔內油液壓力升高,導致油液通過阻尼孔和單向閥壓入與蓄能器6相通的有桿腔Ⅲ;此腔油液壓力的升高使蓄能器6腔內的氮氣得到壓縮;同時,無桿腔Ⅰ容積變大,油液壓力下降,與之相連的蓄能器5在高壓氮氣的作用下,使5中的油液壓入無桿腔Ⅰ。在壓縮行程,即活塞桿相對缸筒做縮進運動時,有桿腔Ⅱ容積變大,腔內油液壓力下降,使蓄能器6中的油液在高壓氮氣的作用下壓入有桿腔Ⅲ,Ⅲ腔內油液通過阻尼孔流向有桿腔Ⅱ;同時,有桿腔Ⅰ內油液壓力上升,將油液壓入下蓄能器5,使蓄能器5內的氮氣得到壓縮。在車輛行駛過程中,活塞相對缸筒上、下滑動,使有桿腔Ⅱ和有桿腔Ⅲ內的油液在壓強差的作用下往復流過阻尼孔和單向閥。由于阻尼和摩擦等作用,使整個過程不斷伴隨著能量消耗,從而衰減車輛的振動,這一過程就形成了油氣彈簧懸架系統(tǒng)的阻尼特性。2單懸架系統(tǒng)工作原理從研究油氣彈簧懸架車輛行駛平順性的目的出發(fā),建立其二自由度車輛振動系統(tǒng)模型,假定:車身視作剛體(忽略發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等對系統(tǒng)振動的影響),作為懸掛質量;車橋及其相連接的車輪等視為非懸掛質量;輪胎簡化為線性模型,只考慮剛度,阻尼忽略;車輪與路面為點接觸。如果車輛作勻速直線行駛,且左右車輪激勵相同,考慮到系統(tǒng)幾何和受力的對稱性,參考雙氣室油氣彈簧懸架內部結構,可將車輛簡化成二自由度單點激發(fā)系統(tǒng),如圖2所示。在圖2中,m1、m2分別為非懸掛質量(包括車輪與車橋質量)、懸掛質量(單懸架缸承受的車身質量),A1、A2和A3分別為液壓缸無桿腔Ⅰ、有桿腔Ⅱ和有桿腔Ⅲ的截面面積,Kt為輪胎剛度系數(shù),vi、v1和v2分別為激勵、非懸掛質量和懸掛質量的垂直速度,p1、p2、p3、p4和p5分別為無桿腔Ⅰ、有桿腔Ⅱ、有桿腔Ⅲ、蓄能器5和蓄能器6的瞬時壓力。對圖2雙氣室油氣彈簧懸架車輛振動模型所示,根據(jù)鍵合圖原理,將模型中2個不同的速度v1和v2的點確定為1結點,將模型中壓力點p1、p2、p3、p4和p5確定為0結點,將阻尼孔、單向閥、連通蓄能器6和蓄能器5的管道液阻阻尼作為阻性元件R1、R2、R4和R5,將簡化為彈簧的輪胎柔度、無桿腔Ⅰ、有桿腔Ⅱ、有桿腔Ⅲ、蓄能器6和蓄能器5的液容分別作為容性元件C0、C1、C2、C3、C4、C5,將非懸掛質量m1、懸掛質量m2作為慣性元件I1和I2,將激勵速度vi作為流源,將非懸掛質量m1和懸掛質量m2的自身重力作為勢源。分別將阻性元件、容性元件、慣性元件和勢源、流源連接到各自對應結點0和結點1上,用TF表示液壓功率與機械功率之間的能量轉換關系。用半箭頭表示功率流向,短劃線標出因果關系,并進行適當簡化,則可得到圖3所示二自由度油氣彈簧懸架車輛振動系統(tǒng)的功率鍵合圖。3振動系統(tǒng)的狀態(tài)方程狀態(tài)變量是借以表征系統(tǒng)內部狀態(tài)隨時間變化的物理變量,而狀態(tài)方程是描述狀態(tài)變量隨時間變化的數(shù)學表達式。鍵合圖模型能以直觀的方式,清晰地描述系統(tǒng)中的有關的物理效應、元件間的相互聯(lián)系以及功率傳輸情況。它本身隱含著描述系統(tǒng)動態(tài)性能的狀態(tài)方程。該振動系統(tǒng)的狀態(tài)變量共選取8個,分別是:輪胎壓力F0、液壓缸Ⅰ腔壓力P1、液壓缸Ⅱ腔壓力P2、液壓缸Ⅲ腔壓力P3、蓄能器6的壓力P4、蓄能器5的壓力P5、非懸掛質量垂直速度v1、懸掛質量垂直速度v2。根據(jù)表1所示的基本鍵合圖元因果關系可推導得出如下狀態(tài)方程在狀態(tài)方程中,G單為活塞桿上單向閥的液導。4懸架系統(tǒng)的剛度分析基于上述功率鍵合理論,對國產某型9軸全路面起重機建立了功率鍵合圖模型,并把模型導入Matlab進行了仿真。模型中的若干主要參數(shù)有:非懸掛質量m1=1000kg,懸掛質量m2=6000kg,輪胎剛度系數(shù)kt=1.46×10-6m3/N,激勵信號為如圖4所示的30mm/2.5Hz的單正弦波。根據(jù)式(1)~式(8),用Matlab軟件中的Simulink模塊,分別建立子系統(tǒng),最終建立如圖5所示的系統(tǒng)仿真總模型,并進行仿真。圖6是仿真得出的油氣懸架剛度特性曲線。從圖6可以看出,油氣彈簧懸架具有非線性剛特性,且在壓縮行程主要起阻尼特性,伸張行程主要起剛度特性;隨著行程的改變,懸架剛度系數(shù)呈非線性變化。圖7~圖10是在其他參數(shù)不變、只改變油氣彈簧懸架的某一主要參數(shù)時,所得出的對車身加速度的仿真結果。圖7是蓄能器初始體積V0分別為2.5L和4.5L時,車身加速的時域對比圖。圖8是蓄能器初始壓強P0分別為6MPa和10MPa時,車身垂直加速度時域對比圖。從圖中可以看出,增大蓄能器的初始體積V0或初始壓強P0,可有效降低車身加速度的振幅,使振動迅速衰減,并降低了系統(tǒng)剛度,提高了車輛的平順性。圖9是單向閥最大口徑Dd分別為5mm,8mm和10mm時,車身垂直加速度的時域對比圖。由此圖可以看出,單向閥最大口徑由5mm變?yōu)?mm后,懸架的剛度特性變化很小。而當Dd=8mm時,車身垂直加速度在第一個周期迅速衰減,然后衰減效果不明顯,說明此時的單向閥流通口徑能有效減小地面沖擊的傳遞。圖10是阻尼孔直徑Zd分別為5mm、6mm和8mm時,車身垂直加速度的時域對比圖。此圖表明,阻尼孔口徑Zd太大,使系統(tǒng)阻尼系數(shù)減小,導致振動衰減緩慢,容易引起共振。但是,如果阻尼系數(shù)過大,系統(tǒng)振動結束時間太短,會有給人以沖擊感覺。因此,適當調節(jié)阻尼孔口徑,可有效提高車輛的平順性。圖示表明,當Zd=5mm左右時,能獲得較好的衰減效果。由于車輛平順性的影響因素很多,除了以上4個因素外,活塞直徑、液壓缸內徑以及工作時外界溫度對懸架系統(tǒng)性能也有一定的影響,故在確定懸架缸主要參數(shù)時,要綜合考慮影響車輛的所有因素,突出主要性能的同時,兼顧考慮其他性能。圖11為輸入激勵振幅不變時,頻率分別為1.5Hz、2.5Hz和5Hz時,車身垂直加速度時域對比圖,說明輸入激勵的頻激越高,油氣彈簧懸架的減振效果越明顯。5對車輛進行橫向布置的影響本文通過對全路面起重機雙氣室油氣彈簧懸架二自由度車輛振動模型的仿真,分析了油氣彈簧懸架缸主要參數(shù)(蓄能器初始體積與初始壓強,阻尼孔直徑和單向閥直徑)變化對車輛平順性的影響,驗證了油氣彈簧懸架的非線性剛度和阻尼特性。1