混合連通式油氣懸掛的仿真分析

混合連通式油氣懸掛的仿真分析

油氣懸浮液是故障彈簧的彈性元件，可以極大地改善車輛的行駛過程中的振動性能。對于混合使用獨立懸掛和單側(cè)連通式(油氣彈簧)多軸平衡懸掛的某導彈運輸發(fā)射車而言,其優(yōu)勢就更加明顯:一方面連通式油氣懸掛的多軸平衡特性可以大幅提高車輛行駛的平順性;另一方面,單側(cè)連通式油氣懸掛針對車輛側(cè)傾所表現(xiàn)出的并聯(lián)特性又能較好地保證車輛的橫向穩(wěn)定性,最終達到車輛行駛平順性和橫向穩(wěn)定性的高度統(tǒng)一。針對油氣懸掛的設(shè)計和計算,國內(nèi)外大都基于理想氣體的絕熱過程或多變過程來進行預(yù)估和分析,最終的計算結(jié)果與實際情況均有相當大的出入,尤其是在混合連通式油氣懸掛多變過程特性的理論探討及計算方面更為不足。本文基于傳熱學理論,在綜合考慮氣體在油液中的溶解效應(yīng)的條件下建立了混合連通式油氣懸掛的數(shù)學模型,同時還對某采用混合連通式油氣懸掛的導彈運輸發(fā)射車進行了系統(tǒng)振動建模,并在此基礎(chǔ)上分析了該重型車輛的行車過載特性及其影響因素。2彈簧串之間的連接,將選擇短管與短管兩混合連通式油氣懸掛由4個油氣彈簧組成,4個油氣彈簧的氣室均通過輸氣管連通在一起,并且每個油氣彈簧的氣室和油液之間沒有采取任何分隔措施。根據(jù)車輛輪軸的布置特性,前后油氣彈簧的氣室每兩兩用短管連接,且短管中間有1個三通轉(zhuǎn)接頭,而前后兩組油氣彈簧串之間則采用長管直接連通兩三通轉(zhuǎn)接頭而予以連接。具體結(jié)構(gòu)示意見圖1。2.1dqdrdt的計算由于油氣懸掛的連通特性,每一油氣彈簧的氣室均可視為開口腔室。根據(jù)熱力學第1定律,氣室內(nèi)氣體內(nèi)能的變化可表示為如下形式:dUdt=∑m˙ihi+dQdt?dWdt(1)dUdt=∑m˙ihi+dQdt-dWdt(1)式中m˙m˙ihi為i口處的焓流率;dQdt=KA(Text?T)dQdt=ΚA(Τext-Τ)為傳入系統(tǒng)的熱流率;K為氣體對外的傳熱系數(shù);A為氣室對外的傳熱面積;Text為外部環(huán)境的溫度;T為氣室氣體溫度;dWdt=?PdVdtdWdt=-ΡdVdt為系統(tǒng)對外所做的功。對于完整氣體,其內(nèi)能是氣體質(zhì)量和溫度的函數(shù),即V=mCvT將此式代入式(1),可得:dTdt=1m(1Cv∑im˙ihi?∑im˙iT)?PmCvdVdt+1mCvdQdt(2)dΤdt=1m(1Cv∑im˙ihi-∑im˙iΤ)-ΡmCvdVdt+1mCvdQdt(2)另對理想氣體狀態(tài)方程PV=mRT,兩邊同時求導得:VdPdt=?PdVdt+mRdTdt+RTm˙(3)VdΡdt=-ΡdVdt+mRdΤdt+RΤm˙(3)式(2),(3)即為油氣彈簧氣室的狀態(tài)描述方程。2.2連通管直徑及密度連通管具有一定容積,它在油氣彈簧工作期間始終能容納一定氣體,且容納的氣體質(zhì)量與油氣彈簧的狀態(tài)有關(guān)。考慮到試驗結(jié)果中各連通氣室的壓差較小,因此,本文就將連通管的容積等效到了連通氣室,而把連通管假想為只有阻尼的小孔進行考慮,其阻尼為沿程阻尼和局部阻尼之和。其中,沿程壓降ΔPy和局部壓降ΔPj分別為ΔPy=fL2Dρ(m˙iA0)2?ΔPy=2Kjρ(m˙iA0)2(4)ΔΡy=fL2Dρ(m˙iA0)2?ΔΡy=2Κjρ(m˙iA0)2(4)式中D為連通管直徑;f為沿程阻尼系數(shù);Kj為局部阻尼系數(shù);L為連通管長度;m˙m˙i為氣體的質(zhì)量流量;A0為連通管截面面積;ρ為氣體密度。因此,全程壓降為ΔP=ΔPy+ΔPj,由此可知連通管質(zhì)量流量為m˙i=sign(ΔP)A0|ΔP|/(fL2Dρ+2Kρ)??????????????√(5)m˙i=sign(ΔΡ)A0|ΔΡ|/(fL2Dρ+2Κρ)(5)2.3氣體在一定程度下的溶解度由于氣體與油液直接接觸,在油氣彈簧的工作過程中油氣之間必定會存在相互作用,其中最重要的作用就是氣體在油液中的溶解效應(yīng)。實驗過程中這種溶解效應(yīng)表現(xiàn)十分明顯:在對油氣彈簧充氣時,當壓強上升到一定程度之后,只要適當晃動油氣彈簧幾下,氣室氣體的壓強就會開始下降,而降到一定值之后就保持穩(wěn)定了。這明顯排除了泄露的可能,究其原因只能是氣體的溶解。亨利定律表明,氣體在已知液體中的溶解度與溶液上方的氣體壓強成正比,而氣體的溶解度通常定義為單位大氣壓下所溶解的氣體量折算成標準大氣壓和溫度狀態(tài)下的體積占原有液體體積的百分數(shù)。這里的油液和氣體均處于封閉系統(tǒng)之中,從而可知氣體在油液中的溶解量(質(zhì)量)為mr=CrP,兩邊求導可知:m˙r=CrdPdtm˙r=CrdΡdt。氣體在油液中溶解效應(yīng)的最終表現(xiàn)就相當于適量減少了氣室中的氣體量。2.4阻尼特性分析本文中油氣彈簧的阻尼主要依靠油液通過下缸體上的兩個節(jié)流小孔對環(huán)形腔充放油產(chǎn)生,當彈簧受到壓縮時,環(huán)形腔的容積增大,油液通過常通孔和單向閥小孔流入環(huán)形腔,此時產(chǎn)生的阻尼力較小;當彈簧伸張時,環(huán)形腔體積減小,此時單向閥被鋼球封住,環(huán)形腔的油液只能通過常通孔流入內(nèi)缸,因此阻尼加大。無論油氣彈簧處于何種狀態(tài),本文均假設(shè)環(huán)形腔油液均處于充滿狀態(tài)。在此將阻尼孔視為薄壁小孔,因此其阻尼特性為ΔPd=sign(Qh)ρd2|Qh|1.7C2dA2d(6)ΔΡd=sign(Qh)ρd2|Qh|1.7Cd2Ad2(6)式中ΔPd為內(nèi)缸和環(huán)形腔之間的壓力差;Ad為阻尼孔的面積;Cd為小孔的流量系數(shù);Qh=π4(D2c?d2c)X˙Qh=π4(Dc2-dc2)X˙為通過阻尼小孔的液體體積流量;Dc,dc分別為環(huán)形腔內(nèi)外環(huán)直徑;X為油氣彈簧的行程;ρd為液體密度。另考慮到環(huán)形腔充放油的影響,各氣室氣柱的實際高度與油氣彈簧的行程之間的關(guān)系為Hi=H0+D2d2Xi?i=1,2,3,4Ηi=Η0+D2d2Xi?i=1,2,3,4根據(jù)油氣懸掛的實際特征將上述各模塊的描述方程進行聯(lián)立,最終可得到混合連通式油氣彈簧的微分方程描述形式。3車輛的整體模型某導彈運輸發(fā)射車由牽引車和半掛車兩部分組成。其中牽引車有4軸,前兩軸與后兩軸分別由二軸平衡的鋼板彈簧與牽引車相連。牽引車與半掛車在鞍座A處掛接,半掛車也有4軸,其4軸由四軸平衡的混合連通式油氣懸掛與半掛車相連。導彈及發(fā)射筒安放在半掛車之上,發(fā)射筒在D處與半掛車相鉸接,前端安放在B位置處的托座上,而在C處則由一碟簧支撐。為進行系統(tǒng)建模,本文取全車一側(cè)作振動模型,其中,牽引車、發(fā)射筒簡化為了剛體;由于半掛車前兩軸與后兩軸之間的跨度較大,為體現(xiàn)半掛車自身剛度的影響,本文將半掛車在碟簧位置處截為兩段,兩段之間的連接形式為鉸接并附加有一扭轉(zhuǎn)彈簧,彈簧的剛度就是半掛車車體的抗彎剛度;半掛車4個非懸掛質(zhì)量均按只有垂直自由度的質(zhì)點予以考慮;同時還將牽引車的前兩軸和后兩軸分別等效為了彈簧阻尼元件。最終全系統(tǒng)就簡化成了八自由度的平面多體振動模型(見圖2所示)。具體振動的數(shù)學模型請參閱文獻,只要將前面混合連通式油氣彈簧的模型嵌入振動方程就可進行聯(lián)立求解。4初始氣柱高度對車輛振動的影響針對該重型車輛的振動模擬,本文選擇了3種路面工況:a)過60mm高、400mm長的等腰三角形凸塊,車速為15km/h;b)過四級路面,車速為25km/h;c)過二級路面,車速為25km/h。隨機路面的生成采用了偽白噪聲法,半掛車上參考點的模擬結(jié)果見表1。從表中不難發(fā)現(xiàn):不管是測試值還是仿真結(jié)果,無論是何種路面,半掛車上鞍座處的過載均比回轉(zhuǎn)軸處的過載要大將近1倍。這充分說明混合連通式油氣懸掛對減緩掛車尾部振動的作用是十分明顯的。另外,對比該重型車輛過單凸時五、八氣室的壓強時間歷程(見圖3)可以看出,兩氣室壓強差異是非常明顯的,這也從另一方面說明了若不計及連通氣室之間的壓差,可能會在仿真過程中引入相應(yīng)的誤差。為探討半掛車車身剛度對全車振動性能的影響,在變化車身剛度的條件下模擬了車輛在四級路況時的振動性能,結(jié)果(見圖4)表明,車身剛度越大,混合連通式油氣懸掛的減振效果越好。事實上,混合連通式油氣懸掛系統(tǒng)的剛度與氣室初始氣柱的高度是密切相關(guān)的。通常情況是初始氣柱高度越大,油氣彈簧的剛度越小,懸掛系統(tǒng)則具有更好的減振性能,車輛的行車動態(tài)性能就更好,圖5中針對初始氣柱高度的模擬結(jié)果充分證明了這一點。但增大氣柱高度會使車輛的重心升高,從而降低車輛的穩(wěn)定性,因此,在實際應(yīng)用時應(yīng)綜合考慮兩種效果的折中。另外,本文還模擬了不同連通管管徑時全車系統(tǒng)的振動情況(結(jié)果見圖6),從圖中可以看出,連通管管徑越大,車輛行駛越平穩(wěn)。究其原因主要有二:a)連通管的容積效應(yīng),管徑加大與增大初始氣柱高度等效;b)管徑加大,氣室間氣體串動的阻尼減小,各軸氣室間的壓差更小,各軸載荷更平衡,從而車輛行駛更平穩(wěn)。隨著油氣彈簧初始氣柱高度及連通管管徑的增大,車輛平順性能得到改善,但工程實際中不可能無限制地增大初始氣柱高度及連通管管徑,當在工程范圍內(nèi)確定了最大初始氣柱高及連通管管徑后,尚可通過阻尼孔的適當匹配來進一步改善車輛性能,基于此思路,本文又針對兩阻尼孔孔徑的變化進行了仿真計算,計算結(jié)果見圖7～9。從圖中可以看出單向阻尼孔和常通阻尼孔孔徑的變化在一定范圍內(nèi)確實可起到減小車輛振動的效果,并且在單向阻尼孔孔徑固定的前提下,車輛振動的過載量針對常通孔孔徑具有明顯的峰值。5混合連