基于MATLAB_SIMULINK的油气悬架动力学仿真

基于MATLAB /SIMULINK 的油气悬架动力学仿真

段俊法,孙永生,杨振中

(华北水利水电学院机械学院,郑州 450011)

摘要:建立了单气室油气悬架的非线性数学模型和二自由度汽车振动模型,利用蒙特卡洛法构造了路面不平度时间函数,利用M ATLAB /S I M ULI NK 进行了时域仿真。分析了油气悬架主要参数包括蓄能室初始体积、主活塞杆面积、阻尼孔面积变化对车辆平顺性、安全性的影响,得出了某型油气悬架结构参数的可行设计范围。

关键词:MATLAB /S I M ULI NK ;油气悬架;动力学;仿真

中图分类号:U 463.33+4.3 文献标识码:B 文章编号:1006-0006(2010)04-0059-03

Dyna m ics Simulation of Hydro pneu matic Suspension

Based on MATLAB /SIM UL INK

DUA N Jun fa,SUN Yong sheng,Y ANG Zhen zhong

(M echanica l Schoo,l N o rth Ch i na U n i v ers it y o fW ater R esources and E l ec tric P o w er ,Zhengzhou 450011,China)

Abstr ac:t T he non linear m at hema ti ca lm ode l s of a si ng le aux iliary gas room hydro pneu m a tic s uspens i on and a t wo

DOF veh icle v i brati on model w ere built .A m ode l of ro ad roughness i n ti m e do m a i n was structured by us i ng M ontecar l o m ethod .A s i m u l ation i n ti m e do m a i n was operated w it h M ATLAB /S I M U L I NK.T he si m u lati on m odel w as e mp l oyed to st udy t he e ffect o fm a i n pa rame ters i nc l uded the i n iti a l vo l u m e o f t he aux iliary gas roo m,m ain pist on area ,da mp i ng ho l e area on vehic l e ri de co m f o rt and security perfor m ance ,then the scope o f the m a j or desi gn para m ete rs w as d iscussed .

Key wor ds :MAT LAB /SI

M UL I NK;H ydro pneu m atic suspensi on ;D ynam ics ;S i m ulati on 自20世纪60年代后期由Karnopp 发明油气减振器以来,车辆油气悬架的优良特性即被广大工程技术及研究人员所关注。油气悬架的结构最先应用在德国和日本的重型车辆上,以后逐步推广应用到军用特种车辆、工程机械等车辆上[1-2]。

悬架直接影响车辆的平顺性和安全性,传统车辆悬架刚度和阻尼均不可变,仅可适用于某些路面。而油气悬架具有良好的非线性弹性特性和阻尼特性,较好地满足了不同路面的使用要求,提高了车辆的平均行驶车速和坏路的通过性能。

车辆油气悬架系统是典型非线性系统,传统的基于叠加规律的频域分析方法不能适用,应采用时域分析的方法求得振动响应的解。路面对车辆的激励通常是不确定和满足统计规律,求解困难。应用M ATLAB /SI MULI NK 进行仿真计算可以获得较好的效果[3]。

1 油气悬架原理和建模

单气室油气悬架一般由悬架缸、主活塞、蓄能器和活塞杆组成。某单气室油气悬架结构如图1所示,主活塞与悬架缸构成了主油室 ,中空的活塞杆内腔为副油室 ,把主油室和蓄能器以浮动活塞分割,蓄能器的气囊和浮动活塞组成气室!,各腔的压力、体积、面积如图1所示。

当悬架处在压缩行程(活塞杆向上运动)时,I 腔的油液受到压缩向两个方向运动,一部分油液经过单向阀2和阻尼孔1流入 腔;另一部分油液进入蓄能器,使气室容积减小,氮气压力升高。在这一过程中由于单向阀2和阻尼孔1同时使中心腔与 腔连通,油液流经单向阀2和阻尼孔1的流速较低,产生的油液阻尼力比较小,因此主要由蓄能器内的气体受到压缩产生弹性作用来抑制活塞杆的向上

运动。

图1 油气悬架模型

Fig .1M odel o f H ydro pneu ma ti c Suspen s i o n

伸张行程时,活塞杆向下运动,I 腔的体积增大、压力减小, 腔体积减小、压力增大, 腔和气室!中的部分油液流向I 腔,此时因油液单向阀关闭,产生的阻尼力较大,用于衰减振动。

分析物理模型时作如下简化:油液的质量与悬架油缸组件的质量均忽略不计;各构件没有弹性变形;各密封环节工作可靠、系统没有内泄漏和外泄漏;悬架油缸润滑良好、忽略库仑摩擦的影响;油液是连续不可压缩的、不考虑油液流动过程中气穴现象的影响、不考虑管路的沿程损失和局部损失。可得

F =p 1A 1-p 2A 2

(1)

静平衡位置时,各腔室的压力相同,设为p s ,即

p 1=p 2=p 4=p s

(2)

在活塞被压缩和伸张时,主油室内油液体积变化等于蓄能器内

油液体积变化,即

收稿日期:2010-05-14

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59∀第37卷第4期 拖拉机与农用运输车 V o.l 37N o .42010年8月 T racto r&F ar m T ransporter A ug .,2010