全地面起重机油气悬架系统仿真及其参数优化分析.pdf

设计- 计算 D e s i g n a n d C a t c u t a t i o n 杠 械 第 4 6卷 l 第1 2 期 总第 5 0 6 期 全地面起重机油气悬架系统仿真 及其参数优化分析 曹培雷 ， 刘卫华， 王吉龙 徐州重型机械有限公司 摘要 l 建立了相对精准的油气悬架数学模型 ， 并利用 A ME S i m仿真软件建立油气悬架系统模型， 分析重型车辆在正弦 路面激励下油气悬架系统的动态响应 ， 通过油气悬架系统的评价分析找到其关键参数 ； 通过正交试验法对关键参数仿真数 据进行分析及优化， 研究各参数对车辆行驶平顺性及行驶安全性的影响规律， 为油气悬架系统设计提供参考。 关键词 油气悬架 ； 仿真 ； 正交试验法； 参数优化 随着时代的发展和进步，用户对全地面起重机的行 驶安全性 、 驾乘平顺性的要求越来越高 。 油气 悬架具有承 载能力强 ， 体积小及动力学性能好等特点， 能够满足各种 工况下重型车辆对悬架系统的性能要求。 此外 ， 油气悬架 系统还具有非线性特征 ， 可变悬架刚度 ， 在凹凸不平的路 面行驶时 ， 可明显减少重型车辆的冲击 ， 改善操作人员的 驾乘舒适性。由于实际应用的油气悬架系统复杂程度高， 不确定因素多 ， 如按 照实际情况建立悬架数学模型 ， 难度 较大且不利于后续工作的进展 ， 增加研究的难度。 如何建 立一个相对准确又易于应用于工程实际的数学模型， 找 到影响油气悬架的行驶安全性 、 驾乘平顺性的关键参数 ， 并对其进行最优化成为重型车辆油气悬架系统设计成功 与否的关键。 1 油气悬架数学模型 为了能清晰地研究油气悬架性能，本文对油气悬架 做一定程度的简化 ，忽略对悬架影响程度较小的次要因 素。具体简化如下 1 假设油液为绝对理想油液 ， 即油液不可压缩。 2 假设油液特性不变 ， 即油液特性不受外界因素的 影响。 3 假设油气悬架阻尼孔属于绝对节流性质， 即可简 作者简介 曹培雷 1 9 r 7 9 一 ， 男 ， 江苏徐』 、 I1 人， 高级工程师， 硕士， 研究方向 起重机底盘液压系统及工程车辆油气悬架系统研究。 2l0 f5 。伫 f j 霏 知 敞 f 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计 计算 D e s i g n a n d C a t c u t a t i o n 化成固定节流孔 。 通过以上假设 ，油气悬架可以简化成较理想的物理 模型， 以某多轴车辆油气悬架为例， 简化物理模型如图 1 所示。 图 1 双质量连通式油气悬架系统物理模型 图 1 中 m 、 m 分别为非簧载质量和簧载质量； 为 轮胎刚度 ； c 为轮胎阻尼系数 、 分别为路面激励 、 非簧载质量及簧载质量的位移； F为油气悬架的作动力； A 为油气悬架的有效作用面积 ；假设活塞杆在激励信号 作用下 ，悬挂缸无杆腔和有杆腔内的压力分别为 p 、 p 和p p ， 阻尼阀与管路连接位置压力为p ， 、 p 。 ， 蓄能器中 油液压力与气体压力分别为p p 也 和p p 。 假定悬架缸轴向固定不动 ， 活塞一 活塞杆组件以油气 弹簧的静平衡位置为原点相对于悬架缸上下运动 ，本文 取向上 包含位移、 速度、 悬架缸的输出力 为正， 向下为 负， 根据上述油气悬架物理模型， 建立如下数学模型 1 气室气体平衡方程 n n ， 、 p g g g 0 g 0 1 式中 n 为气体不变指数， 气室内的气体为氮气 ， 且将油气 弹簧的振动过程近似为绝热过程 ， 此处 n 1 ． 4 。 3 8 } 5 1 2 2 簧载质量力平衡方程 p A 2 2 m2 g F i s i g n x 1 一 2 3 3 非簧载质量力平衡方程 m1 1 k 1 , o - 1 一 F m 2 g - - F i s i g n l 一 2 4 4 阻尼孔流量方程 c d 、 ／ 5 上述式中 为节流孔的流量系数，取 0 ． 6 5 ； p为液体密 度； F ， 为悬架摩擦力。 当 s i g n 1 一 2 0时 ， A A1 ，当 s i g n 1 一 2 ≤0时 ， A A ， A 。其中， A为总过流面积； A 为节流阀过流面积； A 为单向阀过流面积。 5 蓄能器中气体体积变化方程 g g 0 J Q d t g 0 - A ， 一 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第4 6 卷 l 第1 2 期 总第 5 0 6期 联立上述诸方程 ， 得以下微分方程 。 X 0 -- X 1 一 m 7 3 全地面起重机油气悬架系统性能评价 以 _ { 丽V。s两oC ] ， l A dsignx1一 2 gO -x2 J F为油气悬架运动过程 中作动 力， 它是 一 的函 数 ， 由式 8 可以得出系统初始参数 P V 和 A在悬架运 动过程中影响系统的动态特性 ，且动态特征呈非线性 ， 其 非线性主要包括刚度非线性和阻尼非线性。 2 油气悬架系统仿真模型 本文以某全地面起重机油气悬架系统为原型 ，基于 A ME S i m软件建立仿真模型， 如图 2 所示。A ME S i m模型 的主要参数设置如表 1 所示 ， 路面输入为频率产 1 H z ， 振 幅 A 2 0 1 “I I 1 “／ 1 的正弦波。 广 _ [ 卜 J ■ l 卫 图 2 单桥油气悬架系统仿真模型 表 1 连通式油气悬架 A MES I r a模型主要参数 参数 数值 单位 单桥车身质量 6 5 0 0 k g 悬挂油缸缸径 ／ 杆径 ， 行程 1 1 o ， 9 o ， 1 o 0 m m 轮胎等效弹簧刚度 2 0 0 o o 0 0 N ／ m 轮胎等效阻尼系数 1 0 o 0 N ／ m ／ s 轮胎等效弹簧预载荷 6 5 0 o O N 全地面起重机行驶安全性、驾乘平顺性主要由乘员 的舒适程度来评价 ，而乘员对油气悬架系统性能的评价 主要依据车身振动系统传递的主观感受 ； 据文献可知 ， 衡 量油气悬架系统性能 的优劣 ，需充分考虑到车辆的行驶 安全性 、 驾乘平顺性 ， 与之相关的主 要性能指标通 常为 a 代表轮胎接地性的轮胎动载荷 ． b 代表乘坐舒适性的 车身加速度 ； c 影响车身姿态且与结构设计和布置有关 的悬架动行程Ⅲ ； 进行车辆悬架设计时 ， 对车辆悬架系统 参数进行分析计算，以此综合确定油气悬架系统的设计 参数。 1 轮胎动载荷 m 9 2 车身加速度 X 一 ． 一 f 1 O 2 --F - m 2 g F [ s i g n x 1 - x 2 m 2 3 悬架动挠度 鳓 2 1 1 国际上通常应用 I S O 2 6 3 1 1 1 9 9 7 E 人体承受全 身振动评价标准中所采用的加权加速度均方根值来评 价振动对人体舒适和健康的影响 ，加权加速度均方根值 计算式如下 上 [ 争 』 。T 2 2 1 2 式中 T 为振动分析时间； f 为加权加速度时间函数。 4 正交试验优化设计参数 正交设计是多因素的优化试验设计方法 ， 其作用是 只用较少的试验次数就可以找出因素水平间的最优搭配 或由试验结果通过计算推断出最优搭配 ， 是一种高效 、 快 速且经济的试验设计方法[2 1 。 本文采用正交试验法把不同 水平的影响因素进行组合 ， 得到每次试验的值 ， 来分析各 个参数对总评价指标的影响因子。 油气悬架系统的设计参数共同作用整车的行驶安全 性 、 驾乘平顺性 ， 且两者之间存在着互为消长的矛盾 ， 为 了兼顾行驶安全性、 驾乘平顺性， 有必要研究关键参数对 系统行驶安全性 、 驾乘平顺性的影响， 找出各参数在特定 2D 『5 伦 { 工 霏 缸 械 f 3 9 ④ ◎ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计- 计算 D e s i g n a n d C a t c u t a t i o n 工况下对系统的影响规律 ，并通过对油气悬架系统关键 参数进行一定程度的优化 ， 找出最优解 ， 为油气悬架系统 的设计提供一定的指导 。 车辆悬架系统中驾乘平顺性与行驶安全性的理想关 系可以用质量函数表示 2 Q g k o r ； ， 西 ／ 1 3 式中 为车身加速度有效值； o r F 为车轮动载荷波形有效 值 ； 为行驶平顺性加权系数； 为行驶安全性加权系 数； 为轮胎作动力。满足归一性及非负条件口 1 ， 可取 为0 ． 5 2 ， g f 为0 ． 4 8 。 对于连通式油气悬架而言， 蓄能器充当弹性元件， 悬 架缸内的阻尼孔、 单向阀和管路等充 当阻尼元件 ， 对于某 车型 ，各部件位置相对 固定 ，所以管路布置可变空间受 限。综上所述， 通过调整蓄能器的初始充气压力和总容 积 ，以及阻尼孔的孔径 ，即可调整系统的刚度及阻尼系 数 ， 进而调整油气悬架系统的行驶安全性 、 驾乘平顺性 ， 故选择这 3 个变量作为关键设计参数，优化该关键设计 参数即可以达到优化油气悬架系统的目的。 为了对各参数 的影响系数进行分析 ，需要进行方差 分析 ， 为此需要计算出每个参数对应的部分和 ， 部分和计 算公式为 Y 。其中 为参数 ， i 1 ， 2 ， 3 ； q代表 麓 i 1 的第q 个水平； 为对应 麓的第g 个水平的所有试验的指 标值； m为第q个水平的试验数。根据 ．s 的大小可以判 断 出对应参数取值的评价指标 ，进而得出参数变化对指 标 的影响。表 2 给 出了油气悬架系统关键设计参数水平 索引。表 3 所示为各参数对应的部分和。 表2 油气悬架系统关键设计参数水平索弓 水平代号 主要参数及代号 1 2 3 阻尼孔孔径 。 ／ mm 2 3 4 蓄能器初始压力 ／ MP a 3 4 6 蓄能器容积勋／ L 3 4 5 为了得到各参数对指标影响的显著程度，需要分别 计算出各参数针对指标的平方和， 计算式如下 柏 l 2o15 ．12 表 3 行驶安全性、 驾乘平顺性评价指标部分和 评价指标 试验参数及水平 s 1 9 ． 44 5 0 1 2 7． 4 X l 2 2 4 ． 2 6 1 4 6 5 4 9 ． 3 3 6 6 ． 2 8 41 9 6 41 1 5 ． 8 9 2 69 2 7 ． 6 戈 2 2 3 4- 3 8 21 2 2 78 ． 5 3 59 ． 74 37 7 I1 1 ． 6 1 4 ． 5 O 1 7 9 4 8 ． 9 3 2 3 8 - 3 2 2 3 7 8 8 7 ． 5 3 5 7 ． 1 8 3 6 04 8 1 ． 3 ． 2 2 一 C T 1 4 式中 i 1 ， 2 ， 3 为 施第 i 个水平的部分和； c 为修正 项， 可按照下式计算 c r - Z , y { i1 根据式 1 4 计算得 出各参数对指标影响的显著程度 如表 4 所示。 表 4 主要参数对行驶安全性、 驾乘平顺性评价指标 的影响程度 ％ 主要参数 评价指标 1 X 2 3 O- 3 8 O- 31 0- 31 0- 3 9 0- 31 0- 3 O 所 以经过无刚量归一化处理 ，各数对质量函数的影 响因子可以近似地拟合为 ， ， Q g o -i g f f f F m 0 ． 5 2XQ 1 1 ， 2 ， 3 O ． 4 8XQ 2 1 ， 2 ， 3 1 5 Q 1 l ， 2 ， 3 0 ． 3 8 x 1 0 ． 3 1 x 2 0 ． 3 1 x 3 1 6 Q 2 1 ， 2 ， 3 0 ． 3 9 x 1 0 ． 3 1 x 2 O ． 3 0 x 3 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第4 6 卷 I 第1 2 期 总第 5 0 6期 联立 1 5 、 1 6 和 1 7 可得 Q l ， 勋， 砧 0 ． 2 9 x ％0 ． 1 9 0 ． 1 ％ 0 ． 4 7 x x z O ． 4 7 x 4 r 3 O ． 3 8 ．3 1 8 p的最优值为定值， 1 l m ≤鼽≤6 I l l I n ， 1 MP a x 2 ≤ 1 0 MP a ， 1 L ≤ 物≤1 0 L经过优化，得出阻尼孔孔径为 5 ． 6 n u n ，蓄能器初始充气压力为 8 ． 6 MP a ，蓄能器总容积为 5 ． 8 L 。仿真得到优化前后车身加速度和车轮动载荷的频 域变化趋势如图 3 和图 4 所示。 曩 镐 幅 谢 卅 l 0 3 图 3 车身加速度仿真频域曲线 萎／U 一 1～～一～一⋯⋯一～～ ～⋯～ ⋯⋯⋯～～ 一⋯⋯ 系统频率， H z 图4 车身动载荷仿真频域曲线 通过对比可以看出 ，经过优化后的车身加速度和车 轮动载荷幅值变化幅度较小， 整车行驶安全性、 驾乘平顺 性达到了一定程度的统一 ，验证 了应用正交试验法对油 气悬架系统参数进行优化的准确性。 5 结论 1 本文以行驶安全性 、 驾乘平顺 性为 目标对全地面 起重机油气悬架系统进行研究，通过对其评价系统的分 析得出影响系统刚度及阻尼特性的关键设计参数为 阻 尼孔尺寸、 蓄能器初始压力和蓄能器容积。 2 应用正交试验法对油气悬架关键设计参数的试 验数据进行处理 ， 找出其对行驶安全性 、 驾乘平顺性的影 响因子，试验仿真对比优化前后的油气悬架系统并对其 行驶安全性、 驾乘平顺性进行评价 ， 验证了优化后的关键 参数影 响因子的优越性 ，为重型车辆油气悬架系统优化 设计提供理论基础及实践参考 。 3 本文的研究， 为下一步实施主动控制的悬架系统 提供了现实的指导意义。 参考文献 m 喻R． D a v e C m lh ． 车辆动力学及其控制【 M】 ． 北京 人民交 通 出版社 ． 2 0 0 4 ． 【2 】欧鸣雄． 林鸸 ． 王秀礼， 等． 基于正交设计法的无过载旋流 泵时轮优化设i U 1 ． 热能动力I程 ． 2 0 1 2 ． 5 2 7 5 9 1 - 5 9 5 ． 【 3 】s彭民， 和丽梅． 尤晋闽． 基于舒适性和轮胎动载的车辆悬 架参数他们 ． 中国公路学报． 2 0 0 7 ， 2 0 i 1 1 2 - 1 1 Z 【 4 】 罗慧． 全地面汽车起重机悬挂液压系统的参数选择 田． 建 设机械技术与管理 ． 1 9 9 7 1 o 4 2 - 4 3 ． 【 5 于英． 田晋跃． 多轴I程车辆油气悬架系统参数仿真 中 国I程机械学报． 2 0 0 6 ． 4 I 4 7 - 5 2 ． [ 6 】 吴仁智． 油气悬架系统动力学仿真及实验研究p1 ． 杭州 浙江大学． 2 0 1 1 ． 杜恒． 大型轮式车辆油气悬架及电液伺眼转向系统研究 I D ] ． 杭州． 浙江大学。 2 0 1 1 ． 【 8 】 营培雷． 重型车辆悬架优化与仿真 l D ] ． 长春吉林大学． 2 0 l 】 ． 通信地址 江苏省徐州市徐州重型机械有限公司 2 2 1 0 0 4 收稿日期 2 0 1 5 - 0 8 o 3 2口估 12 { 工 霏 杠 械 i 4 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m