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(guò)程中的振動(dòng)性能。對(duì)于混合使用獨(dú)立懸掛和單側(cè)連通式(油氣彈簧)多軸平衡懸掛的某導(dǎo)彈運(yùn)輸發(fā)射車而言,其優(yōu)勢(shì)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(duì)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(dá)到車輛行駛平順性和橫向穩(wěn)定性的高度統(tǒng)一。針對(duì)油氣懸掛的設(shè)計(jì)和計(jì)算,國(guó)內(nèi)外大都基于理想氣體的絕熱過(guò)程或多變過(guò)程來(lái)進(jìn)行預(yù)估和分析,最終的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況均有相當(dāng)大的出入,尤其是在混合連通式油氣懸掛多變過(guò)程特性的理論探討及計(jì)算方面更為不足。本文基于傳熱學(xué)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(xué)模型,同時(shí)還對(duì)某采用混合連通式油氣懸掛的導(dǎo)彈運(yùn)輸發(fā)射車進(jìn)行了系統(tǒng)振動(dòng)建模,并在此基礎(chǔ)上分析了該重型車輛的行車過(guò)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(gè)油氣彈簧組成,4個(gè)油氣彈簧的氣室均通過(guò)輸氣管連通在一起,并且每個(gè)油氣彈簧的氣室和油液之間沒(méi)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?jī)蓛捎枚坦苓B接,且短管中間有1個(gè)三通轉(zhuǎn)接頭,而前后兩組油氣彈簧串之間則采用長(zhǎng)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(jiàn)圖1。2.1dqdrdt的計(jì)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(kāi)口腔室。根據(jù)熱力學(xué)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(duì)外的傳熱系數(shù);A為氣室對(duì)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(duì)外所做的功。對(duì)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(duì)理想氣體狀態(tài)方程PV=mRT,兩邊同時(shí)求導(dǎo)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)?？紤]到試驗(yàn)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(jìn)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(zhǎng)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(guò)程中油氣之間必定會(huì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中這種溶解效應(yīng)表現(xiàn)十分明顯:在對(duì)油氣彈簧充氣時(shí),當(dāng)壓強(qiáng)上升到一定程度之后,只要適當(dāng)晃動(dòng)油氣彈簧幾下,氣室氣體的壓強(qiáng)就會(huì)開(kāi)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓和溫度狀態(tài)下的體積占原有液體體積的百分?jǐn)?shù)。這里的油液和氣體均處于封閉系統(tǒng)之中,從而可知?dú)怏w在油液中的溶解量(質(zhì)量)為mr=CrP,兩邊求導(dǎo)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(dāng)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(guò)下缸體上的兩個(gè)節(jié)流小孔對(duì)環(huán)形腔充放油產(chǎn)生,當(dāng)彈簧受到壓縮時(shí),環(huán)形腔的容積增大,油液通過(guò)常通孔和單向閥小孔流入環(huán)形腔,此時(shí)產(chǎn)生的阻尼力較小;當(dāng)彈簧伸張時(shí),環(huán)形腔體積減小,此時(shí)單向閥被鋼球封住,環(huán)形腔的油液只能通過(guò)常通孔流入內(nèi)缸,因此阻尼加大。無(wú)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(guò)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(shí)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(shí)際特征將上述各模塊的描述方程進(jìn)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(dǎo)彈運(yùn)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(dǎo)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(jìn)行系統(tǒng)建模,本文取全車一側(cè)作振動(dòng)模型,其中,牽引車、發(fā)射筒簡(jiǎn)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(gè)非懸掛質(zhì)量均按只有垂直自由度的質(zhì)點(diǎn)予以考慮;同時(shí)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(jiǎn)化成了八自由度的平面多體振動(dòng)模型(見(jiàn)圖2所示)。具體振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型請(qǐng)參閱文獻(xiàn),只要將前面混合連通式油氣彈簧的模型嵌入振動(dòng)方程就可進(jìn)行聯(lián)立求解。4初始?xì)庵叨葘?duì)車輛振動(dòng)的影響針對(duì)該重型車輛的振動(dòng)模擬,本文選擇了3種路面工況:a)過(guò)60mm高、400mm長(zhǎng)的等腰三角形凸塊,車速為15km/h;b)過(guò)四級(jí)路面,車速為25km/h;c)過(guò)二級(jí)路面,車速為25km/h。隨機(jī)路面的生成采用了偽白噪聲法,半掛車上參考點(diǎn)的模擬結(jié)果見(jiàn)表1。從表中不難發(fā)現(xiàn):不管是測(cè)試值還是仿真結(jié)果,無(wú)論是何種路面,半掛車上鞍座處的過(guò)載均比回轉(zhuǎn)軸處的過(guò)載要大將近1倍。這充分說(shuō)明混合連通式油氣懸掛對(duì)減緩掛車尾部振動(dòng)的作用是十分明顯的。另外,對(duì)比該重型車輛過(guò)單凸時(shí)五、八氣室的壓強(qiáng)時(shí)間歷程(見(jiàn)圖3)可以看出,兩氣室壓強(qiáng)差異是非常明顯的,這也從另一方面說(shuō)明了若不計(jì)及連通氣室之間的壓差,可能會(huì)在仿真過(guò)程中引入相應(yīng)的誤差。為探討半掛車車身剛度對(duì)全車振動(dòng)性能的影響,在變化車身剛度的條件下模擬了車輛在四級(jí)路況時(shí)的振動(dòng)性能,結(jié)果(見(jiàn)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(shí)上,混合連通式油氣懸掛系統(tǒng)的剛度與氣室初始?xì)庵母叨仁敲芮邢嚓P(guān)的。通常情況是初始?xì)庵叨仍酱?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(dòng)態(tài)性能就更好,圖5中針對(duì)初始?xì)庵叨鹊哪M結(jié)果充分證明了這一點(diǎn)。但增大氣柱高度會(huì)使車輛的重心升高,從而降低車輛的穩(wěn)定性,因此,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(shí)全車系統(tǒng)的振動(dòng)情況(結(jié)果見(jiàn)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?xì)庵叨鹊刃?b)管徑加大,氣室間氣體串動(dòng)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?xì)庵叨燃斑B通管管徑的增大,車輛平順性能得到改善,但工程實(shí)際中不可能無(wú)限制地增大初始?xì)庵叨燃斑B通管管徑,當(dāng)在工程范圍內(nèi)確定了最大初始?xì)庵呒斑B通管管徑后,尚可通過(guò)阻尼孔的適當(dāng)匹配來(lái)進(jìn)一步改善車輛性能,基于此思路,本文又針對(duì)兩阻尼孔孔徑的變化進(jìn)行了仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(shí)可起到減小車輛振動(dòng)的效果,并且在單向阻尼孔孔徑固定的前提下,車輛振動(dòng)的過(guò)載量針對(duì)常通孔孔徑具有明顯的峰值。5混合連