基于蒙特卡洛法的油氣懸架路面不自由度時(shí)間函數(shù)仿真

基于蒙特卡洛法的油氣懸架路面不自由度時(shí)間函數(shù)仿真

自20世紀(jì)60年代末以來，karkopp開發(fā)的氣擠出器以來，車輛的良好特性一直受到許多技術(shù)研究人員的關(guān)注。油氣懸架的結(jié)構(gòu)最先應(yīng)用在德國(guó)和日本的重型車輛上,以后逐步推廣應(yīng)用到軍用特種車輛、工程機(jī)械等車輛上。懸架直接影響車輛的平順性和安全性,傳統(tǒng)車輛懸架剛度和阻尼均不可變,僅可適用于某些路面。而油氣懸架具有良好的非線性彈性特性和阻尼特性,較好地滿足了不同路面的使用要求,提高了車輛的平均行駛車速和壞路的通過性能。車輛油氣懸架系統(tǒng)是典型非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)的基于疊加規(guī)律的頻域分析方法不能適用,應(yīng)采用時(shí)域分析的方法求得振動(dòng)響應(yīng)的解。路面對(duì)車輛的激勵(lì)通常是不確定和滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律,求解困難。應(yīng)用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真計(jì)算可以獲得較好的效果。1油液的壓縮作用單氣室油氣懸架一般由懸架缸、主活塞、蓄能器和活塞桿組成。某單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示,主活塞與懸架缸構(gòu)成了主油室Ⅰ,中空的活塞桿內(nèi)腔為副油室Ⅱ,把主油室和蓄能器以浮動(dòng)活塞分割,蓄能器的氣囊和浮動(dòng)活塞組成氣室Ⅳ,各腔的壓力、體積、面積如圖1所示。當(dāng)懸架處在壓縮行程(活塞桿向上運(yùn)動(dòng))時(shí),I腔的油液受到壓縮向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng),一部分油液經(jīng)過單向閥2和阻尼孔1流入Ⅱ腔;另一部分油液進(jìn)入蓄能器,使氣室容積減小,氮?dú)鈮毫ι?。在這一過程中由于單向閥2和阻尼孔1同時(shí)使中心腔與Ⅱ腔連通,油液流經(jīng)單向閥2和阻尼孔1的流速較低,產(chǎn)生的油液阻尼力比較小,因此主要由蓄能器內(nèi)的氣體受到壓縮產(chǎn)生彈性作用來抑制活塞桿的向上運(yùn)動(dòng)。伸張行程時(shí),活塞桿向下運(yùn)動(dòng),I腔的體積增大、壓力減小,Ⅱ腔體積減小、壓力增大,Ⅱ腔和氣室Ⅳ中的部分油液流向I腔,此時(shí)因油液?jiǎn)蜗蜷y關(guān)閉,產(chǎn)生的阻尼力較大,用于衰減振動(dòng)。分析物理模型時(shí)作如下簡(jiǎn)化:油液的質(zhì)量與懸架油缸組件的質(zhì)量均忽略不計(jì);各構(gòu)件沒有彈性變形;各密封環(huán)節(jié)工作可靠、系統(tǒng)沒有內(nèi)泄漏和外泄漏;懸架油缸潤(rùn)滑良好、忽略庫(kù)侖摩擦的影響;油液是連續(xù)不可壓縮的、不考慮油液流動(dòng)過程中氣穴現(xiàn)象的影響、不考慮管路的沿程損失和局部損失?？傻肍=p1A1-p2A2(1)靜平衡位置時(shí),各腔室的壓力相同,設(shè)為ps,即p1=p2=p4=ps(2)在活塞被壓縮和伸張時(shí),主油室內(nèi)油液體積變化等于蓄能器內(nèi)油液體積變化,即A1x=Q14(3)式中,Q14為主油室流入蓄能器的流量,流入為正,流出為負(fù)。由孔口淹沒出流理論得,主油室和副油室的壓力差為p1?p2=ρ2(Q12CdA)2sgn(x˙)(4)p1-p2=ρ2(Q12CdA)2sgn(x˙)(4)p2=p4(5)式中,A為阻尼孔和單向閥的面積之和,在壓縮行程為阻尼孔和單向閥面積之和,在伸張行程為阻尼孔的面積;Cd為節(jié)流口流量系數(shù),取0.62。蓄能器內(nèi)氣體體積變化滿足p4Vr44r=psVr4s4sr(6)式中,V4為蓄能器氣囊內(nèi)氣體的體積;V4s為靜平衡位置蓄能器氣囊內(nèi)氣體體積。當(dāng)汽車振動(dòng)緩慢時(shí),氣體的狀態(tài)變化可以近似看作等溫過程,r=1.0。當(dāng)汽車振動(dòng)劇烈時(shí),氣體的狀態(tài)變化近似于絕熱過程,r=1.4,一般情況r取1.3。式(1)～式(6)即為單氣室油氣分離式油氣懸架的非線性數(shù)學(xué)模型。2雙質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)汽車的懸掛質(zhì)量分配系數(shù)接近1時(shí),可以認(rèn)為車輛前、后軸上方的簧載質(zhì)量在垂直方向獨(dú)立振動(dòng),因此可以把汽車簡(jiǎn)化為二自由度的雙質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)。2.1油氣懸架振動(dòng)方程設(shè)車身質(zhì)量為m2,車橋質(zhì)量為m1,輪胎剛度為kt,懸架剛度為k,懸架阻尼系數(shù)為c,x0,x1,x2分別為路面、車橋、車身的垂向位移,方向朝上,可以建立圖2所示模型?？傻谜駝?dòng)方程如下m2x??2+c(x˙2?x˙1)+k(x2?x1)=0(7)m2x??2+c(x˙2-x˙1)+k(x2-x1)=0(7)m1x??1?c(x˙2?x˙1)?k(x2?x1)+kt(x1?x0)=0(8)m1x??1-c(x˙2-x˙1)-k(x2-x1)+kt(x1-x0)=0(8)式(7)～式(8)中油氣懸架的剛度k和阻尼c是非線性的,可以根據(jù)公式(1)～式(6)求解。x0是路面垂直位移的數(shù)值,沿行駛方向變化,一般可以表示為路程的函數(shù),考慮車速時(shí),一般表示為時(shí)間的函數(shù)。2.2路面不清晰度的時(shí)域模型構(gòu)造非線性懸架系統(tǒng)的引入,使研究需在時(shí)域中進(jìn)行,所需的路面不平度激勵(lì)也應(yīng)是時(shí)域信號(hào)。時(shí)域路面激勵(lì)信號(hào)的獲得方法主要有兩種,即通過試驗(yàn)測(cè)量和使用時(shí)域模型仿真。路面不平度的常用表示方法有冪函數(shù)和有理函數(shù)兩種,均滿足理論計(jì)算要求。路面不平度常用冪函數(shù)表示為Gq(n)=Gq(n0)(nn0)?w(9)Gq(n)=Gq(n0)(nn0)-w(9)式中,Gq(n0)為路面不平度系數(shù),根據(jù)路面等級(jí)的不同數(shù)值不同;w為頻率指數(shù),一般路面的的頻率指數(shù)為2。越野路面的頻率指數(shù)較高,在此我們采用定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)的越野路面頻率指數(shù)為2.58。用冪函數(shù)或有理函數(shù)路面模型構(gòu)造路面不平度時(shí)域輸入的方法主要有諧波疊加法、基于有理函數(shù)的濾波白噪聲生成法、AR/ARMA模型法和基于冪函數(shù)的FFT逆變換生成法等。在此我們用諧波疊加法(蒙特卡洛法)得到路面不平度時(shí)間函數(shù):構(gòu)造一組在(0,1)內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)序列,利用這些隨機(jī)數(shù)生成三角級(jí)數(shù)(正弦波),通過這些三角級(jí)數(shù)疊加產(chǎn)生一定功率譜密度的路面不平度時(shí)間函數(shù)。用諧波分析法可以得到不同等級(jí)路面、不同車速時(shí)的時(shí)域路面輸入,因工程車輛經(jīng)常使用于無路和壞路面,在此我們主要構(gòu)造了越野路面的時(shí)域模型。圖3是以上方法產(chǎn)生的車速u=20km/h時(shí)越野路面的時(shí)域信號(hào)。2.3振動(dòng)評(píng)估指標(biāo)懸架影響車輛的平順性、安全性和占用空間,常用以下3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)考核。1陣風(fēng)加速度均方根值表征平順性,常用車身加速度均方根值評(píng)價(jià),美國(guó)軍方的研究表明,車身垂直加速度均方根值超過2m/s2時(shí),駕駛員和乘員失去工作能力,我們以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。2均方根值簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之間的相對(duì)位移,亦稱懸架的動(dòng)撓度。動(dòng)撓度大于限位行程時(shí),車輪和車身之間發(fā)生剛性撞擊,平順性和安全性下降。懸架的動(dòng)行程大于3倍動(dòng)行程均方根值的概率為0.26%,這里采用懸架動(dòng)行程的均方根值來作為其評(píng)價(jià)指標(biāo);要求懸架動(dòng)行程的均方根值小于限位行程的1/3倍。3車輪行駛過程中車輪是否離地性表征車輪相對(duì)動(dòng)載荷是車輪動(dòng)載荷均方根值和滿載靜載荷的比值,表征輪胎的接地性,可以判斷車輛行駛過程中車輪是否離開地面。車輪離開地面后無法操縱,安全性下降,一般認(rèn)為車輪相對(duì)動(dòng)載荷在45%以下時(shí)安全性較好。3nb和simulik時(shí)間間隔的模擬3.1系統(tǒng)模型仿真根據(jù)式(1)～式(8),可以用MATLAB的SIMULINK模塊建立如圖4所示的仿真模型。用諧波疊加法編寫MATLABM文件在工作空間產(chǎn)生路面時(shí)域輸入信號(hào),導(dǎo)入SIMULINK模塊即可進(jìn)行仿真分析得到某種路面和某種車速時(shí)的車輛振動(dòng)響應(yīng);改變懸架參數(shù)即可分析懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。3.2蓄能器初始體積和主栓塞直徑對(duì)懸架振動(dòng)的影響車輛基本參數(shù):車身質(zhì)量560kg,車橋質(zhì)量70kg;輪胎剛度為260N/mm。單氣室油氣懸架蓄能器初始?jí)毫?.5MPa;初始體積0.002m3;主活塞面積為4.8×10-3m2;阻尼孔面積為8.0×10-5m2,4個(gè)單向閥總面積為8.2×10-5m2。根據(jù)仿真模型可得到主活塞面積、初始充氣壓力、阻尼孔面積變化和振動(dòng)響應(yīng)量的關(guān)系。圖5～圖7中的振動(dòng)響應(yīng)量均為均方根值。由圖5可以看出,隨著蓄能器初始?xì)怏w體積的增加,簧載質(zhì)量的加權(quán)加速度均方根值逐漸減小,但懸架動(dòng)行程和車輪動(dòng)載荷系數(shù)卻逐漸增加。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合考慮,初始體積為0.002～0.003m3時(shí)3個(gè)指標(biāo)比較平衡,平順性最優(yōu),安全性也滿足要求。由圖6可以看出,隨著主活塞直徑的增加,車身加速度大致以指數(shù)規(guī)律增加,而懸架動(dòng)行程和車輪動(dòng)載荷系數(shù)卻以指數(shù)規(guī)律減小。活塞面積對(duì)平順性的影響與對(duì)懸架占用空間和安全性的影響是相反的。從圖中可以看出,懸架系統(tǒng)的性能對(duì)主活塞直徑的變化比較敏感。因此,活塞直徑是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。選取主活塞直徑時(shí)要兼顧懸架系統(tǒng)的平順性、懸架動(dòng)行程和安全性。在活塞直徑為0.07～0.09m(面積為0.0039～0.0064m2)時(shí),車身加速度在1.5m/s2左右,車輪相對(duì)動(dòng)載荷系數(shù)在0.3～0.4之間;懸架動(dòng)行程為0.07～0.1m,滿足3個(gè)指標(biāo)的要求。由圖7可以看出,隨著阻尼孔面積的增加,簧載質(zhì)量加速度和車輪動(dòng)載荷系數(shù)分別線性地減小和增加,而懸架動(dòng)行程的均方根值則先減小后增加,說明適當(dāng)選取阻尼孔的直徑可以使懸架動(dòng)行程達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的狀態(tài),但需要調(diào)整其他參數(shù)以保證平順性和安全性不至于過度惡化。4非織造材料的影響分析通過構(gòu)造路面不平度時(shí)域激勵(lì)