基于malabsimulink的油气弹簧系统阻尼特性仿真研究.docx

基于malabsimulink的油气弹簧系统阻尼特性仿真研究 油气弹簧是油气悬浮设备的重要组成部分。油气悬挂系统的非线性特性和良好的衰减特性通过弹簧法得到。国外在油气弹簧研究上起步较早,他们已经掌握了从设计、生产到维护的一系列技术,而国内关于这方面的研究起步于20世纪80年代,各研究单位在研究时也只是针对特定的型号进行研究而且研究的理论与生产实践脱节较大,至今没有形成一套行之有效、普遍适用的设计方法。 文中研究了单气室油气弹簧的阻尼特性,分析了阻尼形成机制,基于薄壁小孔理论和海根-波斯勒公式分别建立了两种阻尼结构的油气弹簧系统的阻尼力数学模型。利用Matlab Simulink软件编程对系统进行仿真,得出了系统在不同的结构参数和激励参数的变化下,系统的阻尼特性变化曲线。为单气室油气弹簧系统的设计提供了理论支持以及对其他类似结构形式的油气弹簧阻尼特性分析提供了参考。 1 不同管道阻尼力的数值分布 油气弹簧的结构主要由蓄能器C、单向阀1、弹簧缸2、活塞杆组件3及阻尼孔4等组成。阻尼特性是油气弹簧的一个重要特性,它直接影响到车辆行驶的平顺性和操纵稳定性。 油气弹簧的阻尼主要来自3个部分:首先,活塞杆组件在弹簧缸中往复运动时,流体流过阻尼孔和单向阀引起的阻尼,这是主要的阻尼;其次,活塞杆组件和缸筒之间的摩擦力,包括库仑摩擦阻力和黏性摩擦阻力。由于弹簧缸经常处于振颤状态且润滑良好,故摩擦阻力的数值很小,通常将其忽略不计;最后,油液在管道中流动产生的沿程压力损失和局部压力损失,蓄能器的出口处也有一定的局部压力损失。这部分以压力损失形成的阻尼力,其数值大小与液体在管道中流速有关,是油液流速的函数。当外界激励的频率大、幅值高,油液在管道内流动的速度越大,其阻尼力的数值越大。反之,阻尼力数值越小。相关文献表明,完全忽略这最后一部分的阻尼是不合适的。考虑到具体的测试和计算又十分困难,因此,在频率较低时不考虑其影响。以下研究在薄壁小孔和长通孔中的阻尼力都是只考虑了流体流经阻尼孔和单向阀时的阻尼力,其他情况未在考虑范围内。 根据图1(a)和图1(b)所示的油气弹簧结构模型简化图,E腔与F腔和A腔与B腔之间均设有节流孔(阻尼孔4和单向阀1)等阻尼结构。当油气弹簧处于压缩状态时,单向阀1和阻尼孔4同时打开,流经的油液流速比较低,油气弹簧产生的阻尼力较低;当油气弹簧处于复原状态时,单向阀1关闭,只有阻尼孔4开启,这时油液流经过节流孔流速较大,油气弹簧产生的阻尼力较大。在复原过程中较大的阻尼力存在,才抑制了复原过程的剧烈振动,并迅速地衰减系统的振动。 在油气弹簧系统中,节流孔(阻尼孔和单向阀)是产生阻尼力的主要结构,因此,对其研究很有必要,鉴于目前相关研究较少,文中将节流孔分为薄壁小孔、长通孔分别进行研究。设活塞杆组件向上运动(复原过程)为位移和速度的正方向;向下运动(压缩过程)为位移和速度的负方向。 2 抗尼力数学模型 2.1 油气弹簧原位过程阻尼力分析 当节流孔长径比ld≤0.5,该节流孔可以认为是薄壁小孔,对其分析时需要利用薄壁小孔理论,为了计算方便在此忽略油液的可压缩性。如图1(a)所示,油气弹簧结构中,E腔和F腔之间设置了节流孔(阻尼孔4和单向阀1)。其中的节流孔长径比小于0.5,故可以认为图1(a)中的节流孔为薄壁小孔,则油液流经节流孔时的阻尼力为FC。 设弹簧缸活塞杆组件上下运动的速度为v=˙x,则E、F腔间油液的流量为: q1=AF˙x(1) 式中:q1为E、F两腔间的油液流量,m3s; (1) 复原过程中,单向阀关闭,只有阻尼孔开启,根据实际液体的伯努利方程,经过节流孔的流量公式为 q1=CdAi√2ρΔpEF(2) 式中:Ai为节流孔面积(i=01为阻尼孔节流面积,i=02为单向阀节流面积)。 复原行程的阻尼力FC1,其表达式为: FC1=ΔpEFAF(3) 式中:ΔPEF为E腔和F腔的压力差;AF为环形腔F的圆面积。 E腔与F腔间的油液压差为: ΔpEF=ρ2A2F˙x2C2dA201(4) 式中:Cd为流量系数,通常取Cd=0.6; A01为阻尼孔节流面积,m2; ρ为油液密度,因假设油液不可压缩,所以其值为常数,kg/m3。 由此,可得油气弹簧复原过程阻尼力FC1为: FC1=ρ2A3F˙x2C2dA201(5) (2)压缩过程中,单向阀开启,油液同时流经阻尼孔和单向阀,流量公式为 q1=Cd(A01+A02)√2ρΔpEF(6) 同理,得油气弹簧压缩行程阻尼力FC2为: FC2=ρ2A3F˙x2C2d(A01+A02)2(7) 公式(5)和(7)分别表示了油气弹簧在节流孔为薄壁小孔的情形下复原过程和压缩过程的阻尼力。复原和压缩方向的阻尼力是相反的,故油气弹簧阻尼力FC可以表示为 FC={ρ2A3F˙x2C2dA201,v=˙x0