【文章內(nèi)容簡介】 本功能是一樣的，但是由于油氣懸架 引入 了液壓傳動及其控制技術，形成了區(qū)別于傳統(tǒng)被動懸架的新特點，如采用油氣懸架的車輛可以實現(xiàn)車身的高度調(diào)節(jié)、實現(xiàn)剛性懸架功能等等。 油氣懸架的性能對車輛的行駛平順性、車輪動載荷及懸架動行程等動力學性能有直接的影響。為了能對油氣懸架的性能進行描述和評價，需要把油氣懸架抽象、簡化成物理模型，然后根據(jù)物理模型， 應用 剛體力學理論．建立油氣懸架的動力學數(shù)學模型。油氣懸架的特性本質(zhì)上是非線性的，根據(jù)不同的目的，建立油氣懸架的復雜非線性數(shù)學模型或者線性化 為線性數(shù)學模型，才能用于油氣懸架的 性能分析 及參數(shù)設計。建立符合懸架系統(tǒng)實際，便于分析、計算的數(shù)學模型一直是國內(nèi)外車輛動力學研究的主要方法和重要課題，也是油氣懸架系統(tǒng)動力學研究 。 1. 數(shù)學模型 為了研究油氣懸架的性能，建立描述其本質(zhì)特征的物理模型是理論研究最重要的基礎。把 油氣懸架的阻尼孔簡化為一固定節(jié)流孔，把鋼球開啟、閉合的結構簡化為一 單向閥。下圖是根據(jù) 簡化后的油氣懸架物理模型。 1 活塞桿 2 缸筒 3 單向閥 4 阻尼孔 5 活塞 6 浮動活塞 圖 4 油氣懸架物理模型 2. 圖中符號含義 P1， A1， V1 I 腔油液壓力、截面積和容積 P2， A2， V2 II 腔油液壓力、截面積和容積 P， A， V 蓄能器氣體壓力、氣體容積 Q1 流經(jīng)單向閥和阻尼孔的流量 A01 阻尼孔面積 A02 單向閥有效過流面積 x， v 懸架缸位移、速度 F 懸架缸活塞桿輸出力，拉力為正，壓力為負 油氣懸架在外部信號激勵下，活塞組件和缸筒之間要產(chǎn)生相對運動 ，假設活塞桿固定不動，只是缸筒相對于活塞運 動。設油氣懸架 受外部激勵的輸入信號為正弦波，其位移用 x表示，速度為 v，它們是時 間 的 函數(shù) 。 油氣懸架活塞桿的輸出力方程 ： 1122 APAPF ???? （ 1） 式中： F 油氣懸架活塞桿輸出力 1P I 腔油液壓力 2P II 腔油液壓力 1A I 腔截面積 2A II 腔截面積 根據(jù)節(jié)流小孔理論 ， 流經(jīng)阻尼孔和單向閥的節(jié)流孔流量方程 ： )(}))](2121([CQρ{210201d112 vs ig nvs ig nAAPP ????? （ 2） ρ 油液密度 01A 阻尼孔面積 02A 單向閥有效過流面積 dC 流量系數(shù) v 缸簡相對于活塞的輸入速度 1Q 通過阻尼孔和單向闊的流量，且 1Q 由下式表示 ： vA?? 21Q （ 3） 蓄能器內(nèi)氣體狀態(tài)方程： rssr VPVP ??? （ 4） 令活塞從靜平衡位置向上移動距離 x，蓄能器內(nèi)氣體體積為： V= Vs+ xΔA ? （ 5） 3. 流量系數(shù) dC 的確定 按照圖 4 所示的物理模型， II 腔與 III 腔之間的節(jié)流孔通常是直徑為 d 的小孔，如下圖 5 所示： 圖 5 短管型節(jié)流孔 考慮活塞桿的強度和穩(wěn)定性剛度，其壁厚需要一定的厚度；為了工藝簡單，通常采用直通孔作為節(jié)流孔。根據(jù)流體力學，液體通過節(jié)流孔的型式是按照節(jié)流孔的長細比 (L／ d)來劃。節(jié)流孔長細比 L／ d0． 5，稱為薄壁節(jié)流小孔；長細比 L／ d4，稱為細長節(jié)流小孔；介于薄壁節(jié)流小孔和細長節(jié)流小孔之間的節(jié)流孔稱為短孔 （ L／ d4)。因此，懸架缸的節(jié)流孔通常屬于短孔。液體經(jīng)過短孔的流量系數(shù) dC 不能套用薄壁小孔的平均流量系數(shù)，而是需要根據(jù)短孔的 情況確定。短孔的平均流量系數(shù) 0 按以下經(jīng)驗公式得到 ： ])([ ????ed RdLC 50/ ?? LRd e （ 6） ][ ????ed RdLC 50/ ?? LRd e (7) 式中 L 節(jié)流孔的長度 d 節(jié)流孔的直徑 eR 液體在節(jié)流孔內(nèi)流動時的雷諾數(shù)。 液體在 節(jié)流孔內(nèi)的流動分為層流和紊流。對于圓管內(nèi)的液體流動，可根據(jù)流體的雷諾數(shù)來判斷。一般來說， eR 2300 為層流， eR 2300 則為紊流。液體在節(jié)流孔內(nèi)流動的雷諾數(shù) eR ，可由下式確定： μρvd?eR 式中 ρ 油液密度 v 流經(jīng)阻尼孔油液流速 μ 油液動力粘度 根據(jù)公式 (6)和 (7)，可以用曲線表示出流量系數(shù) dC 和 LRd e/? 的關系，如圖 6 所示，雖然圖上表示的流量系數(shù)仍然是近似的，但對于設計目的來說已經(jīng)足夠。流量系數(shù) dC 的取值范圍一般在 0． 60— 0． 816 之間。為了簡化，本文統(tǒng)一取流量系數(shù) q 為 0． 62。需要進行詳細計算時，可用經(jīng)驗公式 (6)和 (7)直接計算。 圖 6 短孔型節(jié)流孔的流量系數(shù) 4. 蓄能器及其氣體多變指數(shù)的確定 1 殼體 2 提升閥 3 皮囊 4 充氣閥 圖 7 液 — 氣皮囊式蓄能器結構圖 在快速加載時，把蓄能器內(nèi)氣體變化看成一個絕熱過程；而在緩慢加載時，把蓄能器內(nèi)氣體變化看成一個等溫過程。對理想氣體，氣體多變指數(shù) r 在等溫過程時 r=l，絕熱過程時r=。實際氣體的性能同理想氣體存在顯著的偏離。 通過 對隨時間和溫度的油氣懸架系統(tǒng)進行了理論研究和試驗研究。氣體壓力變化范圍為 20MPa~40Mpa,溫度 變化范圍為 20K~520K。研究結果表明，蓄能器內(nèi)氣體的壓縮量最大可達到 20％。因此，在壓力范圍變化大，環(huán)境溫度或?qū)嶋H工作溫度變化較大的情況下要考慮實際氣體的狀態(tài)方程。 5. 油氣懸架性能的計算機仿真 公式 (1)~(5)建立了描述油氣懸架性能的復雜非線性數(shù)學模型。由于數(shù)學模型是一組復雜關系、相互聯(lián)系的方程，采用數(shù)學解析方法是難以求得其解。依據(jù)所建立的數(shù)學模型，借助于現(xiàn)代的計算機技術，編制計算機程序進行仿真 ， 求得其數(shù)字解是目前常用的方法之一。仿真的目的在于，根據(jù)物理模型建立的數(shù)學模型，求解有關變量，揭示油氣懸架 的動力學特性，從而實現(xiàn)參數(shù)設計和結構設計以及相應的期望性能的驗算。所編制的計算機仿真程序和仿真結果的正確性，還需經(jīng)過試驗驗證和實踐的檢驗。經(jīng)過驗證和實踐考核的模型 具有理論指導意義，可以將它推廣或應用到其它類型結構的油氣懸架的研究中去。仿真不受試驗條件限制，可以進行試驗中不易實現(xiàn)的結構參數(shù)驗證。此外，還可減少試驗費、材料費?？s短試驗過程時 間 。 MATLAB 是由美國 The MATH WORKS Inc．開發(fā)的被稱為第四代計算機語言的數(shù)學軟件，具有數(shù)值計算功能、符號計算功能、數(shù)據(jù)可視化功能等。本文所采 用的仿真軟件／ Simulink3． 0 版本包含有控制系統(tǒng)工具箱 (Control SystemsToolbox)、優(yōu)化工具箱 (Optimization Toolbox)、信號處理工具箱 (Signs]Processing Toolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱(Neural Network Toolbox)等。該軟件提供豐富的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖象處理。軟件編程及運行均基于 WINDOWS 環(huán)境。 本研究依據(jù)油氣懸架的數(shù)學模型，應用 MATLAB／ SIMULINK 平臺自行編制了專用仿真軟件 modle 1。在 MATLAB 環(huán)境下，用戶只需輸入待仿真油氣懸架的結構參數(shù)尺寸、信號的頻率、位移或速度的幅值。仿真結果以圖形或數(shù)據(jù)的方式輸出。 在 modle 1 中，不論是節(jié)流孔還是單向閥，其流量系數(shù)均按 q= 計算 ， 氣體狀態(tài)方程的指數(shù) r 按絕熱狀態(tài)取為 。 6. 仿真的輸入、輸出信號 為了分析的方便性，油氣懸架輸入激勵信號采用正弦信號，其表達式為 πft2sinπfA2)( ??tv πft)2co s1(A)( ??tx A 正弦信號的幅值 f 正弦信號的頻率 t 時間 根據(jù)車輛典型的信號頻率變化，選擇仿真輸入信號的頻率在 ~15Hz，幅值在5mm~50mm 之間進行同一頻率、不同幅值和同一幅值、不同頻率的仿真計算。 用油氣懸架的位移特性和速度特性曲線圖，即油氣懸架 活塞 桿輸出力與相對應的激勵信號的位移及速度之問的關系曲線圖表示油氣懸架的性能 。 用懸架的位移特性和速度特性曲線表示懸架性能是車輛動力學研究懸架的一般表示方法，其結果便于與其它結構型式的懸架性能進行比較。同時以 I 腔、 II 腔壓力、蓄能器內(nèi)氣體壓力等中間值輸出，以便與試驗測試值對比，有利于確定正確的試驗數(shù) 據(jù)，對試驗有指導作用。 7. MATLAB 程序 （ 1） .輸出力 F 與時間的關系 t=0::10 % 仿真信號 v,x % v 為仿真時輸入的速度信號，頻率為 f，振幅為 2π fA % x 為仿真時輸入的位移信號 A=3 f= v=2*pi*f*A*sin(2*pi*f*t) x=A*(1cos(2*pi*f*t)) %以下為參數(shù)取值 % rho 為油液密度 % r 為氣體多變指數(shù) % Cd 為流量系數(shù) % A1 為無桿腔截面積 % A2 為有桿腔截面積 % A01 為阻尼孔面積 % A02 為單向閥面積 % Vs 為靜平 衡時氣室體積 % Ps 為靜平衡時氣室壓強 rho= r= Cd= A1= A2= A01= A02= Vs=80 Ps=4 %以下為參數(shù)方程 S=A1A2 V=Vs+S.*x % V 為減振器工作時氣室的體積 P=Ps.*(Vs.^r)./(V.^r) % P 為減振器工作時氣室的壓強 P1=P % P1 為減振器工作時無桿腔的壓強 Q1=A2.*v % Q1 為通過阻尼孔和單向閥的油液流量 J=A01+A02.*(.*sign(v)) % J 為活塞通過孔的總面積 P2=P1+.*rho.*Q1.*sign(v)/Cd.*J % P1 為減振器工作時有桿腔的壓強 F=P2.*A2P1.*A1 % F 活塞桿輸出力，拉力為正，壓力位負 plot(t,F) Ft 曲線： （ 2） .用 plot(v,F)語句的到輸出力 F 與速度 v 的關系，即減振器速度特性： （ 3） .用 plot(x,F)語句的到輸出力 F 與速度 v 的關系，即減振器位移特性： 第七章 外文翻譯 汽車減振器參數(shù)化模型的發(fā)展和實驗驗證 作者 KIRK SHAWN RHOADES 摘 要 這篇論文描述了 汽車減振器的一個參數(shù)化模型的實現(xiàn)過程。研究的目標是創(chuàng)造一個可以準確地預測阻尼力的減振器模型來作為 學生 型方程式賽車 團隊的 一個設計工具。這項關于單筒充氣減振器研究適合于 學生 型方程式賽車 的應用。 這個模型考慮到了減振器中每一個單獨的流通路徑，并且建立了對每一個流通路徑的流通阻力模型。閥片組的撓度由一個力平衡方程計算 出并且與流通阻力相關。這些方程產(chǎn)生一個可以用牛頓的迭代方法求解的非線性方程組。 這個模型的目標是創(chuàng)建準確的力 速度和力 位移關系并用于檢驗。應用一個震動測力計使模型與真實的減振器數(shù)據(jù)聯(lián)系起來以驗證準確性。通過一個有效的模型，組件包括常通孔、活塞孔、壓縮和復原閥片是不同的以獲得減振器阻尼力效果的了解。 一、 減振器功能特性 要理解減振器的工作過程第一步是要弄清楚減振器的各個組成部件是如何相互作用產(chǎn)生阻尼力的。下面本文將對減振器的組成和功用做一個簡單的介紹。減振器的參數(shù)特性通常由力 速度和力 位移曲線給出。關于這些圖形的更詳細的描述將在這一部分給出。 有許多類型的汽車懸架減振器，其作用