丁繼斌，何 仁

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

(2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

農(nóng)用運(yùn)輸車油氣懸架振動(dòng)特性仿真研究

丁繼斌1，何 仁2

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

(2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以農(nóng)用運(yùn)輸車減振為目的，建立了二自由度農(nóng)用運(yùn)輸車油氣懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了油氣懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的非線性特性。運(yùn)用AMEsim仿真軟件，采用階躍信號(hào)、諧波信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)模擬農(nóng)用運(yùn)輸車典型行駛路況，對(duì)比分析了被動(dòng)懸架和油氣懸架的振動(dòng)特性，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。通過(guò)比較兩種懸架的振動(dòng)特性、非線性特性和車身高度偏離靜平衡狀態(tài)的程度等3項(xiàng)指標(biāo)，表明采用油氣懸架可明顯改善農(nóng)用運(yùn)輸車懸架的振動(dòng)性能，提高行駛平順性和乘坐舒適性。

農(nóng)用車輛；振動(dòng)；AMEsim；非線性；油氣懸架

農(nóng)用運(yùn)輸車一般行駛在路況較差的鄉(xiāng)村公路、土路，有時(shí)在無(wú)道路的田間作業(yè)，承受載荷的情況比較復(fù)雜，懸架的性能對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性有直接影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)采用鋼板彈簧-液壓減振器懸架的農(nóng)用運(yùn)輸車(以下簡(jiǎn)稱“農(nóng)用車”)的平順性進(jìn)行了深入研究，建立了多種數(shù)學(xué)模型，深入分析了農(nóng)用車隨機(jī)振動(dòng)特性，并對(duì)鋼板彈簧懸架參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真研究[1-3]。但由于鋼板彈簧-液壓減振器構(gòu)成的懸架系統(tǒng)固有的線性特征，對(duì)農(nóng)用車行駛的不平坦路面，特別是比較惡劣的鄉(xiāng)村公路、田間行駛路面適應(yīng)性差，不能滿足農(nóng)用車平順性要求。而具有非線性特征的油氣懸架的非線性剛度特性和阻尼特性可使車輛具有良好的行駛平順性，在工程車輛上得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立數(shù)學(xué)模型對(duì)油氣懸架的高度調(diào)節(jié)特性、減振特性、車輛側(cè)傾角、負(fù)荷分配等性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[4]，對(duì)其非線性特征進(jìn)行了仿真研究和優(yōu)化計(jì)算與設(shè)計(jì)[5-6]。

因此，在分析農(nóng)用運(yùn)輸車非線性特性的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析農(nóng)用車被動(dòng)懸架和油氣懸架的振動(dòng)特性，為改善農(nóng)用運(yùn)輸車的振動(dòng)特性，提高其乘坐舒適性及設(shè)計(jì)水平提供理論依據(jù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)用運(yùn)輸車油氣懸架系統(tǒng)模型

只考慮垂直方向的振動(dòng)，將農(nóng)用車簡(jiǎn)化為二自由度油氣懸架振動(dòng)模型(如圖1所示)。車身質(zhì)量由彈簧和蓄能器控制的液壓油缸支撐，根據(jù)牛頓定律，其相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為[7]：

式中：z1為車身垂直位移；z2為車輪垂直位移；z0為路面垂直位移；Fx為油氣懸架負(fù)載力；m1為車身質(zhì)量；m2為輪胎等效質(zhì)量；k1為懸架等效剛度；k2為輪胎等效剛度；c為輪胎等效阻尼。

采用目前常用的單氣室油氣彈簧作為農(nóng)用車用油氣懸架(如圖2所示)。外活塞及其組件可以在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，浮動(dòng)內(nèi)活塞可在活塞桿內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣室內(nèi)充滿一定量的惰性氣體，內(nèi)油室和外油室充滿液壓油[8]。

當(dāng)油氣彈簧處于受壓狀態(tài)時(shí)，外活塞及其組件向上運(yùn)動(dòng)，外油室容積減小，液壓油處于受壓狀態(tài)，液壓油通過(guò)阻尼孔和壓縮閥流入內(nèi)油室，內(nèi)油室的容積增大，浮動(dòng)內(nèi)活塞向下移動(dòng)，氣室的容積減小、壓力增大。高壓惰性氣體通過(guò)液壓油的傳遞變?yōu)樽饔迷谕饣钊系南乱屏?，該力與外界載荷相等時(shí)，活塞停止運(yùn)動(dòng)。

壓力減小時(shí)，氣室內(nèi)的高壓惰性氣體則推動(dòng)浮動(dòng)內(nèi)活塞向上運(yùn)動(dòng)，內(nèi)油室的液壓油經(jīng)過(guò)阻尼孔和伸張閥流入外油室。

油氣懸架的阻尼主要包括油液流經(jīng)阻尼孔的液體阻尼、外活塞與缸筒壁相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻尼。摩擦阻尼相對(duì)很小，在油氣懸架工作中不起主要的阻尼減振作用，因此主要研究阻尼孔產(chǎn)生的流體阻尼[9]。

流量方程為：

油氣懸架負(fù)載力Fx為：

式中：F為缸筒輸出載荷；A1為外油室截面積。

流經(jīng)阻尼孔的流量與主活塞相對(duì)于缸筒的速度之間的關(guān)系為：

氣室氣體狀態(tài)方程為：

式中：p0為靜平衡氣室壓力；V0為靜平衡氣室容積；p3為動(dòng)態(tài)氣室壓力；V為動(dòng)態(tài)氣室容積；n為氣體多變指數(shù)，由于油氣彈簧振動(dòng)過(guò)程近似為絕熱過(guò)程，考慮到實(shí)際情況，取n=1.7。忽略浮動(dòng)活塞的質(zhì)量，有：

綜合式(2)～(6)，可求出油氣懸架負(fù)載力Fx為：

將式(7)代入式(1)得：

分析式(7)、(8)可知，油氣懸架負(fù)載力Fx與主活塞的面積、油液密度、阻尼孔的過(guò)流面積等因素有關(guān)，與其運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，呈明顯的非線性，阻尼孔的過(guò)流面積對(duì)阻尼力影響最大。

相應(yīng)地，車身、懸架的垂直振動(dòng)加速度與懸架油缸的運(yùn)動(dòng)速度的平方也成正比，換言之，懸架油缸的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)車身的振動(dòng)影響最大，而影響其運(yùn)動(dòng)速度的是阻尼孔的過(guò)流面積。因此，油氣懸架的阻尼力對(duì)車身振動(dòng)的影響最大。

式(8)是農(nóng)用車油氣懸掛的數(shù)學(xué)模型，這是非線性方程，難以直接解出車身運(yùn)動(dòng)不同激勵(lì)下的位移、速度和加速度的準(zhǔn)確值，但可采用計(jì)算機(jī)仿真的手段分析不同激勵(lì)下車身振動(dòng)狀況。

2 農(nóng)用車油氣懸架AMESim建模與振動(dòng)特性分析

AMESim是面向工程系統(tǒng)的高級(jí)建模仿真軟件，它的用戶界面友好，應(yīng)用庫(kù)多，軟件使用簡(jiǎn)單可靠。它可對(duì)任何元件和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，尤其在機(jī)械系統(tǒng)、液壓機(jī)械系統(tǒng)的仿真研究方面具有很強(qiáng)的針對(duì)性和優(yōu)越性，是一個(gè)圖形化的開發(fā)環(huán)境，適合于工程系統(tǒng)的建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析[10]。

考慮到農(nóng)用車的行駛路況的復(fù)雜性和多變性，為準(zhǔn)確地描述農(nóng)用車油氣懸架在不同路況下的振動(dòng)特性，本文采用階躍激勵(lì)、雙諧波激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)3種信號(hào)，對(duì)其振動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，為更直觀地觀察油氣懸掛的振動(dòng)特性，將原設(shè)計(jì)的被動(dòng)懸架與油氣懸架進(jìn)行對(duì)比分析。

農(nóng)用車被動(dòng)懸架與油氣懸架二自由度AMESim模型如圖3所示。相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

設(shè)置仿真時(shí)間為5s，步長(zhǎng)0.000 1s，車身高度為1 000mm，模擬農(nóng)用車的典型行駛路況懸架系統(tǒng)的振動(dòng)狀況，分別對(duì)被動(dòng)懸架和油氣懸架施加階躍激勵(lì)、諧波激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)。

2.1階躍激勵(lì)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)特性分析

對(duì)懸架系統(tǒng)施加階躍激勵(lì)，模擬農(nóng)用車行駛遇到150mm高臺(tái)時(shí)的振動(dòng)特性。階躍輸入時(shí)的車身位移、加速度頻譜和相軌跡如圖4～圖6所示。

圖4所示的階躍激勵(lì)下的車身振動(dòng)表明：被動(dòng)懸架的振幅較大，油氣懸架只產(chǎn)生較小幅的振蕩，油氣懸架振動(dòng)時(shí)間為被動(dòng)懸架的1/3(被動(dòng)懸架為3s，油氣懸架為1s)。

由圖5可知，被動(dòng)懸架在階躍激勵(lì)下將產(chǎn)生兩個(gè)頻率的振蕩信號(hào)(振幅為激勵(lì)開始時(shí)的2.4和頻率1Hz時(shí)的5.8)，而油氣懸架在階躍信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生一個(gè)3.41Hz時(shí)振幅為2.9的振蕩信號(hào)。顯然，在油氣阻尼的作用下，削弱了振蕩信號(hào)的振幅。

由圖6所示的相軌跡可看出，車身在被動(dòng)懸架和油氣懸架均經(jīng)3次振蕩后趨于平衡位置，但油氣懸架的振幅明顯比被動(dòng)懸架的振幅小。

上述結(jié)果表明，在阻尼作用下，油氣懸架振動(dòng)的振幅較小(趨于激勵(lì)信號(hào)的振幅)，被動(dòng)懸架振動(dòng)位移趨于零；被動(dòng)懸架為線性阻尼，振蕩過(guò)程明顯，產(chǎn)生較大的非線性振蕩，而油氣懸架的非線性阻尼將極大地削弱被動(dòng)懸架的非線性過(guò)程。

諧波激勵(lì)信號(hào)為f(t)=0.4sin(2π×0.97t)+0.2sin(2π×0.54t)，模擬農(nóng)用車在不平道路行駛時(shí)的振動(dòng)特性。激勵(lì)信號(hào)、車身位移、加速度頻譜和車身運(yùn)動(dòng)相軌跡如圖7～圖10所示。

由圖8可明顯看到，農(nóng)用車被動(dòng)懸架的位移與圖7所示的諧波激勵(lì)信號(hào)的振幅、頻率相差不大，表明在諧波激勵(lì)下，被動(dòng)懸架基本沒有減振能力，而油氣懸架則可大幅降低激勵(lì)信號(hào)的振幅。

圖9所示的諧波激勵(lì)加速度頻譜表明，油氣懸架和被動(dòng)懸架均產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)同頻率的振蕩，不同的是被動(dòng)懸架的高頻(0.97Hz)振蕩的振幅被放大了。圖10所示的相軌跡表明，在諧波激勵(lì)下，兩種懸架均經(jīng)過(guò)短暫的振蕩后趨于橢圓(即進(jìn)入穩(wěn)定的振蕩階段)，但油氣懸架顯然要比被動(dòng)懸架的振幅小。

諧波激勵(lì)結(jié)果表明，在阻尼的作用下，油氣懸架振動(dòng)位移的振幅小且產(chǎn)生的非線性振蕩較小，表明油氣懸架的阻尼非線性將極大地削弱激勵(lì)信號(hào)的非線性振蕩。

2.3諧波激勵(lì)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)特性分析

設(shè)置隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)的平均噪聲值為0.1dB，噪聲方差0.01，樣本間隔0.01。模擬農(nóng)用車在田間行駛時(shí)的振動(dòng)特性，激勵(lì)信號(hào)、車身位移、加速度頻譜和車身運(yùn)動(dòng)相軌跡如圖11～圖14所示。

圖12表明在隨機(jī)激勵(lì)下的油氣懸架僅經(jīng)過(guò)1s后便進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程對(duì)于被動(dòng)懸架需要約3s，且振幅比油氣懸架明顯加大，這個(gè)結(jié)果意味著農(nóng)用車在田間作業(yè)時(shí)油氣懸架將極大地提高舒適性和平順性。

圖13所示車身振蕩隨機(jī)激勵(lì)加速度頻譜表明，隨機(jī)激勵(lì)下的被動(dòng)懸架的加速度將產(chǎn)生無(wú)窮多個(gè)振動(dòng)頻率，且每個(gè)頻率都有分叉，使得車身振動(dòng)逐漸進(jìn)入混沌狀態(tài)，油氣懸架則只產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較大(比被動(dòng)懸架要小的多)的振動(dòng)頻率，其余振蕩頻率則較小。圖14所示的相軌跡則印證了加速度頻譜所揭示的振動(dòng)規(guī)律：從原點(diǎn)出發(fā)兩個(gè)相軌跡總體上呈現(xiàn)穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，但被動(dòng)懸架趨于混沌，油氣懸架的振蕩較小且迅速趨于穩(wěn)定。

2.4車身高度調(diào)節(jié)分析

車身靜平衡狀態(tài)下的高度為1 000mm，3種激勵(lì)下的車身振動(dòng)在仿真5s后的車身高度見表2。表中的偏離率為車身最大振幅下高度與車身靜平衡狀態(tài)下高度的比值。偏離率越大，車身高度偏離其靜平衡高度越大，車身振動(dòng)越劇烈，越難以調(diào)節(jié)。

對(duì)比3種激勵(lì)下的車身振動(dòng)在仿真5s后的車身高度可知，油氣懸架對(duì)于降低地面對(duì)輪胎和懸架的沖擊有良好的改善(表2中的負(fù)值表明懸架彈簧已被壓縮到極限狀態(tài))。階躍激勵(lì)下的偏離率由被動(dòng)懸架的84.999%降低到油氣懸架的14.482%，諧波激勵(lì)下的偏離率由被動(dòng)懸架的224.941%降低到油氣懸架的56.005%，隨機(jī)激勵(lì)下的偏離率由被動(dòng)懸架的85.539%降低到油氣懸架的26.880%。3種典型激勵(lì)的仿真結(jié)果表明，油氣懸架對(duì)于農(nóng)用車的高度調(diào)節(jié)有明顯的改善作用。

對(duì)比3種激勵(lì)下的車身振動(dòng)在仿真5s后的車身高度可知，油氣懸架對(duì)于降低地面對(duì)輪胎和懸架的沖擊有明顯的效果(表2中的負(fù)值表明懸架彈簧已被壓縮到極限狀態(tài))。階躍激勵(lì)下的偏離率由被動(dòng)懸架的84.999%降低到油氣懸架的14.482%，諧波激勵(lì)下的偏離率由被動(dòng)懸架的224.941%降低到油氣懸架的56.005%，隨機(jī)激勵(lì)下的偏離率由被動(dòng)懸架的85.539%降低到油氣懸架的26.880%。3種典型激勵(lì)的仿真結(jié)果表明，油氣懸架對(duì)于農(nóng)用車的高度調(diào)節(jié)有明顯的改善作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)用車油氣懸架系統(tǒng)模型分析及基于AMESim的仿真結(jié)果表明，油氣懸架對(duì)改善農(nóng)用車的振動(dòng)性能，提高平順性、舒適性有顯著作用。3種典型激勵(lì)下模擬的農(nóng)用車常見路況均表明油氣懸架具有被動(dòng)懸架無(wú)法比擬的優(yōu)越性能，各種激勵(lì)下的油氣懸架的非線性振動(dòng)降低。綜上所述，本文所述的農(nóng)用車油氣懸架數(shù)學(xué)模型和仿真結(jié)果能為進(jìn)一步改善農(nóng)用車的綜合性能，進(jìn)行懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高度調(diào)節(jié)提供參考依據(jù)。

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Research on the simulation of vibration characteristics of hydro-pneumatic suspension for agricultural vehicle

DING Jibin1, HE Ren2

(1.Nanjing Institute of Industry Technology, Jiangsu Nanjing, 210046, China)

(2.Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang, 212013, China)

For the purpose of vibration reduction of agricultural vehicle, it establishes two degrees mathematical model of the hydro-pneumatic suspension for the agricultural vehicle and analyzes their non-linear characteristics. It uses step signal, harmonic signal and random signal to simulate typical road conditions for the agricultural vehicle based on AMEsim software, compares the vibration characteristics of the passive suspension and hydro-pneumatic suspension, analyzes the correctness of the model, obtains the vibration characteristic, nonlinear characteristics and state level from static balance of the body of the two suspension. The results show that the method improves the vibration characteristic and performance for hydro-pneumatic suspension.

agricultural vehicles; vibration; AMEsim; nonlinear; hydro-pneumatic suspension

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.03.006

2014-11-20

江蘇省第八批“六大人才高峰”高層次人才項(xiàng)目(2011-ZBZZ-048)

丁繼斌(1966—)，男，江蘇徐州人，南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)槠囋O(shè)計(jì)、汽車檢測(cè)技術(shù)。

U462

A

2095-509X(2015)03-0027-06