礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)性能

. . 碩 士 學(xué) 位 論 文 MASTERS DISSERTATION 論文題目 礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)性能研究 作者姓名 田 興 學(xué)科專(zhuān)業(yè) 機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師 趙靜一 教授 2014 年 5 月 . . 中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.7 學(xué)校代碼：10216 UDC：621 密級(jí)：公開(kāi) 工學(xué)碩士學(xué)位論文 礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)性能研究 碩士研究生 ： 田 興 導(dǎo)師 ： 趙靜一 教授 申請(qǐng)學(xué)位 ： 工學(xué)碩士 學(xué)科專(zhuān)業(yè) ： 機(jī)械電子工程 所 在 單 位 ： 機(jī)械工程學(xué)院 答 辯 日 期 ： 2014 年 5 月 授予學(xué)位單位 ： 燕山大學(xué) . . . . A Dissertation in Mechanical and Electronic Engineering STUDY ON THE PERFORMANCE OF HYDRO-PNEUMATIC SUSPENSION SYSTEM FOR MINING DUMP TRUCK by Tian Xing Supervisor: Professor Zhao Jingyi Yanshan University May,2014 . . 燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)性能研 究 ，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在燕山大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取 得的成果。論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文 的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法 律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。 作者簽字： 日期： 年 月 日 燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū) 礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)性能研究系本人在燕山大學(xué)攻讀碩士士學(xué)位期間 在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸燕山大學(xué)所有，本論文的 研究?jī)?nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解燕山大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位 論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門(mén)送交論文的復(fù)印件和電子版本，允許論文 被查閱和借閱。本人授權(quán)燕山大學(xué)，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文， 可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 本學(xué)位論文屬于 不保密 。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“” ） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 . . 摘 要 礦用自卸車(chē)工作路況條件極差，如何保證車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的工作性能是亟需解決 的問(wèn)題。較大噸位礦用自卸車(chē)一般采用油氣懸掛，但是由于資金缺乏和國(guó)外核心研 究成果一般處于保密狀態(tài)，國(guó)內(nèi)對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)的研制主要處于原理引進(jìn)應(yīng)用階段。 油氣懸掛系統(tǒng)在車(chē)輛使用過(guò)程中出現(xiàn)諸多問(wèn)題，對(duì)其性能的研究不得不被提上日程。 本文主要針對(duì) 50 噸礦用自卸車(chē)油氣系統(tǒng)特性展開(kāi)研究，對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)的研 發(fā)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇具有重要現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)將整篇論文研究?jī)?nèi)容概括如下： 首先，分析 50 噸礦用自卸車(chē)懸掛系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，建立整車(chē)七自由度振動(dòng)模型 并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到 1/4 車(chē)兩自由度油氣懸掛系統(tǒng)振動(dòng)模型，根據(jù)礦用自卸車(chē)后 油氣懸掛缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)工作原理進(jìn)行具體分析。 其次，根據(jù)油氣懸掛系統(tǒng)工作原理，建立油氣懸掛缸非線(xiàn)性模型，在建模過(guò)程 中將活塞（桿）與缸筒之間的摩擦力、工作溫度對(duì)液壓油粘度和氣體特性的影響等 非線(xiàn)性因素考慮在內(nèi)。 再次，用 MATLAB 對(duì)所建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，得出各個(gè)結(jié)構(gòu)和環(huán)境因 素對(duì)油氣懸掛缸位移和速度特性的影響，并對(duì)影響其阻尼和剛度特性的因素進(jìn)行具 體分析，為油氣懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和參數(shù)選擇提供一定的理論基礎(chǔ)以及試驗(yàn)依據(jù)。 最后，建立隨機(jī)路面激勵(lì)時(shí)域模型，對(duì)自卸車(chē)后油氣懸掛系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析， 以車(chē)輛平順性的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)作為系統(tǒng)的輸出，用 MATLAB/Simulink 建立平順性 仿真模型，得出不同路面等級(jí)下仿真結(jié)果，并研究阻尼和剛度系數(shù)對(duì)各個(gè)平順性指 標(biāo)的影響，為以后車(chē)輛懸掛系統(tǒng)阻尼和剛度的選擇提供一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：油氣懸掛系統(tǒng)；礦用自卸車(chē)；性能研究；MATLAB/Simulink；車(chē)輛平順性 . . . . . . Abstract Due to the harsh traveling environments and poor road conditions of mining dump trucks, the problem that how to ensure the performance of the vehicles suspension system needed to be solved urgently. Hydro-pneumatic suspension systems are generally applied to large-tonnage mining trucks, due to the lack of funds and foreign research achievements generally classified, the development of domestic hydro-pneumatic suspension system mainly stay in the stage of the principle introduction and application. However as more problems revealed in the consumer use, studying the performance of hydro-pneumatic suspension system of has to be put on the agenda. In this paper, the study for the performance of the 50t mining dump truck hydro- pneumatic system is carried out, which has important practical significance for the design and parameter selection of hydro-pneumatic suspension system. Now the whole paper study are summarized as follows: Firstly, based on the analysis of 50t dump truck suspension system specific structure, the 7-DOF vehicle vibration model and its simplification the 1/4 vehicle 2-DOF hydro- pneumatic suspension system vibration model are built. Based on the hydro-pneumatic cylinder internal structure, the concrete analysis of the hydro-pneumatic suspension system principle is carried out. Secondly, based on the hydro-pneumatic suspension system principle, the hydro- pneumatic suspension cylinder mathematical model is built, the nonlinear factors including the friction between the hydraulic cylinder piston and cylinder casing, the impact of operating temperature to the oil viscosity etc. are taken into account during the model building process. Thirdly, using MATLAB as a mathematical model for simulation analysis, the effects of each environmental and structural factors on the suspension cylinder displacement- force and velocity-force properties are obtained, and a specific analysis for the factors affecting the damping and stiffness characteristics of the hydro-pneumatic suspension system is carried out. These will provide theoretical and experimental bases for the hydro- pneumatic suspension system design and parameters selection. . . Lastly, a time-domain model of the random road is built and the dynamics analysis for dump truck rear hydro-pneumatic suspension system is carried out. The vehicle ride comfort simulation model is built using MATLAB/Simulink with the three key evaluation indexes as the system output. The simulation result under different pavement level is got. The effects of damping and stiffness coefficients on each evaluation index is analyzed, which will provide a theoretical basis for future vehicle suspension system damping and stiffness selection. Key Words: hydro-pneumatic suspension system; mining dump truck; characteristic study； MATLAB/Simulink; vehicle ride comfort . . . . 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.III 第 1 章 緒 論 .1 1.1 課題來(lái)源及研究的意義 .1 1.2 車(chē)輛懸掛系統(tǒng)介紹 .2 1.2.1 車(chē)輛懸掛系統(tǒng)組成 .2 1.2.2 車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的類(lèi)型 .3 1.3 油氣懸掛系統(tǒng)概述 .6 1.3.1 油氣懸掛的研究現(xiàn)狀 .6 1.3.2 油氣懸掛的應(yīng)用領(lǐng)域 .8 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 .9 第 2 章 油氣懸掛系統(tǒng)分析 .11 2.1 油氣懸掛系統(tǒng)分類(lèi) .11 2.2 礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu) .14 2.2.1 前懸掛系統(tǒng) .14 2.2.2 后懸掛系統(tǒng) .15 2.3 礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)振動(dòng)模型及其簡(jiǎn)化 .15 2.3.1 整車(chē)七自由度模型 .16 2.3.2 振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化 .18 2.4 油氣懸掛系統(tǒng)工作原理 .20 2.5 本章小結(jié) .22 第 3 章 油氣懸掛缸非線(xiàn)性模型建立 .23 3.1 油氣懸掛缸輸出力方程 .23 3.2 油液阻尼力分析 .24 3.2.1 油液的可壓縮性 .24 3.2.2 孔口出流方程 .24 3.2.3 液壓油動(dòng)力粘度 .25 3.2.4 阻尼力的計(jì)算 .26 3.3 氣體彈性力分析 .28 3.3.1 理想氣體狀態(tài)方程 .28 . . 3.3.2 實(shí)際氣體狀態(tài)方程 .29 3.3.3 彈性力的計(jì)算 .30 3.4 本章小結(jié) .32 第 4 章 油氣懸掛缸動(dòng)態(tài)特性分析 .33 4.1 模型參數(shù)和激勵(lì)信號(hào)選擇 .33 4.1.1 油氣懸掛缸參數(shù) .33 4.1.2 仿真激勵(lì)信號(hào)的選擇 .33 4.1.3 油氣懸掛缸輸出特性 .36 4.2 位移特性和速度特性分析 .38 4.2.1 油氣懸掛缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其特性的影響 .38 4.2.2 油氣懸掛缸工作參數(shù)對(duì)其特性的影響 .41 4.3 油氣懸掛缸非線(xiàn)性特性研究 .43 4.3.1 油氣懸掛系統(tǒng)阻尼特性 .43 4.3.2 油氣懸掛系統(tǒng)剛度特性 .46 4.4 本章小結(jié) .49 第 5 章 油氣懸掛系統(tǒng)車(chē)輛平順性研究 .51 5.1 路面輸入模型 .51 5.1.1 路面不平度的功率譜密度 .52 5.1.2 時(shí)域路面激勵(lì)的時(shí)域模型 .53 5.2 二自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型 .55 5.2.1 油氣懸掛缸剛度和阻尼系數(shù)的線(xiàn)性化 .55 5.2.2 動(dòng)力學(xué)模型的建立 .56 5.3 二自由度 1/4 車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真 .58 5.4 平順性分析 .60 5.5 本章小結(jié) .62 結(jié) 論 .63 參考文獻(xiàn) .65 攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果 .68 致 謝 .69 作者簡(jiǎn)介 .70 . . 第 1 章 緒 論 近年來(lái)，各生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)小型車(chē)輛無(wú)法滿(mǎn)足礦石運(yùn)輸需求量的增 長(zhǎng)，大型礦用自卸車(chē)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到礦山運(yùn)輸領(lǐng)域，使得運(yùn)輸?shù)男侍岣咔页杀?降低 1,2。然而，礦山的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜惡劣，路況條件差，這必然對(duì)礦用自卸車(chē)懸掛 系統(tǒng)減振性能有很高的要求，所以對(duì)其懸掛系統(tǒng)特性的深入研究十分必要。 1.1 課題來(lái)源及研究的意義 礦用自卸車(chē)行駛環(huán)境惡劣且復(fù)雜多變，路面條件極差，如 圖 1-1 所示，如何保 證車(chē)輛的懸掛系統(tǒng)減振性能優(yōu)越，適應(yīng)礦山工作環(huán)境，已被國(guó)內(nèi)外研究人員和車(chē)輛 生產(chǎn)者廣泛關(guān)注。 油氣懸掛系統(tǒng)是綜合液壓傳動(dòng)和控制技術(shù)，相比傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)而言，具有良 好的非線(xiàn)性特性，因此廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代車(chē)輛，本文所研究油氣懸掛系統(tǒng)為秦皇島實(shí) 習(xí)單位所生產(chǎn)礦用自卸車(chē)。在使用過(guò)程中，車(chē)輛的油氣懸掛裝置經(jīng)常出現(xiàn)緊固螺栓 松動(dòng)斷裂、漏油、拔缸等現(xiàn)象，車(chē)輛其他結(jié)構(gòu)件也經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂和松動(dòng)現(xiàn)象，這與 車(chē)輛振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞有極大的關(guān)系。車(chē)輛工作時(shí)，當(dāng)懸掛系統(tǒng)性能不佳只能降低車(chē) 速行駛，使得發(fā)動(dòng)機(jī)功率不能充分利用，且使得效率降低。 圖 1-1 礦用自卸車(chē)運(yùn)行環(huán)境 實(shí)習(xí)單位建立項(xiàng)目“50t 礦用自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)性能研究 ”，針對(duì)其生產(chǎn)的如 圖 1-2 所示的 50t 礦用自卸車(chē)的油氣懸掛系統(tǒng)進(jìn)行理論研究與仿真分析，旨在得出 影響油氣懸掛系統(tǒng)性能的主要因素及其影響趨勢(shì)，為下一步自卸車(chē)的油氣懸掛系統(tǒng) 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、性能優(yōu)化以及實(shí)際應(yīng)用的改善提供一定的理論依據(jù)。 . . 圖 1-2 50t 礦用自卸車(chē) 1.2 車(chē)輛懸掛系統(tǒng)介紹 車(chē)輛懸掛系統(tǒng)是指車(chē)架與車(chē)橋或車(chē)輪之間的所有連接元件的總稱(chēng)，其功能是承 受車(chē)輛載荷，使得車(chē)身和車(chē)輪間的連接為彈性連接，傳遞作用在車(chē)輪與車(chē)身之間的 作用力和力矩 3；有效的緩、隔離并吸收行駛過(guò)程中由路面不平引起的車(chē)架和車(chē)身 的沖擊，并衰減由此引起的振動(dòng)，以保證汽車(chē)的行駛平順性，乘坐舒適性和操縱穩(wěn) 定性 4?？傊?，車(chē)輛懸掛系統(tǒng)決定著車(chē)輛的行駛安全性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性， 是車(chē)輛的重要組成部分之一。 1.2.1 車(chē)輛懸掛系統(tǒng)組成 雖然車(chē)輛懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式不完全相同，但一般由彈性元件、導(dǎo)向裝置、減振 器和橫向穩(wěn)定桿等組成，分別起到緩沖、導(dǎo)向、減振和防側(cè)傾的作用 5,6。個(gè)別結(jié) 構(gòu)則還有緩沖塊、推力桿等，如 圖 1-3 所示。 彈性元件用具有彈性較高材料制成的零件，傳遞車(chē)架與車(chē)輪或車(chē)架與車(chē)橋之間 的垂直載荷，在地面對(duì)車(chē)輛沖擊較大時(shí)，車(chē)輪的動(dòng)能則轉(zhuǎn)換為彈性元件的勢(shì)能，在 沖擊結(jié)束時(shí)，車(chē)輛的恢復(fù)到原來(lái)運(yùn)行狀況時(shí)再將勢(shì)能釋放出來(lái)，以緩和抑止不平路 面引起的振動(dòng)和沖擊。彈性元件主要有多種形式和結(jié)構(gòu)，如螺旋彈簧、橡膠彈簧等 7。 彈性元件能夠較好的完成能量的吸收或釋放，但在能量耗散方面要稍差一些。 . . 因此，如果車(chē)輛懸掛系統(tǒng)沒(méi)有阻尼結(jié)構(gòu)或部件，車(chē)輛彈性元件釋放其彈性勢(shì)能時(shí)的 速度不易控制，按其自身頻率往復(fù)振動(dòng)，并且沖擊能量消耗時(shí)間長(zhǎng)，使車(chē)輛振動(dòng)加 劇，甚至可能發(fā)生共振。因此，必須在車(chē)輛懸掛系統(tǒng)中加入重要的阻尼部件，即減 振器，來(lái)滿(mǎn)足車(chē)輛的行駛平順性，且車(chē)輛的阻尼特性與彈性特性要相匹配。按照能 量轉(zhuǎn)換介質(zhì)的不同，減振器可分為摩擦式減振器、液壓式減振器和電磁式減振器等。 橫向推力桿 橫向穩(wěn)定器 減振器 彈性元件 縱向推力桿 圖 1-3 懸掛的組成示意圖 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是使車(chē)輪相對(duì)車(chē)身運(yùn)動(dòng)時(shí)按照一定軌跡運(yùn)動(dòng)，保證車(chē)輛操縱時(shí) 的穩(wěn)定性不受影響，通常由控制擺臂式桿件組成，有單桿和多連桿兩種類(lèi)型 8。 橫向穩(wěn)定桿，又稱(chēng)防傾桿、平衡桿，是車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的一部分，防止在轉(zhuǎn)彎時(shí) 車(chē)體側(cè)傾程度過(guò)大，盡量維持車(chē)身平穩(wěn)。 1.2.2 車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的類(lèi)型 1.2.2.1 按車(chē)輛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分類(lèi) 根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不同，車(chē)輛懸掛可以分為非獨(dú)立懸掛系統(tǒng)和獨(dú)立懸掛系統(tǒng) 4,9。 非獨(dú)立懸掛系統(tǒng)如 圖 1-4 中 a）所示，兩個(gè)車(chē)輪由一個(gè)剛性軸或非斷開(kāi)式車(chē)橋 相連，并通過(guò)彈性懸掛系統(tǒng)安裝在車(chē)體下面，兩側(cè)車(chē)輪受到?jīng)_擊力時(shí)會(huì)相互影響 10。 獨(dú)立懸掛系統(tǒng)為兩側(cè)車(chē)輪獨(dú)立地與車(chē)體連接或使用斷開(kāi)式車(chē)橋連接，如 圖 1-4 中 b）圖所示。獨(dú)立懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多種多樣，如常見(jiàn)的麥弗遜獨(dú)立懸掛，縱臂 式獨(dú)立懸掛、多連桿式獨(dú)立懸掛、燭式懸掛系統(tǒng)、滑柱擺臂式獨(dú)立懸掛等 11。 . . 1.2.2.3 按彈性元件種類(lèi)分類(lèi) 按照彈性元件的種類(lèi)，車(chē)輛懸掛又可以分為螺旋彈簧懸掛、鋼板彈簧懸掛、扭 桿彈簧懸掛、氣體懸掛等 12。 a）非獨(dú)立懸掛系統(tǒng) b）獨(dú)立懸掛系統(tǒng) 圖 1-4 懸掛系統(tǒng)按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分類(lèi) 螺旋彈簧有圓柱形和圓錐形兩種形式，如 圖 1-5 為圓錐式螺旋彈簧懸掛，在螺 旋彈簧懸掛中要需要安裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、體積小，廣 泛應(yīng)用轎車(chē)上。 鋼板彈簧由多若干片不等長(zhǎng)度鋼板組合在一起，如 圖 1-6 所示為東風(fēng) EQ1090E 型汽車(chē)后懸掛采用兩級(jí)變剛度式鋼板彈簧懸掛。鋼板彈簧變形時(shí)，各片鋼板間有摩 擦產(chǎn)生，兼作減振器和導(dǎo)向作用。鋼板彈簧懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但儲(chǔ)能比太 小，一般應(yīng)用于載貨汽 13。 圖 1-5 圓錐螺旋彈簧懸掛 圖 1-6 東風(fēng) EQ1090E 型汽車(chē)后懸掛 扭桿彈簧利用鋼棒的扭轉(zhuǎn)特性工作，性能近似螺旋彈簧，依靠扭轉(zhuǎn)彈力來(lái)吸收 振動(dòng)能量。扭桿用由彈簧鋼制成，其擁有彈性較高，如 圖 1-7 所示。扭桿彈簧的單 位儲(chǔ)能比大，且安裝空間最小，便于安裝，多應(yīng)用于乘用車(chē)。 . . 氣體彈簧由充氣室組成，位于車(chē)輪和車(chē)身間，結(jié)構(gòu)如 圖 1-8。它利用空氣壓縮 產(chǎn)生彈力支撐，來(lái)減緩車(chē)輪振動(dòng)。從結(jié)構(gòu)形式上，氣體彈簧分為膜式、囊式和復(fù)合 式 4，多用于各種電車(chē)、大型客車(chē)上、高級(jí)轎車(chē)上。氣體彈簧剛度小，固有頻率低； 剛度可 變，可以提高車(chē)輛平順性；質(zhì) 量小壽命長(zhǎng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 尺寸較大，價(jià)格昂貴 14。 油氣彈簧是以氮?dú)鉃閺椥?介質(zhì)，利用液壓油傳遞作用力 并依靠其流動(dòng)產(chǎn)生阻尼的氣體 彈簧，如 圖 1-9 所示，將在下 節(jié)中作具體介紹。 控制臂 與車(chē)架固定相連一端 扭桿彈簧 圖 1-7 扭桿彈簧 圖 1-8 空氣彈簧 圖 1-9 油氣彈簧 表 1-1 為各種彈性元件單位質(zhì)量的儲(chǔ)存能量值，由表可知，氣體彈簧單位質(zhì)量 儲(chǔ)能量大，在充入氣體壓力為 6MPa 的情況下，其單位重量?jī)?chǔ)能量遠(yuǎn)大于其他種類(lèi) 的彈性元件，這益于懸掛系統(tǒng)的輕量化和整車(chē)性能的優(yōu)化。而油氣彈簧可達(dá)到更高 壓力，在現(xiàn)代車(chē)輛懸掛系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 表 1-1 彈性元件單位儲(chǔ)能量 彈性元件種類(lèi) 單位質(zhì)量?jī)?chǔ)存能量值 (Nm/kg) 鋼板彈簧 73114 . . 圓柱螺旋彈簧 181278 扭桿彈簧 252386 橡膠彈簧 5121 024 氣體彈簧(6MPa) 329 800 1.3 油氣懸掛系統(tǒng)概述 油氣懸掛同時(shí)起到彈性元件和減振器的作用，以氮?dú)庾鳛閺椥越橘|(zhì)，以液壓油 作為傳遞作用力和阻尼介質(zhì)，具有優(yōu)越的非線(xiàn)性彈性特征和良好的減振性能，剛度 和阻尼都能隨著傳遞作用力的變化而變化，可最大限度滿(mǎn)足自卸車(chē)平順性的要求 15。 1.3.1 油氣懸掛的研究現(xiàn)狀 1952 年，法國(guó)雪鐵龍公司制造了世界上第一輛安裝有油氣懸掛的汽車(chē)，到 1955 年油氣懸掛已經(jīng)大量地應(yīng)用到 DS19 賽車(chē)系列。在 20 世紀(jì)七八十年代，美、 德、法、日等國(guó)也先后開(kāi)發(fā)了一些油氣懸掛產(chǎn)品，并應(yīng)用于不同類(lèi)型的車(chē)型中 16。 隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，油氣懸掛的減振性能得到了很好的改善，使其在應(yīng)用越來(lái)越 廣泛。 在油氣懸掛研究和新型式研發(fā)的過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其工作原理及特性 進(jìn)行了理論和試驗(yàn)分析，目前對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)的研究要在幾個(gè)方面： （1）建立合理的油氣懸掛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，主要是把有非線(xiàn)性特性的彈性元 件和非線(xiàn)性因素的影響如單向閥的啟閉特性、液壓油的壓縮和粘度特性、實(shí)際氣體 狀態(tài)特性加入到模型中，使建立模型更符合實(shí)際 17,18。 目前建立的數(shù)學(xué)模型可分為參數(shù)化和非參數(shù)化模型。參數(shù)化建模的方法能夠清 楚明確的描述懸掛系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)，并且每個(gè)參數(shù)都具有明確的實(shí)際意義，適 用于分析油氣懸掛缸的自身特性 19。國(guó)外研究人員建議綜合使用參數(shù)化和非參數(shù)化 建立模型方法，對(duì)油氣懸掛進(jìn)行研究分析，既簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜性，又能減小建立模 型的誤差。 （2）油氣懸掛系統(tǒng)新型結(jié)構(gòu)和主動(dòng)控制策略的研究，主要是對(duì)主動(dòng)和半主動(dòng) 油氣懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)在工作工程中調(diào)節(jié)懸掛系統(tǒng)的阻尼和剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和 半主動(dòng)控制， 圖 1-10 為一種半主動(dòng)控制的原理。油氣懸掛系統(tǒng)有多種控制策略，如 . . 圖 1-1120。但目前主動(dòng)控制懸掛系統(tǒng)，價(jià)格昂貴且可靠性低，目前并未得到廣泛應(yīng) 用。因此當(dāng)前研究的重點(diǎn)是如何降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。 1980 年以后，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)開(kāi)始關(guān)注，90 年代初期，一些生產(chǎn)廠 從國(guó)外引進(jìn)具有油氣懸掛的工程車(chē)輛 21，后各高校開(kāi)始對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)進(jìn)行深入研 究，如同濟(jì)大學(xué)、北京理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、吉林大學(xué)等。國(guó)內(nèi)對(duì)油氣懸掛系 統(tǒng)的研究主要集中于以下幾個(gè)方面： 控制單元 懸掛質(zhì)量 非懸掛質(zhì)量 可調(diào)阻尼閥 力信息 加速度信息 速度信息 圖 1-10 半主動(dòng)懸掛系統(tǒng) 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 P I D 控制 自適應(yīng)控制 遺傳算法控制 最優(yōu)控制 魯棒控制 復(fù)合控制 懸架控制策略 最優(yōu)預(yù)測(cè)控制 線(xiàn)性最優(yōu)控制 H 最優(yōu)控制 查表變參數(shù) P I D 模糊 P I D 圖 1-11 懸掛系統(tǒng)控制策略 （1）油氣懸掛設(shè)計(jì)基本理論的研究，包括尤其油氣最佳阻尼匹配的研究，油 氣懸掛阻尼和初始充氣體積及壓力等對(duì)懸掛系統(tǒng)的影響等； （2）油氣懸掛系統(tǒng)特性仿真建模及仿真軟件開(kāi)發(fā)研究，主要是油氣懸掛的剛 度和阻尼的非線(xiàn)性特性的仿真建模定性分析及對(duì)整車(chē)行駛平順性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)分析。 . . 主要應(yīng)用 MATLAB/Simulink 對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，VC+和 MATLAB/GUI 等開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)針對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)的分析軟件； （3）特定車(chē)型的油氣想家系統(tǒng)的仿真及特性分析，國(guó)內(nèi)部分高校使用 ADAMS 軟件建立參數(shù)化的油氣懸掛的機(jī)械模型，并將液壓系統(tǒng)納入模型，通過(guò)有限元分析 軟件建立油氣懸掛的柔性理學(xué)模型和震動(dòng)模型，進(jìn)行了進(jìn)一步的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分 析，同時(shí)對(duì)油氣懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但應(yīng)用較少，還處于研究階段； （4）新型結(jié)構(gòu)形式油氣懸掛的的開(kāi)發(fā)與研究等，主要集中于一些科研院所； （5）針對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。 但是，相對(duì)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)于油氣懸掛的研究尚處于初級(jí)階段，但由于資金、 設(shè)備缺乏和國(guó)外的研究成果一般處于保密狀態(tài)，國(guó)內(nèi)很少研究單位能對(duì)其進(jìn)行基礎(chǔ) 性研究和試驗(yàn)，但差距明顯，需要在以下幾個(gè)方面努力：系統(tǒng)性和基礎(chǔ)性研究，增 加費(fèi)用，引進(jìn)和設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)備；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì) 18；油氣懸掛的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 包含油氣懸掛的參數(shù)優(yōu)化和不同的結(jié)構(gòu)和安裝型式對(duì)其工作的影響分析；研制整車(chē)、 多橋油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機(jī)；開(kāi)發(fā)能夠適用于車(chē)輛懸掛控制系統(tǒng)的新型微處理器， 降低其成本 22,23。 與傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)相比，油氣懸掛具有優(yōu)良的非線(xiàn)性特性，而如今生產(chǎn)制造技 術(shù)飛速發(fā)展為油氣懸掛系統(tǒng)在現(xiàn)代車(chē)輛上的應(yīng)用提供了保障。隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展生 產(chǎn)效率高要求和工程車(chē)輛的大噸位化，油氣懸掛系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景。 1.3.2 油氣懸掛的應(yīng)用領(lǐng)域 油氣懸掛系統(tǒng)在高級(jí)轎車(chē)、特種車(chē)輛和工程機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用，大大提高了 車(chē)輛性能。油氣懸掛與傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛相比，基本功能相同，但性能有很大差別。 所以，至今為止，油氣懸掛已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用在下面幾個(gè)方面： （1）賽車(chē)及高級(jí)轎車(chē)，如早期的雪鐵龍 Citroen DS-19、ID-19 型賽車(chē)，德國(guó) 的 BENZ450EL6.9，法國(guó)的 Citroen CS、CX 系列等高級(jí)轎車(chē)， 圖 1-12 為采用主動(dòng) 油氣懸掛的 Citroen C6 型汽車(chē)； （2）一些軍事車(chē)輛，如輪式輸送車(chē)、裝甲車(chē)、坦克以及導(dǎo)彈運(yùn)載車(chē)輛等，如 美國(guó) M107 自行火炮（ 圖 1-13） ，法國(guó)勒克萊爾主戰(zhàn)坦克、別拉斯 SSU-20 移動(dòng)式導(dǎo) 彈發(fā)射車(chē)，美國(guó) UET-A 履帶式裝甲工程牽引車(chē)等，均采用了可調(diào)式油氣懸掛系統(tǒng)， 國(guó)內(nèi)有航天 15 所研制的固定型號(hào)移動(dòng)式導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)，重慶 256 廠研制的自行榴彈 . . 炮車(chē)等均使用了油氣懸掛； （3）美國(guó)卡特彼勒、日本小松，國(guó)內(nèi)北方重工、三一重工、秦皇島天業(yè)通聯(lián) 等企業(yè)生產(chǎn)的非公路礦用自卸車(chē)， 圖 1-14 為卡特彼勒生產(chǎn)的 797 礦用自卸車(chē)； （4）其他工程機(jī)械，主要包括鏟運(yùn)機(jī)械、起重機(jī)、輪式推土機(jī)、裝載機(jī)等， 如卡特彼勒生產(chǎn)的鏟運(yùn)機(jī)，德國(guó)利勃海爾、美國(guó)特雷克斯、徐工集團(tuán)等國(guó)內(nèi)外廠家 生產(chǎn)的全地面起重機(jī)，日立建機(jī)生產(chǎn)輪式挖掘機(jī)、河南鄭工生產(chǎn)輪式裝載機(jī)等，如 圖 1-15 為徐州集團(tuán)生產(chǎn)的 QAY300 全地面起重機(jī) 24。 圖 1-12 Citroen C6 型賽車(chē) 圖 1-13 美國(guó) M107 自行火炮 圖 1-14 卡特 797 礦用自卸車(chē) 圖 1-15 徐州集團(tuán) QAY300 全地面起重機(jī) 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 針對(duì)上文分析的油氣懸掛系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，本文以實(shí)習(xí)單位生產(chǎn)的 50 噸礦用自 卸 車(chē)后懸掛系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，并建立其 非線(xiàn)性模型，重點(diǎn)研究各結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對(duì)其特性的影響，利用理論推導(dǎo)結(jié)合仿真 建模的方法對(duì)上述研究特性進(jìn)行分析。以此為本文的研究線(xiàn)路，將全文的研究?jī)?nèi)容 總結(jié)如下： （1）結(jié)合 50 噸礦用自卸車(chē)的懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用汽車(chē)?yán)碚摰闹R(shí)建立整車(chē)振 . . 動(dòng)模型，對(duì)其進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化，并分析油氣懸掛系統(tǒng)的工作原理； （2）根據(jù)自卸車(chē)油氣懸掛系統(tǒng)工作的原理，建立懸掛缸的輸出力模型；根據(jù) 節(jié)流孔理論建立油氣懸掛缸油液阻尼力模型，根據(jù)氣體實(shí)際狀態(tài)方程建立油氣懸掛 缸的彈性力模型，在建模過(guò)程中考慮到活塞桿和活塞與懸掛缸的缸筒之間的摩擦力、 溫度對(duì)液壓油粘度和氣體狀態(tài)的影響等因素； （3）用 MATLAB 軟件對(duì)建立的油氣懸掛缸的模型進(jìn)行仿真研究，分析各個(gè)結(jié) 構(gòu)，如阻尼孔和單項(xiàng)閥直徑、無(wú)桿腔和環(huán)形腔橫截面積與工作參數(shù)，如系統(tǒng)的激勵(lì) 信號(hào)頻率及振幅、系統(tǒng)的工作溫度等因素對(duì)油氣懸掛缸的速度和位移特性的影響， 并對(duì)影響其阻尼和剛度特性的因素進(jìn)行具體分析，為油氣懸掛系統(tǒng)研發(fā)時(shí)的參數(shù)選 擇提供一定的理論基礎(chǔ)以及試驗(yàn)依據(jù)； （4）建立隨機(jī)路面激勵(lì)的時(shí)域模型和懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，并運(yùn)用 MATLAB/Simulink 對(duì)其進(jìn)行分析，將評(píng)價(jià)車(chē)輛平順性的關(guān)鍵指標(biāo)作為仿真的輸出， 對(duì)油氣懸掛系統(tǒng)進(jìn)行平順性分析，為油氣懸掛整體的參數(shù)選擇提供一定的參考價(jià)值。 1 孫博, 胡順安, 周俊, 等. 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