. . 碩 士 學(xué) 位 論 文 MASTERS DISSERTATION 論文題目 礦用自卸車油氣懸掛系統(tǒng)性能研究 作者姓名 田 興 學(xué)科專業(yè) 機械電子工程 指導(dǎo)教師 趙靜一 教授 2014 年 5 月 . . 中圖分類號：TH137.7 學(xué)校代碼：10216 UDC：621 密級：公開 工學(xué)碩士學(xué)位論文 礦用自卸車油氣懸掛系統(tǒng)性能研究 碩士研究生 ： 田 興 導(dǎo)師 ： 趙靜一 教授 申請學(xué)位 ： 工學(xué)碩士 學(xué)科專業(yè) ： 機械電子工程 所 在 單 位 ： 機械工程學(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)位期間獨立進行研究工作所取 得的成果。論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文 的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，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 礦用自卸車油氣懸掛系統(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 研究內(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。 本學(xué)位論文屬于 不保密 。 （請在以上相應(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 礦用自卸車工作路況條件極差，如何保證車輛懸掛系統(tǒng)的工作性能是亟需解決 的問題。較大噸位礦用自卸車一般采用油氣懸掛，但是由于資金缺乏和國外核心研 究成果一般處于保密狀態(tài)，國內(nèi)對油氣懸掛系統(tǒng)的研制主要處于原理引進應(yīng)用階段。 油氣懸掛系統(tǒng)在車輛使用過程中出現(xiàn)諸多問題，對其性能的研究不得不被提上日程。 本文主要針對 50 噸礦用自卸車油氣系統(tǒng)特性展開研究，對油氣懸掛系統(tǒng)的研 發(fā)設(shè)計和參數(shù)選擇具有重要現(xiàn)實意義?，F(xiàn)將整篇論文研究內(nèi)容概括如下： 首先，分析 50 噸礦用自卸車懸掛系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，建立整車七自由度振動模型 并對其進行簡化，得到 1/4 車兩自由度油氣懸掛系統(tǒng)振動模型，根據(jù)礦用自卸車后 油氣懸掛缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對油氣懸掛系統(tǒng)工作原理進行具體分析。 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性模型，在建模過程 中將活塞（桿）與缸筒之間的摩擦力、工作溫度對液壓油粘度和氣體特性的影響等 非線性因素考慮在內(nèi)。 再次，用 MATLAB 對所建立數(shù)學(xué)模型進行仿真分析，得出各個結(jié)構(gòu)和環(huán)境因 素對油氣懸掛缸位移和速度特性的影響，并對影響其阻尼和剛度特性的因素進行具 體分析，為油氣懸掛系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)和參數(shù)選擇提供一定的理論基礎(chǔ)以及試驗依據(jù)。 最后，建立隨機路面激勵時域模型，對自卸車后油氣懸掛系統(tǒng)進行動力學(xué)分析， 以車輛平順性的三個關(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，得出不同路面等級下仿真結(jié)果，并研究阻尼和剛度系數(shù)對各個平順性指 標(biāo)的影響，為以后車輛懸掛系統(tǒng)阻尼和剛度的選擇提供一定的參考價值。 關(guān)鍵詞：油氣懸掛系統(tǒng)；礦用自卸車；性能研究；MATLAB/Simulink；車輛平順性 . . . . . . 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 課題來源及研究的意義 .1 1.2 車輛懸掛系統(tǒng)介紹 .2 1.2.1 車輛懸掛系統(tǒng)組成 .2 1.2.2 車輛懸掛系統(tǒng)的類型 .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 本文主要研究內(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 .11 2.2 礦用自卸車油氣懸掛系統(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 礦用自卸車油氣懸掛系統(tǒng)振動模型及其簡化 .15 2.3.1 整車七自由度模型 .16 2.3.2 振動系統(tǒng)的簡化 .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 液壓油動力粘度 .25 3.2.4 阻尼力的計算 .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 實際氣體狀態(tài)方程 .29 3.3.3 彈性力的計算 .30 3.4 本章小結(jié) .32 第 4 章 油氣懸掛缸動態(tài)特性分析 .33 4.1 模型參數(shù)和激勵信號選擇 .33 4.1.1 油氣懸掛缸參數(shù) .33 4.1.2 仿真激勵信號的選擇 .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)對其特性的影響 .38 4.2.2 油氣懸掛缸工作參數(shù)對其特性的影響 .41 4.3 油氣懸掛缸非線性特性研究 .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 時域路面激勵的時域模型 .53 5.2 二自由度車輛動力學(xué)模型 .55 5.2.1 油氣懸掛缸剛度和阻尼系數(shù)的線性化 .55 5.2.2 動力學(xué)模型的建立 .56 5.3 二自由度 1/4 車動力學(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 .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 作者簡介 .70 . . 第 1 章 緒 論 近年來，各生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)小型車輛無法滿足礦石運輸需求量的增 長，大型礦用自卸車已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到礦山運輸領(lǐng)域，使得運輸?shù)男侍岣咔页杀?降低 1,2。然而，礦山的運行環(huán)境復(fù)雜惡劣，路況條件差，這必然對礦用自卸車懸掛 系統(tǒng)減振性能有很高的要求，所以對其懸掛系統(tǒng)特性的深入研究十分必要。 1.1 課題來源及研究的意義 礦用自卸車行駛環(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，已被國內(nèi)外研究人員和車輛 生產(chǎn)者廣泛關(guān)注。 油氣懸掛系統(tǒng)是綜合液壓傳動和控制技術(shù)，相比傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)而言，具有良 好的非線性特性，因此廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代車輛，本文所研究油氣懸掛系統(tǒng)為秦皇島實 習(xí)單位所生產(chǎn)礦用自卸車。在使用過程中，車輛的油氣懸掛裝置經(jīng)常出現(xiàn)緊固螺栓 松動斷裂、漏油、拔缸等現(xiàn)象，車輛其他結(jié)構(gòu)件也經(jīng)常出現(xiàn)開裂和松動現(xiàn)象，這與 車輛振動產(chǎn)生的疲勞有極大的關(guān)系。車輛工作時，當(dāng)懸掛系統(tǒng)性能不佳只能降低車 速行駛，使得發(fā)動機功率不能充分利用，且使得效率降低。 圖 1-1 礦用自卸車運行環(huán)境 實習(xí)單位建立項目“50t 礦用自卸車油氣懸掛系統(tǒng)性能研究 ”，針對其生產(chǎn)的如 圖 1-2 所示的 50t 礦用自卸車的油氣懸掛系統(tǒng)進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，為下一步自卸車的油氣懸掛系統(tǒng) 設(shè)計開發(fā)、性能優(yōu)化以及實際應(yīng)用的改善提供一定的理論依據(jù)。 . . 圖 1-2 50t 礦用自卸車 1.2 車輛懸掛系統(tǒng)介紹 車輛懸掛系統(tǒng)是指車架與車橋或車輪之間的所有連接元件的總稱，其功能是承 受車輛載荷，使得車身和車輪間的連接為彈性連接，傳遞作用在車輪與車身之間的 作用力和力矩 3；有效的緩、隔離并吸收行駛過程中由路面不平引起的車架和車身 的沖擊，并衰減由此引起的振動，以保證汽車的行駛平順性，乘坐舒適性和操縱穩(wěn) 定性 4?？傊?，車輛懸掛系統(tǒng)決定著車輛的行駛安全性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性， 是車輛的重要組成部分之一。 1.2.1 車輛懸掛系統(tǒng)組成 雖然車輛懸掛系統(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，傳遞車架與車輪或車架與車橋之間 的垂直載荷，在地面對車輛沖擊較大時，車輪的動能則轉(zhuǎn)換為彈性元件的勢能，在 沖擊結(jié)束時，車輛的恢復(fù)到原來運行狀況時再將勢能釋放出來，以緩和抑止不平路 面引起的振動和沖擊。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，如果車輛懸掛系統(tǒng)沒有阻尼結(jié)構(gòu)或部件，車輛彈性元件釋放其彈性勢能時的 速度不易控制，按其自身頻率往復(fù)振動，并且沖擊能量消耗時間長，使車輛振動加 劇，甚至可能發(fā)生共振。因此，必須在車輛懸掛系統(tǒng)中加入重要的阻尼部件，即減 振器，來滿足車輛的行駛平順性，且車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)向機構(gòu)的作用是使車輪相對車身運動時按照一定軌跡運動，保證車輛操縱時 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型 8。 橫向穩(wěn)定桿，又稱防傾桿、平衡桿，是車輛懸掛系統(tǒng)的一部分，防止在轉(zhuǎn)彎時 車體側(cè)傾程度過大，盡量維持車身平穩(wěn)。 1.2.2 車輛懸掛系統(tǒng)的類型 1.2.2.1 按車輛導(dǎo)向機構(gòu)分類 根據(jù)導(dǎo)向機構(gòu)不同，車輛懸掛可以分為非獨立懸掛系統(tǒng)和獨立懸掛系統(tǒng) 4,9。 非獨立懸掛系統(tǒng)如 圖 1-4 中 a）所示，兩個車輪由一個剛性軸或非斷開式車橋 相連，并通過彈性懸掛系統(tǒng)安裝在車體下面，兩側(cè)車輪受到?jīng)_擊力時會相互影響 10。 獨立懸掛系統(tǒng)為兩側(cè)車輪獨立地與車體連接或使用斷開式車橋連接，如 圖 1-4 中 b）圖所示。獨立懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多種多樣，如常見的麥弗遜獨立懸掛，縱臂 式獨立懸掛、多連桿式獨立懸掛、燭式懸掛系統(tǒng)、滑柱擺臂式獨立懸掛等 11。 . . 1.2.2.3 按彈性元件種類分類 按照彈性元件的種類，車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）非獨立懸掛系統(tǒng) b）獨立懸掛系統(tǒng) 圖 1-4 懸掛系統(tǒng)按導(dǎo)向機構(gòu)分類 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)向機構(gòu)和減振器，其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、體積小，廣 泛應(yīng)用轎車上。 鋼板彈簧由多若干片不等長度鋼板組合在一起，如 圖 1-6 所示為東風(fēng) EQ1090E 型汽車后懸掛采用兩級變剛度式鋼板彈簧懸掛。鋼板彈簧變形時，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)簡單，制造方便，但儲能比太 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)彈力來吸收 振動能量。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 位儲能比大，且安裝空間最小，便于安裝，多應(yīng)用于乘用車。 . . 氣體彈簧由充氣室組成，位于車輪和車身間，結(jié)構(gòu)如 圖 1-8。它利用空氣壓縮 產(chǎn)生彈力支撐，來減緩車輪振動。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、大型客車上、高級轎車上。氣體彈簧剛度小，固有頻率低； 剛度可 變，可以提高車輛平順性；質(zhì) 量小壽命長，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 尺寸較大，價格昂貴 14。 油氣彈簧是以氮氣為彈性 介質(zhì)，利用液壓油傳遞作用力 并依靠其流動產(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)量的儲存能量值，由表可知，氣體彈簧單位質(zhì)量 儲能量大，在充入氣體壓力為 6MPa 的情況下，其單位重量儲能量遠(yuǎn)大于其他種類 的彈性元件，這益于懸掛系統(tǒng)的輕量化和整車性能的優(yōu)化。而油氣彈簧可達(dá)到更高 壓力，在現(xiàn)代車輛懸掛系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 表 1-1 彈性元件單位儲能量 彈性元件種類 單位質(zhì)量儲存能量值 (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 油氣懸掛同時起到彈性元件和減振器的作用，以氮氣作為彈性介質(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，可最大限度滿足自卸車平順性的要求 15。 1.3.1 油氣懸掛的研究現(xiàn)狀 1952 年，法國雪鐵龍公司制造了世界上第一輛安裝有油氣懸掛的汽車，到 1955 年油氣懸掛已經(jīng)大量地應(yīng)用到 DS19 賽車系列。在 20 世紀(jì)七八十年代，美、 德、法、日等國也先后開發(fā)了一些油氣懸掛產(chǎn)品，并應(yīng)用于不同類型的車型中 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)用越來越 廣泛。 在油氣懸掛研究和新型式研發(fā)的過程中，國內(nèi)外研究人員對其工作原理及特性 進行了理論和試驗分析，目前對油氣懸掛系統(tǒng)的研究要在幾個方面： （1）建立合理的油氣懸掛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，主要是把有非線性特性的彈性元 件和非線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、實際氣體 狀態(tài)特性加入到模型中，使建立模型更符合實際 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)部的運行狀態(tài)，并且每個參數(shù)都具有明確的實際意義，適 用于分析油氣懸掛缸的自身特性 19。國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，對油氣懸掛進行研究分析，既簡化模型的復(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)和主動控制策略的研究，主要是對主動和半主動 油氣懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用，通過在工作工程中調(diào)節(jié)懸掛系統(tǒng)的阻尼和剛度來實現(xiàn)主動和 半主動控制， 圖 1-10 為一種半主動控制的原理。油氣懸掛系統(tǒng)有多種控制策略，如 . . 圖 1-1120。但目前主動控制懸掛系統(tǒng)，價格昂貴且可靠性低，目前并未得到廣泛應(yīng) 用。因此當(dāng)前研究的重點是如何降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。 1980 年以后，國內(nèi)學(xué)者對油氣懸掛系統(tǒng)開始關(guān)注，90 年代初期，一些生產(chǎn)廠 從國外引進具有油氣懸掛的工程車輛 21，后各高校開始對油氣懸掛系統(tǒng)進行深入研 究，如同濟大學(xué)、北京理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、吉林大學(xué)等。國內(nèi)對油氣懸掛系 統(tǒng)的研究主要集中于以下幾個方面： 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)測控制 線性最優(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發(fā)研究，主要是油氣懸掛的剛 度和阻尼的非線性特性的仿真建模定性分析及對整車行駛平順性能的評價指標(biāo)分析。 . . 主要應(yīng)用 MATLAB/Simulink 對油氣懸掛系統(tǒng)進行仿真分析。同時，VC+和 MATLAB/GUI 等開發(fā)軟件開發(fā)專門針對油氣懸掛系統(tǒng)的分析軟件； （3）特定車型的油氣想家系統(tǒng)的仿真及特性分析，國內(nèi)部分高校使用 ADAMS 軟件建立參數(shù)化的油氣懸掛的機械模型，并將液壓系統(tǒng)納入模型，通過有限元分析 軟件建立油氣懸掛的柔性理學(xué)模型和震動模型，進行了進一步的靜力學(xué)和動力學(xué)分 析，同時對油氣懸掛結(jié)構(gòu)進行了初步的優(yōu)化設(shè)計，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發(fā)與研究等，主要集中于一些科研院所； （5）針對油氣懸掛系統(tǒng)的試驗研究。 但是，相對于國外，國內(nèi)對于油氣懸掛的研究尚處于初級階段，但由于資金、 設(shè)備缺乏和國外的研究成果一般處于保密狀態(tài)，國內(nèi)很少研究單位能對其進行基礎(chǔ) 性研究和試驗，但差距明顯，需要在以下幾個方面努力：系統(tǒng)性和基礎(chǔ)性研究，增 加費用，引進和設(shè)計試驗設(shè)備；加強結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計 18；油氣懸掛的優(yōu)化設(shè)計， 包含油氣懸掛的參數(shù)優(yōu)化和不同的結(jié)構(gòu)和安裝型式對其工作的影響分析；研制整車、 多橋油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機；開發(fā)能夠適用于車輛懸掛控制系統(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)代車輛上的應(yīng)用提供了保障。隨著國內(nèi)技術(shù)發(fā)展生 產(chǎn)效率高要求和工程車輛的大噸位化，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)在高級轎車、特種車輛和工程機械上得到廣泛應(yīng)用，大大提高了 車輛性能。油氣懸掛與傳統(tǒng)的被動懸掛相比，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)用在下面幾個方面： （1）賽車及高級轎車，如早期的雪鐵龍 Citroen DS-19、ID-19 型賽車，德國 的 BENZ450EL6.9，法國的 Citroen CS、CX 系列等高級轎車， 圖 1-12 為采用主動 油氣懸掛的 Citroen C6 型汽車； （2）一些軍事車輛，如輪式輸送車、裝甲車、坦克以及導(dǎo)彈運載車輛等，如 美國 M107 自行火炮（ 圖 1-13） ，法國勒克萊爾主戰(zhàn)坦克、別拉斯 SSU-20 移動式導(dǎo) 彈發(fā)射車，美國 UET-A 履帶式裝甲工程牽引車等，均采用了可調(diào)式油氣懸掛系統(tǒng)， 國內(nèi)有航天 15 所研制的固定型號移動式導(dǎo)彈發(fā)射車，重慶 256 廠研制的自行榴彈 . . 炮車等均使用了油氣懸掛； （3）美國卡特彼勒、日本小松，國內(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， 圖 1-14 為卡特彼勒生產(chǎn)的 797 礦用自卸車； （4）其他工程機械，主要包括鏟運機械、起重機、輪式推土機、裝載機等， 如卡特彼勒生產(chǎn)的鏟運機，德國利勃海爾、美國特雷克斯、徐工集團等國內(nèi)外廠家 生產(chǎn)的全地面起重機，日立建機生產(chǎn)輪式挖掘機、河南鄭工生產(chǎn)輪式裝載機等，如 圖 1-15 為徐州集團生產(chǎn)的 QAY300 全地面起重機 24。 圖 1-12 Citroen C6 型賽車 圖 1-13 美國 M107 自行火炮 圖 1-14 卡特 797 礦用自卸車 圖 1-15 徐州集團 QAY300 全地面起重機 1.4 本文主要研究內(nèi)容 針對上文分析的油氣懸掛系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，本文以實習(xí)單位生產(chǎn)的 50 噸礦用自 卸 車后懸掛系統(tǒng)為研究對象，對油氣懸掛系統(tǒng)的工作原理進行詳細(xì)的分析，并建立其 非線性模型，重點研究各結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對其特性的影響，利用理論推導(dǎo)結(jié)合仿真 建模的方法對上述研究特性進行分析。以此為本文的研究線路，將全文的研究內(nèi)容 總結(jié)如下： （1）結(jié)合 50 噸礦用自卸車的懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用汽車?yán)碚摰闹R建立整車振 . . 動模型，對其進行分析和簡化，并分析油氣懸掛系統(tǒng)的工作原理； （2）根據(jù)自卸車油氣懸掛系統(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)氣體實際狀態(tài)方程建立油氣懸掛 缸的彈性力模型，在建模過程中考慮到活塞桿和活塞與懸掛缸的缸筒之間的摩擦力、 溫度對液壓油粘度和氣體狀態(tài)的影響等因素； （3）用 MATLAB 軟件對建立的油氣懸掛缸的模型進行仿真研究，分析各個結(jié) 構(gòu)，如阻尼孔和單項閥直徑、無桿腔和環(huán)形腔橫截面積與工作參數(shù)，如系統(tǒng)的激勵 信號頻率及振幅、系統(tǒng)的工作溫度等因素對油氣懸掛缸的速度和位移特性的影響， 并對影響其阻尼和剛度特性的因素進行具體分析，為油氣懸掛系統(tǒng)研發(fā)時的參數(shù)選 擇提供一定的理論基礎(chǔ)以及試驗依據(jù)； （4）建立隨機路面激勵的時域模型和懸掛系統(tǒng)動力學(xué)方程，并運用 MATLAB/Simulink 對其進行分析，將評價車輛平順性的關(guān)鍵指標(biāo)作為仿真的輸出， 對油氣懸掛系統(tǒng)進行平順性分析，為油氣懸掛整體的參數(shù)選擇提供一定的參考價值。 1 孫博, 胡順安, 周俊, 等. 國內(nèi)非公路礦用自卸車發(fā)展現(xiàn)狀研究J. 煤礦機械, 2010, 31(8): 15-16. 2 裴潔, 李來平. 淺析非公路 (礦用) 自卸車概況及標(biāo)準(zhǔn)綜述J. 工程機械文摘, 2010, 3: 7. 3 趙青, 葛玉柱, 王晶晶, 等. 車輛主動懸掛系統(tǒng)的建模及控制方式J. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué) 報: 自然科學(xué)版, 2011, 30(12): 184-187. 4 李雙, 張鵬飛 , 剛憲約. 1/2 汽車模型懸架動力學(xué)分析與性能優(yōu)化J. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2013, 51(7): 36-40. 5 石秉良, 張孝祖. 車輛懸掛系統(tǒng)的可控性與可觀測性 J. 江蘇理工大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 1999, 20(3): 4-7. 6 周長城. 汽車平順性與懸架系統(tǒng)設(shè)計M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011: 58-59. 7 周桂鳳, 王玉剛, 張東梅. 汽車懸架系統(tǒng)彈性元件的參數(shù)程序化設(shè)計 J. 機電工程技術(shù), 2012, 41(1): 52-56. 8 周長城. 汽車減振器設(shè)計與特性仿真M. 北京: 機械工業(yè)出版社. 2012: 12-18. 9 曹藝輝, 趙言正, 付莊. 無人車獨立懸掛系統(tǒng)設(shè)計與仿真 J. 機電一體化, 2012 (2): 17-21. 10 劉惟信. 汽車設(shè)計M. 北京: 清華大學(xué)出版社. 2001, 7: 431-518. . . 11 耿曉慧. 汽車主動懸掛系統(tǒng)的最優(yōu)減振控制D. 青島: 中國海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2009: 3-7. 12 Sardou M A, Djomseu P. Composite Compression C Springs and Light Independent Suspension for Trucks, Buses, Cars and TrainsJ. SAE transactions, 2000, 109(2): 683-695. 13 張進國, 陳俊云. 基于 ANSYS 參數(shù)化語言汽車鋼板彈簧有限元分析及優(yōu)化J. 拖拉機與 農(nóng)用運輸車, 2007, 6(34): 90-91. 14 崔勝民. 現(xiàn)代汽車系統(tǒng)控制技術(shù)M. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2008: 59-62. 15 董懷力, 文桂林, 王艷廣, 等. 油氣懸掛在不同溫度下非線性特性的無損評測J. 中國科技 論文在線, 2009, 4(8): 572-576. 16 徐玉榮 . 電控油氣懸架系統(tǒng)在汽車底盤控制中的研究與開發(fā)現(xiàn)狀J. 科技信息(科學(xué)教研), 2008, 14: 344-345. 17 王欣 , 方新, 高順德, 等. 連通式油氣懸掛系統(tǒng)剛度特性分析J. 機床與液壓, 2012, 40(9): 55-57, 72. 18 許路, 蘇鐵熊, 侯軍海, 等. 車輛油氣懸架性能研究及現(xiàn)狀分析 J. 汽車零部件, 2011 (8): 87-88. 19 劉志強. 車輛油氣懸掛系統(tǒng)動力學(xué)研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文, 2011: 7-13. 20 高石 , 谷中麗, 王素貞. 車輛半主動懸架技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀J. 內(nèi)蒙古石油化工, 2006, 32(6): 45-47. 21 封士彩, 王國彪. 工程車輛油氣懸架的現(xiàn)狀與發(fā)展J. 礦山機械, 2000, 28(12): 32-33. 22 王欣, 蔡福海, 高順德. 車輛油氣懸架技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 J. 建筑機械: 上半月, 2007 (01S): 58-61. 23 李春艷, 謝東升, 陳軼杰, 等. 論油氣懸掛的性能特點及研究現(xiàn)狀J. 機械制造, 2008, 46(10): 59-62. 24 秦家升, 安靜, 單海燕, 等. 油氣懸架的特征及其結(jié)構(gòu)原理分析J. 工程機械, 2003, 34(011): 7-10. . . 第 2 章 油氣懸掛系統(tǒng)分析 油氣懸掛系統(tǒng)具有良好的非線性特性，性能可靠，目前已在裝甲車輛、載重貨 車、大客車、工程機械上得到了廣泛的應(yīng)用，在非公路礦用自卸車上應(yīng)用更加普遍。 本文所研究油氣懸掛源于實習(xí)單位 50 噸礦用自卸車，為單氣室油氣一體式油氣懸 掛。礦用自卸車振動狀況復(fù)雜，在研究的過程中需要對其進行簡化，使得系統(tǒng)更易 于研究分析。油氣懸掛缸是整個系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其特性直接影響車輛行駛性能， 因此首先必須明確其工作原理，為下一步的建模做好準(zhǔn)備。 2.1 油氣懸掛系統(tǒng)分類 油氣懸掛系統(tǒng)有多種分類方式，詳細(xì)見 表 2-125。 表 2-1 油氣懸掛的分類 分類依據(jù) 類型 懸掛缸的連通 連通式油氣懸掛非連通式油氣懸掛 系統(tǒng)控制外部能量輸入 被動油氣懸掛 半主動油氣懸掛 主動油氣懸掛 蓄能器的個數(shù)和形式 單氣室油氣懸掛 雙氣室油氣懸掛 兩級壓力氣室油氣懸掛 氣室的位置 油氣分離式懸掛 油氣一體式懸掛 非連通油氣懸掛系統(tǒng)是在同一車橋和不同車橋上的懸掛缸之間互不連通，相互 獨立、互不影響，如 圖 2-1 中 a）所示。非連通式油氣懸掛可以完成車身高度調(diào)整， 各個懸掛缸可以單獨進行調(diào)整，可以調(diào)整兩側(cè)的懸掛缸伸出長度，使整車仍保持水 平使傾斜路面上的車輛保持水平，在重型自卸車輛中應(yīng)用廣泛。 連通式油氣懸掛系統(tǒng)是指同一軸線上左右兩側(cè)或不在同一軸線上的懸掛缸之間 通過管路相互連接，如 圖 2-1 中 b）所示 26。它既有獨立懸掛系統(tǒng)的優(yōu)點，同時當(dāng) . . 全部液壓缸連通時，懸掛缸可以依靠路面不平情況來調(diào)整各個懸掛缸的伸出長度， 載荷可在各車輪上均勻分布，保證車水平 27。 懸掛質(zhì)量 非懸掛質(zhì)量 懸掛質(zhì)量 非懸掛質(zhì)量 a）非連通式油氣懸掛 b）連通式油氣懸掛 圖 2-1 懸掛缸之間的連接方式 被動懸掛的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)按經(jīng)驗或優(yōu)化方法選定之后，一般在車輛運行時不