非公路车辆前轴油气悬架系统动力学特性研究

论文摘要

与小汽车、客车和载重车相比,农用车辆、林业车辆、拖拉机、部分工程车辆等无悬架非公路车辆的振动尤为剧烈。随着车辆行驶速度的逐渐提高,这一问题将会更加突出,同时随着车辆向着大型化、高速化、舒适性方向发展,其舒适性已经成为消费者关注的主要内容之一。研究表明,结合无悬架非公路车辆的结构特点,就目前经济和技术水平来看,安装合适的前轴悬架系统特别是前轴油气悬架系统是改变这种现状的有效措施之一。因此,深入研究前轴油气悬架系统设计理论及其振动特性,对前轴油气悬架车辆的研究与开发具有重要的意义。本文以江苏常发集团生产的CF200拖拉机作为样车,在试验测定车辆系统的质量属性参数、轮胎刚度与阻尼系数等的基础上,建立了无悬架和前轴悬架非公路车辆系统振动的数学模型,分析了系统的固有频率,运用Matlab/Simulink进行了系统的振动特性仿真研究和前轴悬架系统的参数匹配研究。结合样车的结构特点和参数特征,研制了适用于样车的阻尼可调前轴油气悬架系统,建立了其数学模型,并进行了油气悬架系统的静刚度、阻尼特性、输出力特性的仿真研究和油气悬架系统的动态输出力特性试验,同时通过台架试验进行了前轴油气悬架车辆的动态特性的试验研究。所完成的主要工作以及取得的主要结论如下1、参照有关国家标准,对样车的质量、质心位置、车辆绕质心位置的俯仰转动惯量等质量属性参数和车辆前、后轮胎的刚度与阻尼系数等进行了测定。2、在分析了无悬架车辆系统的振动微分方程和车辆系统固有频率的基础上,结合测得的车辆自身参数计算得到车辆的垂直振动固有频率和俯仰角振动固有频率；以积分白噪声D级随机路面作为激励,利用MATLAB/Simulink软件,分析研究了无悬架车辆系统质心位置的垂直振动加速度、俯仰振动角位移、角加速度,并对车辆前、后轴处的垂直振动位移、垂直振动加速度进行了比较,结果表明：前、后轴处垂直振动位移幅值基本接近,而前轴的垂直振动加速度明显高于后轴。3、考虑到驾驶员重量对非公路车辆的质心位置和绕质心的俯仰转动惯量的影响,建立了与样车结构参数相匹配的前轴悬架非公路车辆振动数学模型,运用MATLAB/Simulink通过改变前轴悬架的参数,对前轴悬架车辆的振动特性和悬架系统的阻尼和刚度参数的匹配问题进行了仿真研究。4、基于流体力学和气体状态方程等相关理论,建立了阻尼可调油气悬架的数学模型,并对油气悬架的静刚度特性进行了理论分析,通过改变蓄能器气体的初始工作压力和体积、正弦激振频率和幅值、活塞阻尼孔直径、单向阀直径、可调阻尼阀直径等参数,应用MATLAB/Simulink对油气弹簧的阻尼、动态输出力和悬架缸各腔压力等非线性特性进行了仿真研究。5、构建了前轴油气悬架车辆振动特性综合试验台,基于LabVIEW开发了试验台测控系统,可进行油气悬架静刚度、动态输出力等特性试验和油气悬架系统的位移传递率、垂直振动加速度、悬架动挠度、悬架动载荷、油气悬架各腔动压力等动态性能的试验研究工作。6、确定了阻尼可调式前轴油气悬架的整体结构和主要零部件参数,进行了蓄能器内气体不同初始工作压力和初始工作体积下的油气悬架静特性试验,通过改变气体初始工作压力和体积、正弦激振幅值和频率、可调阻尼阀阀芯转角和单向阀组阀口开度,进行了油气悬架的动态特性试验。7、在构建和分析了车辆前轴1/2悬架振动系统数学模型的基础上,进行了车辆前轴油气悬架系统的台架试验,通过改变蓄能器内气体初始工作体积、可调阻尼阀阀芯转角、单向阀组阀口开度、正弦激励幅值等参数,试验研究了各参数对簧上质量垂直振动的位移传递率、加速度均方根值以及车轮动载荷等振动特性的影响规律。通过本课题的研究,为前轴油气悬架非公路车辆系统的研究提供了理论基础和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 车辆悬架系统动力学的研究内容
• 1.1.2 悬架系统在车辆减振中的重要作用
• 1.1.3 被动悬架、主动悬架与半主动悬架
• 1.1.4 油气悬架
• 1.1.5 课题研究的意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 国外油气悬架系统的研究现状
• 1.2.2 国内油气悬架系统的研究现状
• 1.2.3 拖拉机减振技术国内外研究现状
• 1.3 课题研究目标和内容
• 参考文献
• 第二章 无悬架非公路车辆的振动特性研究
• 2.1 车辆系统振动参数的确定
• 2.1.1 样车的主要技术参数
• 2.1.2 车辆系统质量属性参数的试验测定
• 2.1.3 轮胎振动特性参数的测定
• 2.2 无悬架非公路车辆的平面模型
• 2.2.1 无悬架车辆系统的振动微分方程
• 2.2.2 平面模型的简化
• 2.2.3 无悬架车辆系统的固有频率
• 2.3 无悬架车辆振动特性的仿真研究
• 2.3.1 随机路面激励模型
• 2.3.2 正弦波激励路面描述
• 2.3.3 车辆前、后轮的路面输入
• 2.3.4 仿真结果与分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 车辆前轴悬架系统主要性能参数的匹配
• 3.1 前轴悬架车辆系统振动的数学模型
• 3.1.1 车辆系统振动数学模型
• 3.1.2 前轴悬架主要性能参数范围的确定
• 3.1.3 频率特性分析
• 3.2 前轴悬架系统的仿真结果与分析
• 3.2.1 悬架参数对车身垂直振动加速度的影响
• 3.2.2 车辆俯仰振动与悬架参数的关系
• 3.2.3 前悬架参数变化对悬架动挠度、前轮动载荷的影响
• 3.2.4 前悬架对车辆振动特性的影响
• 3.2.5 前轮动载荷的时间响应
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 阻尼可调油气悬架的非线性特性仿真
• 4.1 阻尼可调油气悬架的工作原理
• 4.1.1 阻尼可调油气悬架的结构原理
• 4.1.2 阻尼可调油气悬架的工作原理
• 4.2 油气弹簧数学建模所涉及的基本理论
• 4.2.1 孔口出流方程
• 4.2.2 气体状态方程
• 4.2.3 局部压力损失
• 4.3 油气悬架系统的静刚度特性分析
• 4.3.1 油气悬架静刚度的计算
• 4.3.2 油气悬架参数对悬架静刚度的影响
• 4.4 油气悬架系统的阻尼特性分析
• 4.4.1 阻尼力与阻尼系数的计算
• 4.4.2 影响系统阻尼特性的参数
• 4.5 油气悬架输出力特性仿真与分析
• 4.5.1 缸筒内径和活塞杆外径对输出力的影响
• 4.5.2 单向阀对油气悬架输出力特性的影响
• 4.5.3 气体初始工作参数对油气悬架输出力特性的影响
• 4.5.4 活塞阻尼孔对悬架输出力的影响
• 4.5.5 可调阻尼阀过流面积的影响
• 4.5.6 正弦激励对悬架输出力的影响
• 4.6 油气悬架各腔的压力变化
• 4.6.1 油气悬架无杆腔的压力变化
• 4.6.2 有杆腔工作压力的变化
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 阻尼可调油气悬架的输出力特性试验
• 5.1 阻尼可调油气悬架的结构设计
• 5.1.1 阻尼可调油气悬架的结构原理
• 5.1.2 油气悬架主要参数的确定
• 5.1.3 油气悬架系统主要零部件的结构设计
• 5.2 油气悬架静态输出力特性试验
• 5.2.1 试验条件
• 5.2.2 试验方案
• 5.2.3 试验数据分析
• 5.3 油气悬架动态输出力特性试验
• 5.3.1 试验条件
• 5.3.2 试验方案
• 5.3.3 试验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 车辆前轴油气悬架系统的振动特性
• 6.1 车辆前轴油气悬架系统的数学模型
• 6.2 车辆前轴油气悬架系统的台架试验
• 6.2.1 试验系统的构建
• 6.2.2 试验仪器及设备
• 6.2.3 试验方案
• 6.3 试验结果及分析
• 6.3.1 位移传递率分析
• 6.3.2 加速度时间响应
• 6.3.3 加速度均方根值比较分析
• 6.4 车轮动载荷比较分析
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 主要创新内容
• 7.3 后续研究建议及展望
• 附录一 螺旋弹簧特性曲线
• 附录二 部分试验照片
• 致谢
• 博士研究生期间发表的论文