矿用汽车油气悬架系统动力学性能研究

太原理工大学硕士学位论文矿用汽车油气悬架系统动力学性能研究姓名：曹瑞元申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：熊诗波20100501太原理工大学硕士研究生学位论文I矿用汽车油气悬架系统动力学性能研究摘要车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性与整车本身的振动特性有关，而整车的振动特性又取决于悬架的固有特性，因此悬架的固有特性直接决定了整车的行驶平顺性和乘坐舒适性。悬架的特性主要是刚度特性和阻尼特性。传统悬架的刚度和阻尼都是固定不变的，整车振动的固有频率会随着簧载质量的变化而变化，因此采用传统悬架的车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性较差。油气悬架作为一种新型的悬架系统，它是以油液为传递介质，以惰性气体（通常是氮气）作为弹性介质，具有良好的非线性刚度和阻尼特性，可以保证车辆在行驶过程中平稳运行、减小路面激励带来的颠簸、减轻驾驶疲劳、提高整车的行驶平顺性和乘坐舒适性。因此，对油气悬架系统性能的研究对于改善整车的行驶平顺性和乘坐舒适性具有重要的现实意义。矿用汽车在实际使用过程中，由于油气悬架系统经常出现损坏，导致了整车的乘坐舒适性较差，影响了工人的工作效率。基于以上问题，本文以WC5型矿用汽车（无轨胶轮车）为研究对象，对油气悬架系统进行动力学性能研究，通过对矿用汽车油气悬架系统分析，寻求问题的根源。首先，对结构进行了相应的优化改进，增加单向阀、阻尼孔充当减振元件以缓解不平路面对矿用汽车带来的冲击；将原结构中的机械式三位三通换向阀替换为电磁换向阀，以消除机械式随动臂对阀带来的冲击力；这在一定程度上，提高了矿用汽车行驶平顺性和乘坐舒适性，为油气悬架结构参数优化、合理选择和确定以及对矿用汽车油气悬架系统的自主研发设太原理工大学硕士研究生学位论文II计提供了一定的理论基础和参考依据。其次，利用流体动力学和非线性振动理论，建立了考虑油液非线性刚度、活塞与液压缸壁之间的动摩擦力、蓄能器结构参数等因素的油气悬架非线性数学模型。采用液压仿真软件AMESim，通过对仿真模型进行DOE试验仿真分析，不仅获取了影响油气悬架系统性能的结构参数，而且也相应验证了油气悬架非线性数学模型的正确性；区别于现阶段的半主动油气悬架研究主要集中在对阻尼系数的控制上，采用三位三通电磁换向阀，通过对油气悬架系统的充放油控制减轻了路面对车身的冲击振动；并通过参数化优化设计对影响油气悬架系统性能的结构参数进行了改进，减小了车身的垂直加速度，并得到了油气悬架昀优化刚度特性曲线。摆架是矿用汽车主要的承载机构，其结构特征直接关系着矿用汽车的使用寿命，然而目前对此种摆架结构方面的研究极少，由此，有必要对摆架进行应力应变分析和疲劳寿命分析。通过Pro/E软件建立摆架的三维实体模型，运用应力应变分析软件Patran对其进行了应力应变分析，并对其应力集中部分进行了相应的改进。运用Fatigue疲劳分析软件对改进前后的摆架进行了疲劳寿命预测分析，分析得知改进后的摆架的寿命得到了一定的延长，满足了矿用汽车实际使用的要求。昀后，运用Pro/E软件建立了油气悬架缸、导向机构、机架、车轮等在内的矿用汽车空间运动三维实体模型，运用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS对矿用汽车进行了运动学性能分析、多刚体动力学仿真、爬坡性能以及侧倾性能研究，得知经优化改进后，矿用汽车的整体性能得到了良好的改善。太原理工大学硕士研究生学位论文III关键词：矿用汽车，油气悬架，摆架，应力应变，动力学仿真太原理工大学硕士研究生学位论文VSTUDYONDYNAMICPERFORMANCEOFHYDRO-PNEUMATICSUSPENSIONSYSTEMFORMININGTRUCKABSTRACTRidecomfortandcomfortofvehicleshaverelationtothevibrationcharacteristicsofvehicles,andthevibrationcharacteristicsofvehiclesaredependentontheinherentcharacteristicsofsuspension.Therefore,theinherentcharacteristicsofsuspensiondetermineridecomfortandcomfortofvehiclesdirectly.Theinherentcharacteristicsofsuspensionincludethestiffnessanddampingcharacteristicsmainly,whichareallfixedinthetraditionalsuspension.Thenaturalfrequencyofvibrationisduetosprungmass,therefore,ridecomfortandcomfortofvehicleswithtraditionalsuspensionarepoor.Asanewtypeofsuspensionsystem,hydro-pneumaticsuspensionisbasedonoilasadeliverymedium,withinertgas(usuallynitrogen)astheelasticmedium.Withgoodnon-linearstiffnessanddampingcharacteristics,itcanguaranteethevehiclesrunsmoothlyduringoperation,reducetheincentivefromthebumpyroad,alleviatefatigueofdriversandalsoimprovevehicleridecomfortandcomfort.Therefore,theresearchofhydro-pneumaticsuspensionsystemperformanceisimportantforpracticaluse.Comfortofminetruckispoorinactualuseoftheprocess,whichisdueto太原理工大学硕士研究生学位论文VIfrequentdamagetohydro-pneumaticsuspension,whichseverelyaffectstheefficiencyoftheworkers.Basedontheaboveproblem,wetakeWC5minetruck(non-railrubbervehicles)astheresearchobjecttoanalysisdynamicsperformanceofhydro-pneumaticsuspensionsystemtofindouttherootoftheproblems.Firstly,thecorrespondingstructureisoptimized,addcheckvalvesanddampingholetoactasdampingelementstoalleviatevibrationofminetruckfromtheunevenroad;themechanicalvalveisreplacedwiththree-positionandthree-wayreversingvalveinordertoeliminatemechanicalwearandtear;tosomeextent,itimprovesthevehicleridecomfortandcomfort,andalsoprovidesabasisfortheoreticaltechnologyandreferencesforoptimizationofstructuralparametersforhydro-pneumaticsuspension,determinestheirstructuralparameters.Secondly,basedonthetheoryoffluiddynamicsandnonlinearvibration,weestablishthenon-linearmathematicalmodelofhydro-pneumaticsuspensionsystemconsideringnonlinearstiffness,thedynamicfrictionbetweenhydraulicpistonandcylinderwallandaccumulatorstructureparametersandsoon.ThisresearchadoptshydraulicsimulationsoftwareAMESim.Wenotonlyobtainstructuralparametersofhydro-pneumaticsuspensionwhichaffectstiffnessanddampingcharacteristicsthroughDOEsimulationanalysis,butalsoverifythecorrectnessofthemathematicalmodel.Differentfromthepresentstageofsemi-activesuspension,thisresearchusesthree-positionandthree-way太原理工大学硕士研究生学位论文VIIreversingvalvetoreducethevibrationfromtheroadthroughcharge-dischargecontrolofoil.Besidesthat,itimprovesthestructureparametersafterparameteroptimizationdesign,reducesthebody'sverticalaccelerationandwealsogetthebeststiffnesscharacteristiccurve.Swingframeisthemainbodycarryingtheweightofwholeminetruck,whosestructureisdirectlyrelatedtothelifeofminetruck.However,it’ssuchaswingframestructurewithfewstudies,soit’snecessarytohavearesearchforthestressandstrainanalysisandfatiguelifepredictionanalysis.weestablishthree-dimensionalsolidmodelofswingframeusingPro/E,andmakethestressandstrainanalysisthroughPatran.Besides,wealsomakesomeimprovementstocorrespondingpartswiththestressconcentration.Fatiguelifepredictionanalysisiscarriedontheswingframebeforeandafteroptimization,throughwhichweachievetheresultthatthelifeofswingframeisextendedtomeettherequirementsinactualuseafteroptimizationtosomeextent.Finally,weestablishthespacemotionmodelofminetruckwiththehelpofPro/E,includinghydro-pneumaticsuspensioncylinder,orientedinstitutions,frame,wheelsandsoon.Besides,somerelevantsimulationanalysisiscarriedoutusingtheso