拖拉机驾驶室悬架油气弹簧设计与试验

拉机通过性与行驶速度， 改善拖拉机的乘坐舒适性 及操纵稳定性。国外对油气弹簧及油气悬架进行了 大量研究
［6 － 13 ］
。 国内也对油气悬架进行了大量理
论及试验研究， 但基本上集中在车身悬架系统， 有关 ［14 － 15 ］ 。 本文设 驾驶室油气悬架的研究却鲜有报道 计一种节流阀及单向阀开度可调的拖拉机驾驶室用油 气弹簧， 研究节流阀及单向阀开度对输出力的影响。
2 0 1 4 年 12 月 1298． 2014． 12． 005 doi： 10． 6041 / j． issn． 1000-
农 业 机 械 学 报
第 45 卷 第 12 期
拖拉机驾驶室悬架油气弹簧设计与试验
朱思洪
1
*
李
科
1
李朝全
2
吕宝占
3
徐
刚
1
（ 1． 南京农业大学工学院 ，南京 210031 ； 2． 鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司 ，营口 115007 ； 3． 河南理工大学机械与动力工程学院 ，焦作 454003 ） 摘要： 基于 CF700 型拖拉机驾驶室悬架参数要求和流体力学理论建立了一种油气弹簧的弹性力及阻尼力模型 。 计算了油气弹簧关键参数 ， 设计了阻尼可调的油气弹簧 。 试验研究了激励、 节流阀开度及单向阀开度对油气弹簧 输出力的影响。试验结果表明， 所研制的油气弹簧有较大的阻尼力调节范围 ， 节流阀开度同时对油气弹簧压缩与 复原行程输出力有影响 ， 单向阀开度只对压缩行程输出力有影响 ， 节流阀开度对输出力影响较单向阀明显 。 试验 验证了设计思路和方法的有效性 ， 为拖拉机驾驶室油气悬架减振性能的研究奠定了基础 。 关键词： 拖拉机 驾驶室悬架
· · c1 c1 · · · ·
（ 1）
（ l c + l r1 ） + l f1 ） + c r1［z c1 － z c2 + l r1 φ c1 － （ l c + l r1 ） φ c2 ］ k f1［ z c1 － z c2 － l f1 φ c1 － （ l c － l f1 ） φ c2 ］ （ l c － l f1 ） + z c1 － z c2 + l r1 φ c1 － （ l c + l r1 ） φ c2 ］ （ l c + l r1 ） － k r1［ cf2 （ － z c2 + l f2 φc2 + h f ） l f2 + c r2 （ － z c2 － l r2 φ c2 + h r ） l r2 － k f2 （ － z c2 + l f2 φ c2 + h f ） l f2 + k r2 （ － z c2 － l r2 φ c2 + h r ） l r2
· · c2 c2 · · · · · · · · · ·
= c f1［－ z c1 + l f1 φ c1 + z c2 + （ l c － l f1 ） φ c2］+
· · · · · · · ·
·
·
·
·
c r1［－ z c1 － l r1 φ c1 + z c2 + （ l c + l r1 ） φ c2］+ k f1［－ z c1 + l f1 φ c1 + z c2 + （ l c － l f1 ） φ c2］+ k r1［－ z c1 － l r1 φ c1 + z c2 + （ l c + l r1 ） φ c2 ］
· · · · · ·
l f1 － J φ = c f1［z c1 － l f1 φ c1 － z c2 － （ l c － l f1 ） φ c2］ l r1 + c r1［z c1 + l r1 φ c1 － z c2 － （ l c + l r1 ） φ c2］ k f1［ z c1 － l f1 φ c1 － z c2 － （ l c － l f1 ） φ c2］ l f1 － k r1［ z c1 + l r1 φ c1 － z c2 － （ l c + l r1 ） φ c2］ l r1 （ 2）
驾驶室悬架为 以 CF700 型拖拉机为研究对象， 全浮式， 其前、 后悬架的左右支撑点均采用油气弹簧 — —阻尼元件， 作为弹性— 其 4 自由度平面振动模型 如图 1 所示。建立系统的振动微分方程如下 M z
· · c1 c1
c r1［z c1 － z c2 + l r1 φ c1 － （ l c + l r1 ） φ c2］+ k f1［ z c1 － z c2 － l f1 φ c1 － （ l c － l f1 ） φ c2］+ k r1［ z c1 － z c2 + l r1 φ c1 － （ l c + l r1 ） φ c2］+ c f2 （ － z c2 + l f2 φ c2 + h f ） + c r2 （ － z c2 － l r2 φ c2 + h r ） + k f2 （ － z c2 + l f2 φ c2 + h f ） + k r2 （ － z c2 － l r2 φ c2 + h r ） （ 3） （ lc － J φ = c f1［z c1 － z c2 － l f1 φ c1 － （ l c － l f1 ） φ c2 ］
— —流经单向阀的液压油流量， m3 / s Qd — CQ — — —孔口流量系数， C Q 为 0. 82 Sd — — —单向阀通流面积， m2
槡
2
Δp31 ρ
（ 9）
图2 Fig． 2
阻尼可调油气弹簧原理图 hydropneumatic spring
Principle model of damping adjustable
Qj = 式中
（ 8）
— —流经节流阀的液压油流量， m3 / s Qj — · s — —液压油动力粘度， Pa μ— — —节流阀孔口通流直径， m dj — m — —孔口通流长度， l— — —蓄能器与有杆腔液体的压力差， Pa Δp23 — 单向阀两端压力与流量间关 根据厚壁孔理论，
系为 Qd = CQ Sd 式中
槡
（ 10 ）
34
农
业
机
械
学
报
2014年
式中
Qz — — —流经阻尼孔的液压油流量， m3 / s — —阻尼孔通流面积， m2 Sz — — —油气悬架无杆腔与有杆腔间的液体 Δp21 — Pa 压力差，
由蓄能器内油液变化量与油气悬架缸筒内油液 变化量相等可得式（ 8 ） ～ （ 10 ） 中各流量间的关系为
［17 ］ 粘滑摩擦力 F （ x ） 数学模型为
F （ x ） = sign（ x） ［ Fc + （ Fs ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Fc ） e － （
· ·
· x /· x s） 2
+ F v x］ （ 7）
·
式中
F c 为 100 N — —库仑摩擦力， Fc — F s 为 220 N Fs — — —静摩擦力，
+
油气弹簧
设计
试验 1298 （ 2014 ） 12003205 文章编号： 1000-
中图分类号： TH135 ； U463. 33 4. 3
文献标识码： A
引言
油气弹簧具有非线性变刚度、 结构紧凑、 悬架锁 止、 水平调节及阻尼可调等优点， 已广泛用于非公路 车辆悬架
［1 － 5 ］
。研究表明， 油气悬架可有效提高拖
（ 5） （ 6）
F = p （ S1 － S2 ） = 式中
p— — —压缩后系统压力 — —蓄能器初始充气压力 p0 — V0 — — —蓄能器初始充气体积 — —气体多变指数， r— 静态时取 r = 1
2. 3
阻尼力模型 在油气弹簧压缩或复原时， 油缸与活塞杆间的
·
在固有频率为 0. 8 ～ 2. 5 Hz、 阻尼比为 0. 15 ～ 0. 35 及悬架动行程为 ± 50 mm 条件下， 利用微分方 程对振动模型进行驾驶室悬架参数匹配研究 。得到 20 kN / m， 驾驶室前、 后悬架刚度为 20 、 阻尼系数为 1 233 、 1 726 N · s / m。 、 前 后支点单个油气弹簧刚度为 10 、 10 kN / m， 863 N · s / m。 阻尼系数为 617 、
表 1 所示。 其中 节 流 阀 和 单 向 阀 组 通 流 直 径 0 ～ 6 mm 可调， 从而实现油气弹簧阻尼调节的功能 。
表1 Tab． 1
参数 液压油缸内径 / mm 活塞杆直径 / mm 油气弹簧行程 / mm 阻尼孔直径 / mm 阻尼孔数量 节流阀通流直径 / mm 单向阀通流直径 / mm 蓄能器初始充气体积 / cm
4 个腔压力从 p0 变 容积变化均为 ΔV = （ S1 － S2 ） x， 化为 p。缓慢移动时工作介质温度变化忽略不计，
r r 则油气弹簧内部压 按理想气体状态方程 pV = p0 V0 ，
力及静态弹性力可表示为 p=
r r p 0 V0 pV0 = r Vr ［ V0 － （ S1 － S2 ） x］ r p 0 V0 （ S1 － S2 ） r ［ V0 － （ S1 － S2 ） x］
— —油气悬架无杆腔与蓄能器液体的压 Δp31 — Pa 力差， — —油液密度， kg / m ρ— 系为 Qz = CQ Sz
3
2. 2
弹性力模型 当活塞杆相对缸体的位移为 x 时， 忽略液压油
阻尼孔两端压力与流量间关 根据厚壁孔理论， Δp21 ρ
的可压缩性， 此时无杆腔 1 容积变化为 ΔV1 = S1 x， 3 腔和氮气气室的 有杆腔 2 容积变化为 ΔV2 = S2 x， 2
33
式中
k f2 、 k r2 — — —前、 N /m 后轮刚度， c r2 — — —前、 c f2 、 N · s/m 后轮阻尼系数， M c2 — kg — —机身质量， — —机身绕质心转动惯量， kg · m2 J c2 — N /m k f1 、 k r1 — — —驾驶室前、 后悬架的刚度， c f1 、 c r1 — N · s/m — —驾驶室前、 后悬架阻尼系数， — —驾驶室质量， kg M c1 — — —驾驶室绕质心转动惯量， kg · m2 J c1 — l f1 、 l r1 — — —驾驶室质心到前、 后悬架的水平距 m 离， l f2 、 l r2 — — —机身 质 心 到 前、 后轮轴的水平距 m 离， lc — — —驾驶室质心到机身质心的水平距离 ， m hf 、 m hr — — —前、 后轮路面激励，
图1 Fig． 1
· · c2 c2
带全浮式驾驶室的拖拉机振动模型 Vibration model of fullfloating cab tractor
· · · ·
M z
= c f1［z c1 － z c2 － l f1 φ c1 － （ l c － l f1 ） φ c2］+
· · · ·
1
油气弹簧刚度和阻尼
{
S2 x = sign（ x ） nQ z + Q j （ S1 － S2 ） x =
·
·
·
图3
· d
阻尼力计算模型
1 + sign（ x ） ] Q [1 2 2
－ Qj
（ 11 ）
Fig． 3
Model of damping force calculating
式中
n— — —阻尼孔个数 由式（ 8 ） ～ （ 11 ） 得
· ·
— —油缸与活塞杆相对速度 x— xs— x s 为 0. 003 m / s — —经验参数，
·
2
2. 1
油气弹簧设计与计算
油气弹簧结构设计 系
Fv 为 2 N Fv — — —粘性摩擦系数， · s/m 节流阀两端压力与流量间关 根据细长孔理论， πd j Δp 128 μl 23
4
根据驾驶室悬架参数优化设计结果， 设计了驾 ［16 ］ 驶室悬架的油气弹簧， 其结构如图 2 所示 ， 该油 气弹簧主要由液压油缸、 节流阀、 单向阀组及隔膜式 蓄能器组成。其特点是节流阀和单向阀组的开度可 调， 以适应拖拉机行驶工况的变化。
3
2 · · S · （ p － p2 ） sign（ x ） + x = sign（ x ） nC Q S z 2 ρ 1 4 πd j （ p － p2 ） 128 μl 3 1 1 · （ S1 － S2 ） · + sign（ x ） · x = CQ Sd 2 2 4 πd j 2 · （ p － p2 ） （ p1 － p3 ） sign（ x ） － 128 μl 3 ρ （ 12 ）
· · · ·
（ 4）
1127 修回日期： 20140102 收稿日期： 2013* 国家自然科学基金资助项目 （ 51275249 ） Email： zhusihong@ njau． edu． cn 作者简介： 朱思洪， 教授， 博士生导师， 主要从事车辆系统动力学及控制研究，
第 12 期
朱思洪 等： 拖拉机驾驶室悬架油气弹簧设计与试验