拖拉机驾驶室悬架油气弹簧设计与试验

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，
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 ）
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
· · · ·
（ 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
{
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
· · 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 ］
（ 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 、
+
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
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］
· · 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
· ·
— —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。
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 ］
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
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
— —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
· · · · · ·
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）