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互连空气悬架系统的动态建模与仿真分析
Xing Xu and Zou Nannan
江苏大学
摘要
互连空气悬架系统可以通过在空气弹簧间交换空气来改变汽车的操纵稳定性。本文中，基于热力学和车辆动力学分析互连空气悬架的结构和工作原理。然后空气悬架的数学模型(包括互联特性)被建立用来研究空气悬架系统的空气交换原理。互连管道和激励相位差对整车空气悬架系统的特点被计算和分析。仿真结果显示当悬架系统中的空气弹簧互连时，空气弹簧的刚度减小。同时随着相互连接的管道直径增大，刚度逐渐减小。如果空气弹簧两侧的激励相位差是180度，此时空气弹簧刚度最小。在扭曲路面工况时（即处于对角的轮胎被同时激发），互连空气悬架可以明显减少左轮胎和右轮胎之间的动态载荷差，这可以有效增加轮胎和路面之间的附着力。另一方面，在双车道变换测试工况下，相互连接的管道直径越大，车身侧倾角越大。同时，增加的管线直径对等角10mm时的侧倾角没有明显影响。
简介
安装在车身和车轴之间的悬架可以将力量和力矩从车轮传递到车架，使车辆能够正常行驶。采用空气弹簧作为弹性元件的空气悬架，随着有效载荷的变化几乎不变，所以它可以明显提高乘坐性能。另一方面，空气悬架可以通过对空气弹簧充气或排气来调节车身与车轴之间的距离，该空气弹簧可根据不同的行驶条件获得不同的行驶高度。通过管道相互连接的空气悬架可以在空气弹簧之间交换气体，并且每个空气弹簧作为另一个空气弹簧的辅助腔室。连接或断开的空气弹簧由安装在管道中的电磁阀控制，适用于更多的驾驶条件。
W.H.William于1961年首次提出互连空气悬架。建议建立具有二自由度半车辆模型的互联前后悬架，通过线性化得到系统的传递特性，并通过Bhave分析体积比，管道直径的影响。戴维斯等人在重型卡车上采用了纵向互连空气悬架，改善了乘坐舒适性和道路友好性。基于热力学，Friedrich等人建立了相互关联的空气悬架的数学模型，包括空气弹簧模型和管道模型，并且该模型通过钻机测试。Kat等人研究了相互连接的空气悬架的三轴卡车。 开发了包含三个空气弹簧的互联空气悬架数学模型，并通过实验验证了该模型。另外，一些关于互联悬架的案例主要集中互连的液压悬架或液压气动悬架，但对相互连接的空气悬架的研究仍然很少。一旦通过使用安装在管道中的电磁阀可以控制相互连接的空气悬架，换可以在空气弹簧之间交换空气，并且空气弹簧可以作为彼此可变体积的辅助腔室工作，这使得乘坐舒适度进一步提高。
本文建立了整车数学模型作为精确的整车模型，采用励磁相分析了相互连接的车辆的刚度特性，从而获得了相互连接的空气悬架的交特性。
本文的其余部分安排如下：首先给出了互联空气悬架系统及其工作原理。其次，建立了互联空气悬架系统的非线性复杂模型。然后，利用Simulink模型对相互连接的空气悬架进行了详细的分析，得到了系统的特性，并且了解如何提高乘坐性能。最后，这部分工作在最后一节中进行了总结。
相互连接的空气悬架系统的整车建模
互联空气悬架的整车模型由互联空气弹簧模块，带阻尼控制的减震器模块，车身模块和车轮模块组成
互连空气弹簧模块
图1示出了互连空气弹簧的结构，包括空气弹簧1，管线和空气弹簧2.气体交换路线是“空气弹簧1-互连管线 - 空气弹簧2”的特征。 由于左右轮胎之间的激振幅度和相位不同，所以发生空气间的气体交换，同时悬架的特性可以改变。
图1.互连空气悬架系统的结构
图1.互连空气悬架系统的结构
- 空气弹簧的型号
由于悬架系统需要向气动弹簧充气/放气，空气弹簧是典型的开放式可变质量系统。根据热力学第一定律，得到空气弹簧的能量守恒方程为：
（1）
为热力学外部吸收的热量，J； 是热力学系统的热力学能量增量，J;是取自热力学系统的交换气体的焓变量，J；是热力学系统对外界做的物理工，J.实际上，空气弹簧的状态变化是一个近似的绝热过程，没有热交换到外部，即= 0。因此，热力系统的热力学能量增量可由下式计算：
（2）
其中是空气弹簧1的气体质量，kg；是恒定体积比热，J /（kg·K）;是空气弹簧1中的气体温度，K。因此，随着空气流动而传递的能量无穷小焓（热力学能量和空气流动完成的功的总和）被描述为： （3）
其中是恒定压力下的比热，J /（kg·K）;T是上端的气体温度，K。因此，空气弹簧对外部作功的极小值如下所示。
（4）
其中是空气弹簧中的绝对压力，Pa; 是空气弹簧的体积，。
将方程2,3,4代入方程1，计算开式系统的绝热过程方程为：
（5）
其中K是等熵指数，1.4。 空气弹簧1的压力响应可以按照下式获得：
（6）
其中是空气弹簧1中的初始质量，kg; 是空气弹簧1的初始体积，。 空气弹簧1 和体积中的气体质量可表示如下：
（7）
（8）
dV / dh是空气弹簧1的体积变化率， / m; 是空气弹簧1的高度变化，m。
然后，通过使用压力响应和空气弹簧的有效面积来计算空气弹簧1的弹簧力。
（9）
其中是空气弹簧1的弹力，N; 是空气弹簧1的有效面积，。
类似地，空气弹簧2的压力响应和弹簧力可以如下获得：
（10）
（11）
其中，是空气弹簧2的瞬时压力值和初始压力值，Pa; ，是空气弹簧2的初始体积值和瞬时体积值，; 是空气弹簧2的弹力，N; ，是空气弹簧2的初始气体质量值和瞬时气体质量值，kg。
- 管道模型
由于空气弹簧通过管道相互连接，空气弹簧之间发生气体交换，并产生质量流量。正如我们所知道的那样，管道对气流有节流作用。管道的流量特性可以用质量流量表示。 管道的节流效果可以等效为节流孔，通过节流孔的质量流量与上游压力，下游压力和温度有关，所以关系可表示为：
（12）
，为不同流动状态下的流动参数; 是流量系数; 上行是上游压力，Pa; 是下游压力Pa; 是上游的气体温度，K; 是临界压力比; 是节流孔口的有效横截面面积，㎡。对于理想气体，临界压力比和流量参数，可表示如下：
（13）
（14）
（15)
其中是亚音速流动状态下的流动参数，它是上游压力与下游压力之比的函数; 是声波流动状态下的流动参数.
由于管道的节流效应，管道两端存在流动延迟，流量的关系式为:
(16)
其中L是管线的长度，m; P为管道终端压力Pa; T是管道终端温度，K; 是管道的阻力系数; c是声速，为340m / s。
车身和车轮模块
相互连接的空气悬架系统影响转向条件下的操纵稳定性，因此建立的模型可以描述直行和转向条件下的动力特性.整车可简化为9自由度模型，整车物理模型的结构如图2,3所示:
图2.车身和车轮垂直振动的物理模型
图2中，是非悬挂质量，kg; 是四个轮胎的道路激励，m; 是四个轮胎的挠度，m; ，分别为前轮胎和后轮胎的刚度，N / m; 是悬挂质量，kg; T是车轮轨迹，m; 是围绕x轴的身体的转动惯量，kg·㎡; Phi;是车身侧倾角，假设车身向右倾斜时的侧倾角为正，rad; 是身体围绕y轴的转动惯量，kg·㎡; theta;是身体的俯仰角，假设身体向前倾斜时的侧倾角为正，rad; 是前轴与质量中心之间的距离，是后轴与质量中心之间的距离，m; 是围绕z轴的身体转动惯量，kg·㎡; A是后悬架的防倾杆力臂，m.
图3.车身转向运动
在图3中，V是车辆的行驶速度，m / s; beta;是车辆质量中心处的侧滑角，rad; gamma;是车辆质量中心的横摆率，rad / s; 是四个轮胎的转弯力量，N。
整车9自由度数学模型可以用等式17,18,19,20,21,22,23表示，并且四个轮胎的垂直运动可以描述如下：
（17）
（18）
，分别是前悬架的悬挂质量和后悬架的悬挂质量，kg。
在行驶时，所有轮胎都受到路面垂直位移的影响，导致车身产生竖向振动，这可以描述如下：
（19）
其中，，，是悬挂力，N。
车身的滚动运动是由侧向力和路面粗糙度激发引起的，滚动运动可以描述如下：
（20）
其中是轮胎的附着系数; 是车辆质心的高度，m; 是前滚中心的高度，m; 是后滚中心的高度，m; 是质心与横摇轴之间的距离，m。
圆周运动仅由路面引起，而不考虑车辆的加速和刹车，这可以表示为如下：
（21）
在地面坐标系中，车辆的纵向和横向始终在变化，但在所有运动方向上的运动约束是不变的。 因此，车辆的侧滑运动和偏航运动可以描述如下：
（22）
（23）
车身横向加速度表示为：
（24）
前轮和后轮提供的转弯力量为：
（25）
（26）
其中为四个轮胎的转弯刚度，当轮胎的侧滑角较小时，轮胎的转弯力与侧滑角度成线性关系，N / rad。
，，，为悬架力，它是空气弹簧力，阻尼力，防倾杆力的总和，可以计算为：
（27）
悬架位移是簧上质量和非簧载质量相对位置的变化，假设悬架压缩时位移为正值，可以定义如下：
（28）
（29）
（30）
（31）
轮胎滑移角与重心的侧滑角之间的关系可以表示如下：
（32）
（33）
其中是前轮的滑移角，是后轮的滑移角rad。
空气悬架性能仿真分析
利用Matlab / Simulink中的数学模型建立了互联空气悬架仿真模型。 整车的相关参数如表1所示。
表1.整车模型的参数
|
参数 |
数值 |
参数 |
数值 |
|
车身质量（㎏） |
1396 |
绕x轴的旋转惯性（㎏㎡) |
606 |
|
车轮质量（㎏） |
40 |
绕y轴的旋转惯性（㎏㎡) |
4192 |
|
绕z轴的旋转惯性 （㎏㎡) |
4192 |
轮胎刚度(kN/m) |
250 |
|
轮径T(m) |
1.55 |
相互关联的管道的长度(m) |
1.7 |
|
质心和前轴的距离（m) |
1.3 |
质心和后轴的距离（m) |
1.4 |
|
轮胎的附着系数 |
1 |
质心高度（m) |
0.54 |
|
前轮中心高度（m) |
0.11 |
后轮中心高度（m) |
0.15lt; 全文共10830字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[15507]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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